1.3  冷作模具钢

冷作模具钢主要用于冲压、下料、成型、弯曲、冷挤压、冷拉、粉末冶金模具等工序，冷作模具钢要求具有高硬度、高耐磨性和足够的韧性．一般分为通用型和特殊型两大类。

如美国通用型的冷作模具钢通常包括01、A2、D2、D3这4个钢种。

日本JIS标准中能用做冷作模具钢的主要有SK系，包括SK系碳素工具钢，合金工具钢SKD系8个，SKH Mo系高速钢9个，共24个钢号。我国GB/T  1299--2000合金工具钢标准中共绒入11个钢种，形成了较完善的系列。

随着加工技术、被加工材料及对模具需求的变化，原有的基本系列不能满足需要，本钢厂以及欧洲主要的工模具钢生产厂开发出特殊用途的冷作模具钢，并逐渐形成了各自的冷作模具钢系列，符合冷作模具钢的发展方向。

1. 3.1冷作模具钢分类

按照冷作模具钢的工艺性能和承载能力特征分组，每组钢均有自己合理的适用范围．

(1)低淬透性冷作模具钢（包括T7A、T8A、TlOA、T12A、V、lVtnSi、Cr2、9Cr2、CrW5)  该组由碳素工具钢和低合金工具钢组成，其特点是。合金元素含量少，加工性能好，在淬火后的薄壳硬化状态具有充分的韧性和疲劳抗力，，但钢的淬透性、回火抗力和耐磨性较低。通用水淬碳裳工具锕TlOA和通用水、油淬火冷作模具钢Cr2为型代表。其中，CrW5钢的韧性虽然较低，但其耐磨性能和抗咬合性能极好。

该组冷作模具钢适用于各种中小批量生产的模具和抗冲击载荷的模具。  。一伊-

(2)低变形冷作梗具钢（包括9Mn2V、9Mn2、CrWMn、MnCrWV，9CrWMn、SiMxlMo)  该组钢中的合金元素含量多于(1)组，具有较好的淬透性、淬硬性，淬火操作过程简便，易于控制零件的淬火变形程度。但该组钢的韧性、回火抗力仍较低，残余奥氏体在250℃左右回火时发生分解，使钢的体积膨胀，并增加钢的低温回火脆性。本组钢中的MnCrWV为各国通用的综合性能优良的代表钢种i9CrWMn钢在美、英等国最为普及，9Mn2钢为西欧、捷克等国家和地区普及的冷冲模钢种，在美国则广泛用于小型塑料模具，SiMnMo石墨钢具有优良的抗咬合性能和耐磨性，欧、美已有多家钢厂生产，但我国使用者较少。

该组钢为中小批量生产用形状复杂的基本钢种。

(3)微变形冷作模具钢（包括Q6wV、Cr12，Cr12MoV, Cr4W2MoV,Cr2Mn2SiWMoV）  该组钢为苟合金钢，属低合金过共析钢，Cr12MoV钢是本组钢的典型代表。该组钢的基本特征是：具有高的淬火淬透性和中等的回火抗力，具有高耐磨性和淬火以后体积变化微小的特点。但其变形抗力和抗冲击能力有限，除Cr 2Mn2SiWMoV钢以外，该组钢具有高的热稳定性。

该组钢是成批或大批量生产用冷冲模的基本钢材，以及中等载荷的冷挤压模、冷镦模的主要材料。

(4)高强度冷作模其钢(包括W18Cr4V、W6M05Cr4V2)  该组钢为通用高速钢，其基本特点就是具有高的强度、高的回火抗力和高耐磨性，是制作冷挤压模具的基本材料，但该组钢的韧性差，合金元素消耗量大，制造工艺性能不佳，、淬火、回火后的变形难以控制，原材料价格和后期的热加工价格昂贵。

(5)高强韧性冷作模具钢(包括6W6M05Cr4V、CG2，65Nb)  该组钢为中碳高合金钢，过剩碳化物少，组织均匀，淬火组织以板条状马氏体为主i结合多元合金固溶强化和回火碳化物弥散强化，其基本特性是兼有高强度、高韧性和高抗冲击疲劳能力，但弱点是抗压能力低，热稳定性差，淬火变形以后难以控制；是综合性质优良的璽载冷作模具钢。

适用于制作大、中型冷镦模、精压模．(6)抗冲击冷作模具钢（包括4GrW2S1、SCrW2酗、6CrW2S1、60S2晒、5C黼o、5CrMnMo，SSiMnMoV、9SiCr)  该组钢为中碳低合金钢，该类钢还可以细分为硅锰钢60S12Mn，铬钨硅系耐冲击模具钢4CrW2Si、5CrW2S1、6CrW2S，热作楔具钢CrNiMo、5CrMnMo、5SiMnMoV。其基本特性是抗冲击疲劳的能力极佳，耐磨性和抗压强度较低，是各种冲剪工具，精压模、冷镦模的基本材料。

硅锰钢60Si2 Mn为普及型弹簧钢，可用于内六角螺钉冷镦冲头+硬质合金凹模顶力套，其硬度为48- 52HRC，以及其他小型冲头。铬钨硅系耐冲击模具钢是世界上各国广泛应用，性能良好的冷、热模通用钢种，具有强韧性高；耐磨性优良、对等温回火适应性好等优点。钢中的铬与硅可保证淬透性、抗疲劳强度和抗压强度，钨元素可细化晶粒及保证淬透性．

5CrNiMo、5CrMnMo原本属于高韧性热作模具钢，由于其淬透性好、淬硬性高，在低温回火或等温淬火状态具有良好的强韧性，特别是低的缺口敏感性j国内、外均有应用于承载条件苛刻。易于脆断的重载冷作模具，只是耐磨性较低而已。5SiMnMoV钢主葵用于厚钢板用冲剪工具及重载冲裁模，如包括厚度超过。20mm的钢板用直剪）9；及厚度超过6mm的钢板用圆盘剪）9，以及大、中规格圈钢；型钢下料剪）3，中厚板冲裁模和精压模等。

(7)低合金空淬冷作模具锕该类钢要求具有良好的淬透性，．热处理变形小，强韧性好，并且有一定的耐磨性能，是可以减小模具零件淬火变形和开裂的低合金空淬微变锕。

而标准的高合金冷作模具银(如D2、A2)虽然淬透性好，但合金含量高，成本昂贵。因此，在国内外开发的一些低合金微变形钢中，一般含有提高淬透性的Cr、Mn合金元素，合金元素的总含量一般小于5%，适用于制造生产批量不大的精密复杂模具。有代表性的钢种如美国的A6钢、日立金属公司的ACD37钢、大同特殊钢公司的G04钢，爱知制钢公司的AKS3钢等。

我国的GD钢，经900℃淬火和200℃回火后，钢的组织中能保持一定量的残余奥氏体，具有较好的强韧性和尺寸稳定性，可用于制作易崩刃断裂的冷冲模具，有较高的使用寿命。

(8)火焰淬火模具钢  为了缩短模具制谘慝期．简化热处理工艺过程，节约能源，低模具制造成本，日本开发了一些满足火焰淬火要求的专用冷作模具钢。比较典型的爱知制钢的SX105V (7CrSiMnMoV)、SX4 (Cr8)，日立金属的HMD5，HMD1，大特殊钢公司的G05钢等，我国研制开发了7Cr7SitvInMoV。

这类火焰淬火钢在摸具加工完后，可以通过采用氧乙炔喷枪或其他加热器，对模具的刃部或其他部分进行加热后空冷淬火，一般淬火后可以直接使用。由于工艺简单，在日本获得广泛使用。该类钢代表性的钢种是7CrSiMnMoV，．具有良好的淬透性，在拖Omm的钢材经油中淬火时，距表面30mm处的硬度可高达60HRC,心部与表面硬废差值为3HRC，火焰淬火时，经180一 200℃预热，用喷枪加热至900～1000℃淬火，硬度可达到≥60HRC，可得到≥1。5mm的淬硬层．

，膏韧性，离耐磨性冷作模具钢  为了提高冷作模具钢的韧性，并使钢的耐磨性降低不是很多，国外一些模具钢生产的主要企业，相继开发了一系列高韧性、高耐磨性兼备的冷作模具钢．这类钢一般含碳量约为1%，含Cr 8. 0%，加入hb、夺、Si等合金元素，其碳化物细小、分布均匀、韧性远高于Cr12类型钢，而耐磨性则与之相近。它们的硬度、抗弯强度，疲劳强度和断裂韧性高，抗回火稳定性也高于Cr12型模具钢，适合于高速冲床和多工位冲床。

20世纪70年代，美国钒合金公司首先开发出VascoⅨe (8Cr8M02V2Si)，该类钢发展较快，有美国CRUCIBLE公司开发的CRU-WEAR钢，Timken的Lescowear,BOHLER的K340钢，日本山阳特殊钢的QCM8，大周特钢的DC53，爱知制钢公司的SX5 (Cr8MoV)，TCD等钢。，我国也研制开发了10钢、GM钢，ER5钢等。

该类钢代表性的钢种是低V含量的日本DC53钢和高V含量的CRU-WEAR钢。DC53钢经过回火后使用，其韧性比D2高出1倍，抗疲劳性能比D2高出205《；CRU-WEAR钢经锻轧后，退火后硬度达到225----255HBS，淬火后硬度可达到63HRC，在480 -570℃回火时，具有明显的二次硬化效应，钢的耐磨性、韧性均优于D2钢。

(10)基体钢  高速钢以其优良的耐磨性和红硬性，在国外已经广泛地用于制造高性能、高寿命的冷作模具，如日本通用标准的高速钢SKH51 (W6M05Cr4V2)等。为了适应模具的要求，往往通过降低淬火温度、淬火硬度或降低高速钢中的含碳量，以提高其韧性。

基体钢是从高速钢发展而来的，其化学成分相当于高速钢淬火后的基体成分。所以淬火后的残余碳化物数量少、分布均匀，使钢的翱件摊高速钢有很大的改善．美国和日本在20世纪70年代初研究过牌号为VascoMA、VascoMatrixl和MOD2的基体钢，新近又研制开发了DRM1、剿RA42、DRM3等，一般用于要求韧性较高而抗回火稳定性较好的冷作模具。我国也研制一些基体钢，如65Nb (65Cr4W3M02VNb)、65W8Cr4VT1、65Cr5 M03 W2VSiTi等钢。

该类钢具有良好的强韧性，广泛制作冷挤压。厚板冷冲、滚丝轮、压印模、冷镦模等，也可用傲温挤压模具。

(11)粉末冶金模具钢  常规工艺生产的莱氏体型高合金冷作模具钢，特别是大截面钢材，其共晶碳化物粗大，分布不均匀，严重地降低了钢的韧性、可磨削性和等向性。因此，近年来，国外工模具钢生产的主要特钢企业都集中力量开发了一系列的粉末冶金高速钢和高合金模具钢，使该类钢得到迅速发展。

粉末冶金生产工模具钢已经成为国外重点发展方向，美国CRUCIBI.E厂已具备年产12000t的生产能力，奥地利BOHLER厂仅2002年生产粉末工具钢（主要是高速钢和冷作模具钢）1800t。由于雾化钢粉冷速快，采用粉末冶金工艺形成的碳化物细小均匀，因而显著地提高了模具材料的韧性、可磨削性和等向性．这种特殊的生产工艺，由于碳化物细小均匀，使可加工性和可磨削性能得到改善，通过在钢中添加更高的碳含量和钒含量，从而发展了一系列的新钢种，如日本大同的DEX系列(DEX40, DEX60，DEX80等），日立金属的HAP系列，不二越的FAX系列，瑞典UI)DEHOLM的VA-NADIS系列，法國Erasteel的ASP系列。美国CRUCIBLE公司的粉末冶金工模具钢发展较快，形成了CPMIV、CPM3V、CPM10V、CPM15V等二系列的粉末冶金钢，，其可磨削性和韧性比普通工艺制造的工模具钢有明显提高。国内在1980年代曾开展粉末冶金高速钢的研究工作，但未产业化。

1。3.2  冷作模具钢的工作条件及性能要求

冷作模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此，在正常情况下，冷作模具钢的失效形式主要是过度磨损，但也有因断裂、崩块和变形超差而提前失效的．

冷作模具钢具有较高的硬度和耐磨性、高的抗弯蠱度和足够的韧性。磨损可能性大，要求具有更高的耐磨性，模具在工作时承受冲压力大，又由于形状复杂易于产生应力集中，所以，冷作模具钢要求具有较高的韧性；而模具尺寸大、形状复杂时，则要求具有较高的淬透性、较小的变形及开裂倾向性。

……………  ，一…（’H。又形反廾裂倾向性。

(1)轻载冲裁模的选材  轻载冲裁模以磨损失效为主，选材时主要依据是冲裁件的批量。硬度、精度及复杂程度等因素所要求的耐磨性和强韧性。，如小批量生产，可选用T8A、TlOA钢；中批量生产，可选用CrWMn，9Mn2V和GCr15钢；大批量生产，可选用Cr12、Cr12MoV钢；特大批量生产，可选用硬质合金Y15、Y20。

上述銅种，尤其是CrWMn、Cr12型钢等的耐磨性较好，但由乎碳化物偏析、马氏体脆性大等原因使其韧性差，疲劳抗力低，用傲模具时，常因崩刃、脆断失效（占45%以上），寿命不高。

防止脆断的途径，一是采用细化晶粒，细化碳化物，获得较多马氏体或下贝氏体的强韧化处理工艺，二是改用下列高强韧新型模具钢。

①Cr5 MolV（美国AISI标准A2钢）钢和Cr6WV钢。这两种钢与Cr12MoV钢相比降碳减铬，碳化物均匀程度改善，其耐磨性略低而韧性较高。

它们用于制造大批生产用薄板、中厚板大型冲裁模，其寿命比用C3／wMn、9Mn2V等钢成倍提高。

②Cr12MolV1（美国AISI标准艷钢）钢。此钢是将Cr12MoV钢增加Mo、V含至1%左右，可使莱氏体形貌改善，晶粒细化，从而使强韧性提高，耐磨性更好。

用它替代Cr12MoV钢制造滚丝模，冲裁模可几倍地提高寿命。

③6CrNiSiMnMoV(代号GD)钢。此钢以中高碳和多元少量合金化使碳化物细小均匀，钢材可不锻造。它的各种冷热加工性能好，成本较低。

该钢适合于小厂使用，用于制造各种易崩刃，脆断的冷作模具，尤其适于细长凸、大型复杂薄壁凸凹模、中厚板冲裁模及剪JJ片等，其寿命比用CrWlvtn、GCr15和Cr12等钢提高十倍以上。

④7CrSiMnMo'J(代号CH)钢。这是一种火焰淬火模具钢，成分与GD钢类似，因而也具有高强韧性和良好的各种工艺性能．它适宜于火焰加热空冷淬火，可只淬硬模具刃口部分。因而简化模具制造工艺，周期短，成本低，且模具崩刃可焊补。

用于制造薄板冲裁模、整形模和切边模等。

(2)重载冲裁模的选材  重载冲裁模刃曰更易磨损，同时易于崩刃、断裂，要求材既有高耐磨性，又有高强韧性。以往，小批量软料中厚板冲裁模常选用T8A、9SiCr、60Si2Mn和6CrW2Si等钢，其韧性较好，但抗压强度和耐磨性不足，大批生产用的重载冲裁模常以高速钢做凸模，以高碳高铬钢做凹模，其承载能力高，耐磨性好但韧性差，寿命并不高。现在趋于选用强韧性好、耐磨性好的新型模具钢，如GD、Cr5M01V、Cr12M01V1钢，以及下列新钢种。

①5Cr4M03SiMnVAl(代号012A1)钢。此钢由钼高速钢淬火基体成分调整而得，加入Si，Mn以进一步强化基体，加入Al以细化晶粒．经热处理后具有较高的断裂韧性和抗热疲劳强度，是一种冷热兼用致模具钢。若再进行氮碳共渗等表面处理，可进一步提高钢的耐磨性和模具的使用寿命。

②7Cr7M02V2Si(代号LD)钢。此钢的含碳量和合金度略高于012AI钢，且含V量较高，既能保持强韧性，又具有更高的抗压强度和耐磨性。适用于制造各种冷作模兵，将显著提高模具寿命。

③9Cr6W3M02V(代号GM)钢。此钢成分配比合理，符合平衡碳规律，淬火基体中固溶合金元素多，未溶碳化物细小弥散，具有高强韧性、高耐磨性和二次硬化潜力。其淬火，回火温度范围宽，且调节温度可实瑰强韧性和耐磨性的良好配合，热处理后抗弯强度不低于基体钢，硬度和耐磨性接近高速锅，各项性能指标均显著优于Cr12MoV钢。它的各种工艺性能良好，用GM钢制造的高速冲床多工位级进模、滚丝模和切边模等，比用基体锕、Cr12MoV钢提高模具寿命2-6倍以上。

④Cr8MoWV3Si(代号ER5)钢。此钢的含碳量和合金度比前几种钢有所增高。与Cr12lVIoV钢相比，C，Cr降低使碳化物细小均匀，Mo，W、V增高可提高二次硬化能力和耐磨性。因此，ER5钢的强度、韧性和耐磨性均优于Cr12MoV钢，且各种工艺性能良好，成本适中。热处理时通过调节工艺参数可调整强韧性和耐磨性的配合。ER5钢适于制造大型重载冲裁模、精密冲裁模和冷镦模。用它制造的电机硅钢片冲裁模，其寿命目前为同类模具之最。

用各种高强韧性钢制造的模具，均可通过表面强化处理进一步大幅度提高寿命。用于冷冲裁模的表面处理工艺有氮碳共渗，渗硼、TD法渗钒、渗铬、气相沉积TiN或TiC、化学镀镍磷合金和电火花熔覆硬质合金等。

(3)冷挤压模的选材  冷挤压模承受很大的载荷和强烈的摩擦，要求凸模有足够的、抗压、抗弯强度以防镦粗、折断；凹模要有足够的抗拉强度和疲劳抗力以防开裂；凸、凹模均要求高耐磨性以延长使用寿命。以往，小批挤压软料的模具，常用60Si2Mn钢傲凸摸、TiOA钢做凹模；中批量生产用复杂模具，常选用CrWMn、9CrWMn等钢；批生产用重载模具，常以Cr12 MoV钢做凹模，以高速钢做凸模。

除60S12Mn钢外，上述钢种在使用中均表现出强韧性不足，凸模易折断，凹模易胀裂。现趋向于选用GD，012AI，LD、GM和ER5等新型高强韧模具钢，以及下列新钢种。

①6W6M05Cr4V(代号6W6)钢。此钢系降碳高速钢，碳化物减少，分布均匀，强韧性增高，耐磨性良好。主要用于取代高速钢和Cr12型钢制造冷挤凸模和冷镦冲头，命成倍提高。

②6Cr4W3M02VNb(代号65Nb)钢。此钢系基体钢，加入少爨Nb以细化晶粒，稳定碳化物，减少马氏体中碳量，从而进一步提高钢的韧性。通过调节淬火和回火温度可达到调整钢的强韧性和耐磨性组合目的。该钢适于制造形状复杂的有色金属冷挤压模，也可用于单位压力不超过2500MPa的钢挤压模。

③6Cr4M03N12wV(代号CG2)钢。此钢系调整成分的基体钢，加Ni可进一步提高强韧性和热疲劳抗力。淬火温度1100～1140℃，用于冷挤模时可于520一  560℃回火次，硬度为59- 62HRC'用于温挤，热挤模具时则于600一  650℃回火两次，硬度为0- 54HRC。

④硬质合金YG15、YG20和钢结硬质合金GT35、TLMW50。其硬度高，耐磨性好，有一定的韧性，寿命很高。但制造工艺复杂，成本高，只用于大量生产的场合。

根据需要，冷挤压模可进行表面强化处理，除前述表面处理工艺外，还可进行硼硫复合渗、硫氮碳共渗等，以改善表面摩擦性能，防止黏着磨损失效。

(4)冷镦模的选材  冷镦模冲头和凹模的受力与冷挤压模类似，只是加载速度大，冲击力的大小与坯料状况和冷镦机的工作特性有关。

轻载荷或小批量生产用冷镦模，一般常用TlOA、9SiCr, GCr15和60S12Mn等钢。T10A钢用于小型简单模具，9SiCr、GCr15钢用于较精密复杂的模具，60S121VIn钢用于冲击速度大、频率高的模具。它们或韧性不足，或耐磨性不高，寿命均不长。

重载荷或大量生产用冷镦模，一般选用Cr12MoV钢和高速钢。它们韧性差，在较大冲击下易产生崩刃，剥落、折断和开裂，寿命很不稳定。尽管可进行强韧化热处理，但效果并不十分显著。

现在，冷镦模选材的趋向是采用新型高强韧性模具钢，如4Cr5MolV、65Nb、LD、CG2、GM和ER5筹钢。其至可采用18Ni型马氏体时效钢。目前以65Nb、LD钢应用较多，并已取得显著效果。如用于标准件行业冷镦模，寿命均提高几倍以上。GM钢兼有高耐磨和高强韧的优良性能，用于冷镦模可进一步提高使用寿命。

新近研制的DT硬质合金具有高强度、高耐磨性，又有较高的韧性，能承受较大冲击载荷，还具有良好的可锻性，切削加工性，热处理变形极小。用它制造冷镦模模块，比用9SiCr、Cr12MoV等钢提高模具寿命20～30倍。

冷镦模在整体强韧化的基础上再进行表面强化处理，对进一步提高模具寿命十分有效。常用的表面处理工艺有氮碳共渗、气相沉积TiN和硼硫复合渗等。