冷作模具鋼通常是指制造冷鍛、冷擠、冷鐓、冷軋、冷校正、冷輥、滾絲和冷沖(含冷切邊)模具的高硬度鋼。這類模具的工作溫度雖然不高(一般不超過200℃),但它們的工作應力是模具中最高的。因此要求模具鋼應具有極高的強度、硬度和耐磨性,同時,還應具有一定的韌性。
絕大多數的冷作模具鋼屬于高C、高Cr的萊氏體鋼,它們具有良好的淬透性、耐磨性及高的強度和硬度,但韌性較差。冷作模具鋼的C含量大多數在0.85%以上,Cr含量在12%左右,當Cr含量在4%左右時,通常還需要再添加11%~18%的W或W加Mo,進一步形成碳化物和增強固溶強化效果。由于Cr、W和Mo都是形成碳化物的主要元素和固溶強化元素,因而這類鋼具有高強度、高硬度和高耐磨性。
為了降低模具費用,對于批量小的鍛件或工作環境相對好一點部分冷作模具,也可以選用T9和T10等高碳工具鋼。
我國常用冷作模具鋼有Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV、3Cr13、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、9SiCr、CrWMn、GCr15、9Mn2V、60Si2Mn、T10A、12CrNi2A和20Cr等。
常用冷作模具鋼的化學成分和組織特點,可將其分為如下幾類:
1.Cr12型鋼
Cr12型鋼屬于高C、高Cr的萊氏體鋼,主要包括Cr12、Cr12Mo和Cr12MoV鋼。這類鋼的化學成分中含有1%或更高的C,含有12%的Cr,其中Cr12MoV鋼還含有適量的Mo和V等碳化物形成元素。Cr12型鋼是典型的冷作模具鋼,應用十分廣泛。3Cr13鋼中的Cr與Cr12型鋼相近,但它的C含量低,屬于馬氏體不銹鋼,也可以作為冷作模具鋼,但用量較Cr12型鋼小。
2.多用途的低合金冷作模具鋼
這類鋼包括CrWMn、9SiCr、60Si2Mn、5CrW2Si、T10A、GCr15和9Mn2V等,它們多是從精密量具、樣板、工具、彈簧和軸承等應用成熟的耐磨且熱處理變形小的鋼中引進的,它們在制造冷作模具領域也有較廣泛的應用。
3.高合金化的冷作模具
這類鋼包括W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2鋼,屬于高速鋼型的冷作模具鋼,這類鋼不僅耐磨性高,其高溫強度、硬度和耐磨性也十分優異,因而這類鋼也可以用作溫鍛模具鋼。
4.滲碳合金結構鋼
合金結構鋼12CrNi2A和20Cr經滲碳處理后,在一定場合下也可作為冷作模具鋼使用。
上述常用冷作模具鋼中用量最大的有Cr12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、GCr15、9Mn2V、60Si2Mn和W18Cr4V鋼。
隨著技術的發展,對冷鍛、冷擠件性能的要求不斷提高,對冷作硬化敏感的高變形抗力的合金結構和不銹鋼等冷鍛件的比例逐漸增加,因而要求更高強度、硬度和耐磨性的模具材料。我國開發的低合金冷作模具有7CrSiMnMoV(CH)、65Cr4W2Mo2VNb(65Nb)、SLM-11、6W8Cr4VTi(LM1)、6CrMnNiMoVSi(GD)、6CrMnNiVWSi(DS)和CrNiWMoV鋼等。這些鋼的淬透性好,淬火溫度較低,熱處理變形小,價格便宜且具有良好的強度和韌性配合,適用于制造精密復雜的模具。
近年來,國內外都開發了強度、硬度和耐磨性更譏的鋼結硬質合金。鑒于鋼結硬質合金兼有冷作模具鋼和硬質合金二者的優點(比一般冷作模具鋼的耐磨性好,又比硬質合金的韌性高),采用鋼結硬質合金制造冷鍛和冷擠組合模具的內襯或鑲塊模也逐漸增多。
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