冷冲压模具常用金属材料及其热处理工艺研究

王婷

摘 要：工业生产的很多领域都离不开模具，而模具材料是制造模具的基础。广泛使用的模具材料其种类是非常多的，我们所谓的模具材料，其内涵至少包括两个方面：一是材料的组成，也就是材料是由什么金属或其它某些物质制作而成的；二是材料获取的工艺流程，也就是制造這种材料所需采用的各种流程处理方式。只有完全地解决了这两个问题，才能得到想要的模具制造材料，做出满足实际生产需要的模具。

关键词：冷冲压模具；金属材料；热处理工艺

中图分类号：TG385 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）01-0069-02

Abstract： Many fields of industrial production can not be separated from molds， and mould materials are the basis of mold manufacturing. There are many kinds of mould materials which are widely used. The connotation of the so-called mould materials includes at least two aspects： one is the composition of materials. That is， the material is made from some metal or some other substance； The second is the process of material acquisition， that is， the process of manufacturing this material to adopt a variety of processing methods. Only by solving these two problems completely can we get the desired mould manufacturing material and make the mould meet the actual needs of production.

Keywords： cold stamping die； metal material； heat treatment process

通常情况下，在选用冷冲压模具材料时要首先考虑该批工件的数量，如果数量不多就没必要去选择那种具有更长使用寿命的材料，这样可以大幅降低生产的成本。其次，还需要考虑到被冷冲压工件加工材料的材质，不同的材质具有反差极大的冲压性能，适用的模具材料也会明显不同。对于冲压模具来说，金属材料的耐磨性能基本决定了模具的使用寿命。我们知道，钢材的耐磨性完全取决于钢材内部碳化物等物质构成硬质点的实际状况及钢材基体本身的硬度，当这两者均能保持较高的硬度时，材料内含有越多的碳化物，其表现出的耐磨性就会越好。具体来说，工业生产经常用到的冲压模具其钢材的耐磨性从好到差的排列依次为：硬质合金-钢结硬质合金-高速钢-高碳高铬钢-基体钢-合金工具钢-碳素工具钢。此外，还要考虑到工件及模具的形状、厚度、精度、尺寸等要求对选择模具材料的具体影响。

1 冷冲压模具常用金属材料

根据模具使用的条件对模具所用的材料进行分类，基本可以分三种：塑料模具钢、热作模具钢、冷作模具钢。本文重点讨论冷作模具钢，冷作模具钢又主要包括冷挤压模、冷冲裁模、冷冲压模、冷镦模等几种。模具制作过程中，要对加工设备和模具进行分离，分离时模具的切削刃因摩擦等原因导致发热其温度高达200摄氏度以上，在模具加工的过程中模具材料会因机械力而受冲击、拉伸、压缩、摩擦以及弯曲等外部作用，常发生磨损、变形、断裂等问题。因此，对冷模具材料的要求通常需要具有优异的抗咬和、抗变形、抗弱化、抗断裂、耐疲劳等性能。这也是对模具材料提出了更高的要求，要解决这些问题必然要增加生产的成本。

1.1 碳素工具钢材料

在我国碳素工具钢的产量非常大，使用也非常广泛。这主要是因为碳素工具钢具备一些显而易见的优点：第一，可锻性好，方便锻造成所需的形状；第二、退火易软化，退火之后迅速软化，便于下一步的加工流程；第三、切削加工性好，因为碳素工具钢硬度小，非常容易进行切削处理；第四、价格便宜，这是决定碳素工具钢得以广泛使用的根本原因。但同时，碳素工具钢也还存在许多不足之处，比如淬透性低，就得额外通过水作为加工过程中的冷却剂，如此就会造成碳素工具钢会发生更多的变形及断裂等问题。就是因为碳素工具钢具备的这些优缺点，它只适合被用来制作模具一般都具有这样的特点：尺寸较小，受力不大，形状较为简单，且对形状的变行要求不是很高，用碳素工具钢制作这样的模具，可以节省大量资源，但对于那些大型、大受力、形状复杂、对形状变形要求高的模具用碳素工具钢就非常不适合了。

1.2 高碳高铬模具钢材料

与碳素工具钢相比，高碳高铬模具钢表现出了更好的淬硬性、淬透性、耐磨性，高碳高铬模具钢因为本身的特性而不容易发生变形等情况，被看作是高耐磨及微变形模具钢，但高碳高铬模具钢要比高速钢在承载能力方面稍低。高碳高铬模具钢的缺点是碳化物有比较严重的偏析问题，在实际冲压过程中必须对其反复进行改锻、镦拔，以逐步改善材料内碳化物的均匀水平，如此才会提升高碳高铬模具钢的使用性能。

1.3 高速钢材料

目前使用的高速钢，多是采用通过添加钼系元素等方式锻造出来的，高速钢因而具有了非常优秀的使用性能，优势最明显的地方就是热塑性及强韧性都非常高，也因此获得非常大的发展空间，在冷作模具高精度及大批量工业化生产中，占有非常重要的地位。

1.4 超硬高速钢材料

基于超硬高速钢是对高速钢的一种变体，生产超硬高速钢的目的就是为了满足难切削材料的需要，通过一些特殊工艺的处理，进一步强化了冲压材料的硬度。但问题是，增加了硬度的同时，也造成了一些问题。比如抗弯曲能力差、韧性差、加工困难。导致这些问题主要原因是超硬高速钢为了提高自身的硬度，就不得不提高其碳含量。而当碳含量超过一定程度时，就难免会出现过烧等现象，导致材料的柔韧性降低等材料缺陷。endprint

1.5 基体钢材料

因为高速钢和超硬高速钢本身存在的一些问题，实际工业上的解决办法就是通过添加少量的其它成分，在高速钢的基本成分中适当增减碳的含量，用来改善高速钢的冲压性能，我们把通过这种工艺生产的钢统一定义为基体钢。基体钢属于冷作模具钢中偏强韧性的一种，这种钢材料具备了高速钢和超硬高速钢的几乎所有优点，并且对基体钢的生产其成本也远低于高速钢。基体钢的发明，对于模具材料的发展有着非常重大的意义。

1.6 硬质合金及钢结硬质合金材料

如果只从硬度和耐磨性两个方面考虑，硬质合金要比前述几种模具钢都高出很多，但如果只从抗弯强度和韧性两个方面考虑，硬质合金的性能就要差很多。对硬质合金进行改良的办法就是采用铁粉和少量合金粉末来做粘合剂，并且用碳化钨和碳化钛做硬质相，然后通过粉末冶金的加工方法来烧结而成，成品即钢结硬质合金。由于钢结硬质合金的基体材料仍然还是钢材料，所以可对其进行焊接、切削、热处理和锻造等加工措施。

2 热处理工艺

在工业生产中，模具制造其成本一直居高不下，尤其精密复杂程度要求更高的压铸模、塑料模、冷冲模等，更是如此。对模具材料进行深度加工，最为普遍采用的就是热处理工艺。采用热处理技术可以大幅改善模具本身的使用性能，并能够大幅提升模具的使用寿命，所以具有比较可观的经济利益，也得到了极大范围内的推广和使用。

2.1 真空热处理工艺

真空热处理工艺可以令模具钢材料保持非常好的表面性能状态，整体变形较小。之所以会发生这样的情况，主要是因为进行真空加热时，模具钢材料的表面仍然保持活性状态，因而不会发生明显的脱碳现象，也不会产生氧化膜阻碍材料冷却。真空加热可以使模具钢的表面产生脱气的效果，所以材料本身就拥有了比较好的力学性能，增高加工炉内的真空程度，则材料的抗弯强度也会逐步提升。经过真空淬火处理后，模具钢的断裂韧性能也会有进一步改善，经实际测算，真空热处理工艺处理过的模具其寿命要比常规工艺处理过的模具寿命提升40%。冷冲压模具真空热处理技术目前已比较成熟，在实际生产中得到广泛使用。

2.2 深冷处理工艺

与真空热处理工艺相类似，对模具钢进行深冷处理也能够优化材料的力学性能，并延长模具的使用寿命。具体就工艺的流程来说，对模具钢进行深冷处理可设置在淬火及回火工序中间，也可在淬火和回火后再进行。通过深冷处理后，模具钢耐磨性和抗回火稳定性都有明显改善。深冷处理工艺不仅在冷作模具的加工过程中得到广泛使用，还可用于对硬质合金和热作模具进行深加工处理。

2.3 模具的高、降温淬火工艺

实际生产中，还可以采用高于常规淬火温度的方式对一些模具钢进行处理，而对另一些模具钢进行降温淬火，经过这些处理能够有效减少模具钢材料内部碳化物的含量，改善了材料的形态和性能。淬火处理后，能够有效延长模具的实际使用寿命。

2.4 化学热处理工艺

一般情况下，化学热处理工艺大多都能用于对模具钢进行表面处理，经过化学热处理工艺后，可有效改善模具钢表面耐蚀、耐磨、抗氧化等性能。对合金钢模具进行高温回火处理，都可以同时实施氮碳共渗以及表面渗氮。目前工厂里比较广泛地被采用的化学热处理工艺主要有高频渗氮、渗氮工艺离子渗氮工艺。这其中，采用离子渗氮工艺的优点是可有效缩短渗氮的时间，同时还能够获得更高质量的表面渗层，进而提升冲压模具的抗蚀、耐磨、抗热疲劳等性能。

3 结束语

当今的信息社会，工业化生产极大繁荣，一方面，大批量生产极大降低了生产成本，另一方面，个性化订制也满足了人们更多独特需求。无论是大批量生产，还是个性化订制，模具都起到了至关重要的作用。随着经济的飞速发展，各种用途的模具越来越多出现在人们的视野里，也越来越多地被人们所关注。模具制造，以及对模具的改良，这是目前工业生产所面临的一个重要问题，也是许多技术发展的关键所在。冷冲压模具常用金属材料及其热处理工艺的研究，对于我国在该领域的发展与实践，有着非常重要的价值和意义。

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