[科普中國]-冷鐓模具用鋼

很多緊固件是采用冷鐓模具成形的。冷鐓模具承受劇烈的沖壓載荷，其凹模表面承受很高的壓應力。要求模具材料具有較高的強度、韌性和耐磨性。

冷鐓模具在熱處理后，表面必須具有高的硬度而心部必須具有良好的韌性，這樣，表面有一定的壓應力可以抵消在冷鐓過程中承受的應力。很多緊固件是冷采用鐓模具形成的。冷鐓模具承受劇烈的沖壓載荷，其凹模表面承受很高的壓應力。要求模具材料具有較高的強度、韌性和耐磨性。

材料介紹冷鐓模具在熱處理后，表面必須具有高的硬度而心部必須具有良好的韌性，這樣，表面有一定的壓應力可以抵消在冷鐓過程中承受的應力。

用于生產(chǎn)工件批量不大的冷鐓模具，一般選擇碳素工具鋼或低合金冷作模具鋼，對模具型腔表面進行局部淬火，使型腔表面硬度達到HRC60左右，而模具心5硬度為HRC35～45左右。應根據(jù)模具的截面尺寸，選擇具有一定淬透性的模具鋼，以得到比較理想的淬硬層深度。淬硬層過淺，可能造成使用中型腔塌陷；硬化層過深，可能使模具在使用過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

對于要求使用壽命長的冷鐓模具，則采用高合金模具鋼（如Cr5Mo1V，Cr12，Cr12MoV，7CrMo2V2Si等）、高速鋼（如W6Mo5Cr4V2，W18Cr4V，粉末高速鋼等）、鋼結硬質(zhì)合金或鈷含量較高韌性好的硬質(zhì)合金制造。為了使模具能承受較高的沖擊載荷，一般采用鑲塊式模具結構。模具外套采用高韌性的合金結構鋼或4Cr5MoSiV1等熱作模具鋼制造，熱處理后的硬度為HRC45左右。高硬度冷鐓模具鑲塊采用高合金模具材料制造，用冷壓或熱壓法鑲入外套，使之緊密接觸，外套對內(nèi)套造成一定的壓應力，以改善模具的服役條件，延長模具的使用壽命。1

材料選擇

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注：鑲塊模具外套可采用中碳合金結構鋼或4Cr4MoSiV，4Cr5MoSiV1鋼制造。2

失效形式1.過載失效

過載失效指材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷（包括約10%的隨機波動載荷）作用引起的失效，包括韌度不足和強度不足兩類失效。對韌度不足出現(xiàn)的脆斷失效應予以重視。

（1）材料韌度不足失效。此類失效前無宏觀征兆和斷裂突發(fā)性，是冷作模具失效中最危險的事故，此類失效曾出現(xiàn)過人身事故，給生產(chǎn)安全和經(jīng)濟建設造成很大的損失。這種失穩(wěn)態(tài)下的斷裂失效在冷擠壓和冷鐓模具中容易出現(xiàn)，如沖頭折斷、開裂，甚至產(chǎn)生爆裂，其特征是失效產(chǎn)生前無明顯塑性變形，宏觀斷口無剪切唇，且比較平坦，造成模具不可修復的永久失效。

這種失效與模具材料韌度不足、承受過高應力有關。對冷擠壓模具實際承載能力分析計算可知，沖頭失效前承受的工作應變能力是材料斷裂消耗能的上千倍，說明了工作時沖頭承受高潛在動能和低的斷裂抗力。根據(jù)能量守恒原理，沖頭斷裂勢能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)閿U展動能，其擴展的極限速度可達103m/s。當模具結構存在應力集中，如六方冷鐓沖頭尾部過渡區(qū)r≤1mm時，應力集中系數(shù)K=2;冷擠壓沖頭臺階處r=3mm時，K=1.3；甚至機械加工刀痕、磨削粗痕跡等均可成為薄弱環(huán)節(jié)，產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂。

高碳、高合金的冷作模具鋼，使用狀態(tài)為回火馬氏體和二次量、松弛應力一應變的能力低，一次碳化物的不均勻性分布又嚴重降低了材料韌度。因此，這類失效斷口看不到宏觀變形，微觀變形的尺寸大致與碳化物間距相當。

（2）強度不足失效。在冷鐓、冷擠壓沖頭中，材料抗壓、彎曲抗力不足，易出現(xiàn)鐓頭下凹、彎曲變形失效。在新產(chǎn)品開發(fā)中容易產(chǎn)生此類失效，這與工作載荷過大，模具硬度偏低有關。實際經(jīng)驗表明，黑色金屬冷鐓沖頭硬度小于HRC56、冷擠壓沖頭硬度小于HRC62時易出現(xiàn)這類失效，同時說明材料強度不足，塑性有余，有韌度潛力可以發(fā)揮。

解決此類模具早期失效的經(jīng)驗方法是脆斷失效減硬度，變形失效增硬度。

2.磨損失效

磨損失效是指模具工作部位與被加工材料之間的摩擦損耗，使工作部位（刃口、沖頭）的形狀和尺寸發(fā)生變化引起的失效。它又包括正常磨損失效和非正常磨損失效兩類。

（1）正常磨損失效。對表面尺寸要求嚴格的冷沖壓、冷擠壓模具，在保證材料不斷裂的前提下，模具壽命取決于表面抗磨損能力。通常模具使用壽命較長，表面質(zhì)量要求高的沖裁模、擠壓模易產(chǎn)生此類失效。

（2）非正常磨損失效。在局部高壓力作用下，模具工作部位與被加工材料間發(fā)生咬合，被加工材料“冷焊”到模具表面（或模具材料“冷焊”到加工材料表面），引起被加工產(chǎn)品（或模具材料）表面形狀和尺寸發(fā)生突變，或在被加工產(chǎn)品表面出現(xiàn)嚴重劃痕等導致失效。在拉伸、彎曲模具及冷擠壓模具中易發(fā)生此類失效。

3.疲勞失效（多沖疲勞失效）

冷作模具載荷都是以一定沖擊速度、一定能量作用下周期性施加的，這種狀態(tài)與小能量多沖疲勞試驗（以一定能量周期性加載和卸載）相似。由于模具材料多沖疲勞的斷裂壽命多在1000～5000次，通常，裂紋疲勞源和裂紋擴散區(qū)無明顯界限。

模具鋼的疲勞性能和特征與結構鋼有很大差異。因為脆性材料疲勞裂紋的萌生期占大部分壽命，多數(shù)情況下，裂紋萌生與擴展難于區(qū)分。仔細分析疲勞條紋微觀形態(tài)可以看出，裂紋萌生多在材料表面的薄弱環(huán)節(jié)，如晶界、碳化物和應力集中部位。試驗表明，沖擊疲勞裂紋萌生約200μm微裂紋時，壽命占總壽命的90%以上，從斷口上很難觀察到結構鋼穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和疲勞條帶。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

楊曉紅 - 副教授 - 西南大學