冲压模具材料的分类及选用

张田荣

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001）

模具材料是模具制造业的基础，它的研究开发带动工业产品向高级化、个体化、高附加值化的方向发展。在冲压模具失效的诸多因素中，材料已成为影响其寿命的最主要因素。因此，在设计模具时，恰当选择模具材料，是保证模具生产既经济合理又安全可靠的关键因素。

1 冲压模具材料的性能要求

1.1 对模具材料的使用性能要求

（1）强度和硬度。强度是指材料承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力，是衡量材料本身承载能力、抵抗失效能力的重要指标，可通过热处理方法提高模具钢的强度。材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，主要包括划痕硬度，压入硬度和回跳硬度。通常，对于小型简单产品的模芯硬度控制在HRC50～52，对于大型模具或复杂模具，模芯的硬度控制在HRC46～48。

（2）耐磨性和抗粘咬性。模具的磨损主要有机械磨损、氧化磨损和熔融磨损。模具在工作时，承受大的压应力和强烈摩擦力，为减小机械磨损，就要保证材料中碳化物或其他硬度相的组成、形貌和分布比较合理。对于重载、高速磨损条件下服役的模具，为防止形成金属瘤，要求模具钢表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，减少模具和制件产生粘咬、焊合等氧化磨损和熔融磨损。

（3）韧性。韧性是指当模具钢承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。模具在工作时承受一定的冲击载荷，可能会造成模具成形零件的断裂、变形等破坏。钢的韧性、强度和耐磨性是相互矛盾的，要合理地选择钢的化学成分并且采用合理的热加工和热处理工艺，以使模具材料的耐磨性、强度和韧性达到最佳配合。

（4）抗疲劳性。抗疲劳性是反映材料在交变载荷作用下，抵抗疲劳破坏的性能指标，主要包括疲劳强度、疲劳裂纹萌生力、疲劳裂纹扩展抗力、小能量多冲抗力等。导致模具疲劳的因素有：钢中带状和网状碳化物、粗大晶粒；模具表面有微小刀痕、凹槽及截面尺寸变化过大和表面脱碳等。

1.2 对模具材料的工艺性能要求

（1）锻造性能。锻造能减少模具材料的机械加工余量，改善材料的内部缺陷，如碳化物偏析、减少有害物质、改善钢的组织状态等。对锻造性能的要求是：热锻变形抗力低、塑性好、锻造温度范围宽，锻裂、冷裂及网状碳化物的倾向性小。

（2）机械加工性能。冷冲压模具钢主要属于过共析钢和莱氏体钢，大多加工性能较差。为获得良好的切削加工性，需要正确选择热处理方法。对于表面质量要求高的模具可选用含S、Ca等元素的易切削模具钢。

（3）热处理性能。热处理工艺性能主要包括：淬透性，淬硬性，耐回火性，过热敏感性，氧化脱碳倾向，淬火变形和开裂倾向等。热处理工艺的好坏，对模具质量影响较大。一般要求有较大的淬硬性和淬透性，淬火温度范围宽，过热敏感性小，脱碳敏感性低，淬火、回火后的变形程度小。

2 冲压模具材料的种类与特性

2.1 碳素工具钢

碳素工具钢中碳的质量分数在（0.6-1.3）%范围内，优点是原料来源方便，加工性能良好，淬火温度低，热处理后具有较高的表面硬度和较好的耐磨性。缺点是淬透性低，淬火温度范围窄，淬火变形大，较大的模具不能淬透，而且表面淬硬层和中心部分之问的硬度值相差很大，容易使模具在淬火时开裂。主要用于制造尺寸不大、形状简单、受负荷轻的模具零件。

2.2 高碳低合金钢

高碳低合金钢中碳的质量分数一般都较高（≥0.6%），是在碳素工具钢的基础上加入适量的Cr、Ni、Mo、Ti、W、V、Si、Mn 等合金元素冶炼而成。合金元素的加入提高了过冷奥氏体的稳定性、淬透性，降低了淬火冷却速度，减少了淬火热应力和组织应力，减弱了淬火变形及开裂倾向，被广泛用来制作形状复杂、截面较大、承受负荷较大、变形较小的中、小型冷作模具。

2.3 高碳高铬冷作模具钢

高碳高铬冷作模具钢是一种高合金钢，具有高强度、高硬度、高耐磨性、易淬透、稳定性高、抗压强度高及淬火变形小等优点。这类钢部分是莱氏体钢，淬火后有大量共晶碳化物存在，同时含有大量残留奥氏体，热处理后变形小，耐磨性高，载荷力大，但是由于高碳高铬莱氏体钢中有大量共晶碳化物不均匀分布，因此该类钢韧性较差，易出现崩裂现象，主要用于制造在高耐磨、微变形、高负荷条件下工作的冷作模具。

2.4 无磁模具钢

无磁模具钢包括奥氏体不锈钢和高锰系奥氏体，在加热和冷却过程中无相变，始终保持奥氏体组织。由于高锰钢的冷作硬化现象，切削加工较困难，必须进行适当的固溶和时效处理。主要适于制造无磁模具，无磁轴承及其它要求在强磁场中不产生磁感应的结构零件。

2.5 硬质合金和钢结硬质合金

硬质合金是用难熔高硬度碳化物的粉末与少量的粘结剂粉末混合后加压成形，再经过烧结而成的粉末冶金材料。硬质合金的工作温度可达（800-1000）℃，硬度很高，耐磨性很好，具有很高的弹性模量，较小的热膨胀系数及良好的化学稳定性。缺点是脆性大，抗弯强度和韧性较差，加工困难，不能锻造及热处理，且成本高，用来制作模具的寿命甚至比工具钢高10倍以上，主要用来制作多工位级进模，大直径拉深凹模镶块。

钢结硬质合金是以难熔金属碳化物为硬质相，以合金为粘结剂，用粉末冶金方法生产的一种新型模具材料，性能介于高速钢和硬质合金之间。钢结硬质合金在冷冲模，冷挤压模，整形模，冷墩模上得到较广泛的应用。常用冲压模具钢如表1所示，常用冷冲压模具钢分类如表2所示。

表1 常用冲压模具钢

3 模具材料的选用原则

模具材料的选择应根据模具的生产条件和工作条件的需要，结合材料的基本性能和相关因素，选择适合产品需要、经济上合理、技术上先进的材料。选材的基本原则如下：

（1）根据模具种类及其工作条件，选用材料要满足使用性能和工艺性能要求。

（2）根据冲压工件材料和生产批量选用模具材料。

（3）应具有良好的加工工艺性能，满足锻造、切削加工、热处理等要求。

表2 常用冲压模具钢分类

（4）满足经济性的要求。

4 结论

我国模具材料日益向多品种、精细化、制品化的方向迅速发展，但与国外的新型材料相比较还有差距，急需提高制造技术水平，完善生产工艺装备，加速模具钢生产的规格化、精品化和商品化，进一步提高材料质量，以适应模具制造业发展的需要。

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