国内外冷作模具钢的发展概况

国内外冷作模具钢的发展概况
钢的冷作模具材料是在第二次世界大战期间发展起来的。最早用中碳合金钢(如0.5%C、1.2%Cr、3.2%Ni钢等)制造冲头及凹模，允许的挤压应力为2000~2500MPa。
后来，一些工业较发达的国家为突破冷作模具技术应用上的局限性，使用高碳高铬钢和钨系高速钢来制造冷作模具，允许的挤压应力可达2500~3000MPa。从而使变形抗力较大的低合金钢、中碳调质钢等的冷挤压成形成为可能性，寿命也有了大幅度的提高，可达万件以上。到了20世纪60年代，美国、日本等国家研究用高强韧、高耐磨的钼系高速钢制造冷作模具，允许的挤压应力超过3200MPa，使钢质模具寿命有了更进一步的提高。现在，添加有钨、钒、钛、铌、钴等元素的高碳高铬钢和钨系高速钢已成为各国常用的钢种；钼系高速钢和硬质合金及钢结硬质合金的应用也很普遍。因此，高速钢及不锈钢等有极高变形抗力的高合金钢的冷挤压都已成为可能。
近些年业，国内外都在研究更高强韧性和耐磨性的新材料，并采用电渣重熔、粉末冶金、表面强化处理等新工艺，旨在从根本上改质材料和提高模具寿命。
国外通用型冷作模具钢的代表性钢种有低合金油淬模具钢O1(9CrWMnV)、中合金空淬模具钢A2(Cr5Mo1V)、高铬高碳模具钢D3(Cr12)和D2(Cr12Mo1V1)。
我国通用型冷作模具钢是20世纪50年代从苏联引进的CrWMn、Cr12、Cr12MoV，与国外的通用型冷作模具钢比较存在一定的差距。Cr12MoV与D2(Cr12Mo1V1)比较，合金含量偏低，耐磨性和使用性能不如D2钢；CrWMn与O1(9CrWMnV)比较，碳含量偏高，不含钒，特别是大截面钢材中容易产生比较严重的网状或链状碳化物，影响其使用寿命；中合金空淬模具钢A2(Cr5Mo1V)是国际通用的钢号，其耐磨性优于低合金模具钢CrWMn、9CrWMn，而韧性则高于高合金模具钢Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1，既具有较好的耐磨性，又具有一定的韧度和红硬性。我国虽然在1985年国家标准中引进了这一钢号，但到目前用量仍不大，应该加强推广应用。
为了满足冷作模具的特殊要求，各国有针对性地发菜了一些新型的冷作模具钢。
⒈高韧度高耐磨模具钢。Cr12型钢，耐磨性好，但韧度差，抗回火软化能力也嫌不足。近30年来，国内外相继发展了一些高韧度、高耐磨性新型模具钢，其碳、铬含量低于Cr12型钢，增加了钼、钒合金的数量，钢中形成了大量的MC型高硬度高弥散度碳化物，其耐磨性不低于或优于Cr12Mo1V1钢，韧度和抗回火软化能力则高于Cr12型钢。比较有代表性有钢号有美国钒合金钢公司早期开发的VascoDie(8Cr8Mo2V2Si)、日本山阳特殊钢公司的QCM8(8Cr8Mo2VSi)、日本大同特殊钢公司的DC53(Cr8Mo2VSi)等。我国自行开发的有7Cr7Mo2V2Si(LD钢)及9Cr6W3Mo2V2(GM钢)等。这些钢种分别用于冷挤压模、冷冲模及高强度螺栓的滚丝模具，都取得了良好的使用效果。
⒉低合金空淬微变形钢。这类钢的特点是合金含量低(≤5%)，淬透性、淬硬性好，￠100mm的模具可以空冷淬透，且淬火畸变小，工艺性好，价格低，主要用于制造精密复杂模具。代表性的钢号有美国ASTM标准钢号A4(Mn2CrMo)、A6(7Mn2CrMo)，日本大同特殊钢公司的C04和日本日立金属公司的ACD37等。我国自行研发的Cr2Mn2SiWMoV和8Cr2MnMoWVS等钢种也属低合金空淬微畸变钢，后一种钢号还兼备优良的切削性。
⒊火焰淬火模具钢。20世纪70年代，国外开始发展了一些适应火焰淬火工艺需要的冷作模具钢。由于采用氧-乙炔喷嘴进行局部加热空泠淬火，难以严格地控制和测定加热温度，要求这类钢具有淬火温度范围宽、淬透性好等特点。由于火焰局部淬火的工艺简单，又可以缩短模具制造周期、节约能源、降低制造费用等特点，已经广泛地用于制造剪切、下料、冲压、冷镦等冷作模具，特别是大型镶块模具。这类冷作模具钢发展很快，代表性的钢号有日本爱知制钢公司的SX5(Cr8MoV)、SX105V(7CrSiMnMoV)，日本山阳特殊钢公司的QF3，日本大同特殊钢公司的G05，日立金属公司的HMD1、HMD5。我国研制的7CrSiMnMoV钢就属于这 类钢，用于制造汽车大覆盖件镶块冲模刃口材料，取得了良好的使用效果。
⒋基体钢。高速钢虽有高的强度，但因有过量的碳化物存在，导致了脆性。因此，对冷作模具材料来说，必须减少成为应力集中破断起源的碳化物的数量，以提高其韧度。较理想的钢是既有高速钢的强度，又有超高强度钢的韧度。
美国在研究模具钢的本质和高速钢淬火基体成分的基础上，发展一种成分接近于高速钢正常加热淬火溶入基体的成分，残余碳化物＜5%的基体钢。可以通过热处理获得与超高强度钢相似的韧度和与高速钢相近的强度。这种钢含碳量降至0.55%左右，合金元素总量为12%~22%，在真空炉中冶炼。热处理状态的过剩碳化物颗粒细小，且分布均匀。当硬度为HRC62~64时，疲劳强度是普通高速钢M2的5~10倍。用于制造复杂形状的挤压模具和冲头，寿命可提高4~10倍。
国外基体钢的主要牌号有EXT161、TXT158、MACVM、Matrix Ⅱ CVM等。国内生产的基体钢牌号有65Nb等。
⒌冷热兼用模具钢。Versatoo Ⅰ钢和M178钢属于冷热兼用的模具钢，可二次硬化，有良好的热硬性和高的韧度、耐磨性和抗压强度(3000MPa)。在HRC58~65.5范围内用作冷挤压模具材料时，使用效果在某些条件下和M2高速钢不相上下。国内试验用的9Cr4Mo3Si2WV钢制造活塞销冷挤压模具时，有较好的使用效果。
⒍粉末冶金冷作模具材料。采用粉末冶金工艺生产的高碳高合金钢模具材料，由于钢液雾化形成的微细钢粉凝固很快，可以完全避免一般工艺生产的高碳高合金冷作模具钢在浇铸后缓慢凝固产生粗大碳化物和偏析等缺陷。如高碳高铬冷作模具钢和高速钢采用粉末冶金工艺生产后，碳化物粒度减小到1μm左右，可以完全消除一般工艺生产的莱氏体型工模具钢中的达几十微米的大颗粒碳化物和网状、带状碳化物。
由于粉末冶金模具钢的以上特点，粉末冶金模具钢具有磨削性好、韧度好、等向性好、热处理工艺性好等特点。
由于粉末冶金模具钢具有优秀的特性，近20年来发展很快，形成一系列的粉末冶金工具钢钢号，如美国坩埚公司的CPM9V、CPM10V、CPM440V等，其中应用较多的为CPM10V(2.45%C、5.25%Cr、1.30%Mo、9.75%V、0.07%S)。又如德国的粉末冶金模具钢320CrVMo13(3.2%C、13%Cr、5%V)等。由于这些钢含有大量弥散度高的高硬度MC型碳化物，其耐磨性可以介于硬质合金和高合金冷作模具钢之间；由于韧性好，制成的模具寿命可以与硬质合金模具相似；由于工艺性能好，宜于制造形状比较复杂、工作条件苛刻的长寿命模具。国内近年来针对CPM10V和粉末高速钢已经开展了较多的试验研究工作，但因起步较晚，尚需要一段时间才能推广应用。
⒎钢结硬质合金及硬质合金模具材料。钢结硬质合金具有优良的耐磨性，已经在较大范围内用于高耐磨的冷作模具，在20世纪60年代，我国已经正式投入工业生产并取得比较迅速的进展。钢结硬质合金代表性的牌号有以TiC为硬质相的GT35、GR5、D1、T1等；以WC为硬质相的GW50、GJW50、TLMW50等。
钢结硬质合金与硬质合金比较，具有可以切削加工、可以锻造焊接、韧度和综合力学性能较好、成本较低等特点。用于制造冷冲压、冷镦、冷挤压、冷拉伸及压印模具时，使用寿命可比模具钢模具提高几倍至几十倍，有时可接近硬质合金模具。
硬质合金作为模具材料已经广泛用于制造高耐磨性的长寿命冷作模具和模具镶块。由于很多冷作模具都承受一定的冲击载荷，一般都选用含钴较高的硬质合金，如YG8C、YG11C、YG15、YG20、YG25等。由于硬质合金的韧度较低，工艺性不好，磨削性差，价格贵，一般只用于制造小型形状简单的冷作模具。采用镶套结构，以弥补其韧度的不足。
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