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冷作模具鋼研究 冷作模具鋼技術發展
鋼材牌號及型號規格：冷作模具鋼材
冷作模具鋼材性能用途、密度硬度和化學成分：
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冷作模具鋼材出廠狀態、相關參數和注意事項
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冷作模具鋼主要用于制造在冷態（室溫）下工作的模具，如冷沖壓模具、冷拉伸模具、冷鐓模具、冷擠壓模具、壓印模具和螺紋滾絲模等等。典型牌號是高碳高鉻型冷作模具鋼Cr12、Cr12MoV；高速鋼W6Mo5Cr4V2及粉末冶金高溫合金等。
由于Cr12MoV鋼中的碳偏析存在較多的大塊網狀碳化物，使模具在使用過程中經常因韌性不足而出現崩刃、脆裂導致失效。因此，如何改善韌性是提高冷作模具壽命的重要課題之一。
1、 冷作模具鋼技術標準內容
技術標準是提高產品質量的龍頭，標準是供需雙方的技術部約定，在市場經濟沒有發育完善的今天，標準落后就生產不出先進的產品。制訂的一個鋼廠能夠生產、客戶能夠放心接受的基礎標準是滿意的，通過標準中規定項目的檢測，讓用戶買到滿意的材料是重要的。
以Cr12MoV為例，新制訂的GB/T24594-2009《優質合金模具鋼》中規定，對冷作模具鋼檢測項目除了化學成分、酸浸低倍、退火態硬度外；還增加了：①鋼的純凈度，A、B、C、D類非金屬夾雜物細系、粗系的檢測；②橫向沖擊試驗，鋼材中心橫向沖擊與縱向沖擊之比應達到0.6；③晶粒大小測試，確保晶粒度細于7級；④共晶碳化物不均勻度，按GB/T14979-1994標準第四級別圖評定，心部組織往往存在粗大的共晶碳化物和成分偏析，嚴重影響模具的沖擊韌度；⑤超聲波探傷，確保鋼材內部無不可接受的明顯缺陷。
GB/T24594-2009《優質合金模具鋼》中典型的冷作模具鋼牌號化學成分，見表1；主要特點及用途，見表2。
表1 典型的冷作模具鋼牌號化學成分
| 牌號 | 化學成分（質量分數）/% | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | Cu | W | V | |
| Cr12MoV1 | 1.40-1.60 | ≤0.60 | ≤0.60 | 11.00-13.00 | 0.70-1.20 | ≤0.25 | ≤0.25 | / | 0.50-1.10 |
| Cr12MoV | 1.45-1.70 | ≤0.40 | ≤0.40 | 11.00-12.50 | 0.40-0.60 | ≤0.25 | ≤0.25 | / | 0.15-0.30 |
| Cr12 | 2.00-2.30 | ≤0.40 | ≤0.40 | 11.50-13.00 | / | ≤0.25 | ≤0.25 | / | / |
| 9Cr06WMn | 0.85-0.95 | ≤0.40 | 0.90-1.20 | 0.50-0.80 | / | ≤0.25 | ≤0.25 | 0.50-0.80 | / |
| CrWMn | 0.90-1.05 | ≤0.40 | 0.80-1.10 | 0.90-1.20 | / | ≤0.25 | ≤0.25 | 1.20-1.60 | / |
表2 冷作模具鋼主要特點及用途
| 牌號 | 主要特點及用途 |
| Cr12MoV1 | 該鋼種相當于ASTM A681-1994的D2鋼，是國際上較廣泛采用的高碳高鉻冷作模具鋼，屬于萊氏體鋼。具有高的淬透性、淬硬性和高的耐磨性，高溫抗氧化性能好，淬火和拋光后抗銹蝕能力好，熱處理變形小 |
| Cr12MoV | 該鋼種具有高淬透性，可用來制造截面較大，形狀復雜，經受較大沖擊負荷的各種冷作模具 |
| Cr12 | 該鋼種相當于ASTM A681-1994的D3鋼，該鋼具有良好的耐磨性，多用于制造受沖擊負荷較小的要求較高耐磨性的冷沖模及沖頭，冷剪切刀、鉆套、量規、拉絲模等 |
| 9Cr06WMn | 該鋼種具有一定的淬火透性和耐磨性，淬火變形較小，談化物分布均勻且顆粒細小，通常用于制造截面不大而變形復雜的冷沖模 |
| CrWMn | 該鋼種具有高的淬透性，可用來制造在工做時切削刃口不劇烈變熱的工具和淬火時要求不變形的量具和刃具 |
對模具鋼來言，提高其純凈度已經成為提高模具性能和壽命的重要手段。提高冷作模具鋼材的純凈度主要是控制鋼中有害元素的含量，通過降低P、S含量可明顯提高材料的沖擊韌度和抗疲勞性能，改善材料的等向性能；H、N、O對鋼材的性能也有諸多有害的影響，降低這些元素的含量對改善和提高鋼材性能是非常有利的。目前往往采用真空精煉、電渣重溶、乃至保護氣氛重溶、真空自耗等先進的冶煉工藝來提高模具鋼的冶煉質量，各種精煉技術的運用提高了鋼的純凈度，極大地降低鋼中的夾雜物和偏析，并改善夾雜物的形態。
為了提升模具鋼的質量除了追求高的純凈度外，更需要微觀組織的均勻細小，特別是對冷作模具鋼中碳化物的有效控制。為了實現這一目的，一些新的工藝技術部被采用，比如為了改善Cr12MoV鋼偏析減少一次碳化物，廣泛采用高溫擴散退火的方法。該方法的應用同時也使二次碳化物成球形分布在鐵素體的基體上，所有這些提高了Cr12MoV鋼的橫向沖擊韌度。為了提高Cr12MoV鋼的等向性能則采用等向鍛造工藝，通過等向鍛造的冷作模具鋼橫向的塑性和韌性均得到很大提高，等向性能提高明顯。
3、 冷作模具鋼的發展空間
冷作模具鋼因高碳高鉻導致鋼中共晶碳化物偏析嚴重，而通過軋制和鍛造對共晶碳化物的改善是有限的，因此冷作模具鋼應向高韌性方向發展。日本大同特殊鋼開發的高韌性冷作模具鋼DC53（0.8%c，8%Cr，2%Mo，1%V）是典型鋼種。此后，國內外軍開發了類似DC53的高韌性冷作模具鋼。寶鋼集團與上海大學共同開發出了SDC90冷作模具鋼，其成分設計是在Cr12MoV鋼化學成分的基礎上，適當降低碳、鉻含量，以改善碳化物偏析，同時提高鉬、釩含量，以細化晶粒，增加二次硬化能力。制造冷沖模的使用壽命比Cr12MoV鋼的更長。
冷作模具鋼的另一個發展方向是不改變材質的化學成分，而改變加工方法，采用粉末冶金技術獲得組織性能非常均勻的高碳高鉻型冷作模具鋼。目前國內在這方面還少有研究開發，主要依賴進口。寶鋼研究院正在對高碳高鉻型冷作模具鋼噴射冶金成形技術進行研究，但目前該項技術還有許多技術部難點（如材質的致密度、規格等）需要克服。
4、 冷作模具鋼的熱處理技術發展
4．1高溫淬火工藝
隨淬火溫度提高，Cr12MoV鋼的熱強性、斷裂韌性和疲勞抗力有明顯的增強。基于這種原因，人們發展了高溫淬火工藝。用高溫淬火高溫回火代替普通球化退火，然后再進行普通的淬火和回火，這種工藝既是雙重淬火工藝，又能在幾乎不降低沖擊韌性的前提下得到大的斷裂韌性，硬度也高于普通熱處理。
4．2強烈淬火技術
雖然強烈淬火技術的冷卻速度極大，但可避免開裂，減少變形，顯著提高鋼的力學性能，延長模具使用壽命，而且在許多情況下，強烈淬火技術還有節能、高效、環保等效果，是一種前景廣泛的熱處理技術。
4．3深冷處理
深冷處理是常規熱處理的延伸，是以液氮為制冷劑在低于零下130℃的溫度對鋼材進行處理的方法。該方法能夠改變鋼材的力學性能，可在不降低鋼材強度及硬度的情況下，顯著提高鋼材的韌性。近年來，國內外已對深冷處理進行了廣泛的研究，并在冷作模具上不斷得到應用，處理過的冷作模具使用壽命得到明顯提高，但在工藝的穩定性和對某些冷作模具鋼的作用機理方面的研究還不夠深入，阻礙了深冷處理在冷作模具上的廣泛應用。
5、 冷作模具鋼的表面強化技術進展
5．1表面滲氮
目前對滲氮的研究主要集中在等離子滲氮上，氣體滲氮、鹽浴滲氮等傳統工藝盡管在工業上已經取得了較好的應用，但是由于這些傳統工藝所用鋼材往往具有易爆炸性、有毒性，在實際應用中會對工人及環境造成傷害，從而限制了這些傳統工藝的應用。等離子滲氮就沒有氣體、鹽浴滲氮工藝的不利因素，而且可以避免復合層即白亮層的形成和控制擴散層的質量。
5．2激光表面處理
高能束表面處理強化技術的特點是加熱速度快、模具變形小，不需冷卻介質，可控性好，偏于實現自動化控制，在高能束表面強化技術中尤以激光表面改性的研究應用較多。目前對激光表面處理的研究主要是利用這種技術的可控性好，對基體影響小的特性，結合其它技術部進行某些新工藝的開發研究，比如利用激光表面處理技術進行攻能梯度鋼材的設計并應用在冷作模具上，從而提高模具的性能；還有把激光表面處理技術與仿生學相結合，在鋼材的表面進行激光仿耦合設計，從而提高鋼材的表面性能。
除此之外，對激光表面處理進行數學模擬也是目前研究的一個熱點。對這方面的研究，一方面是基于實際的激光表面處理，由于涉及的參數很多，因此需要確定一個優的工藝，這需要一個數學模型來幫助預測優的工藝參數；另一個方面運用數學模型可以使人們對終結果的相互影響有更好的理解。
5．3表面氣相沉積強化
氣相沉積分為化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。這方面的研究主要是在冷作模具表面形成一層陶瓷涂層，但是應用陶瓷涂層的大問題在于陶瓷涂層在熱膨脹性能上與模具鋼的基體不匹配，這會造成涂層的早期開裂失效。在陶瓷涂覆前進行等離子滲氮是乭高陶瓷涂層與基體結合力的有效方法，對提高冷作模具壽星的效果顯著，得到廣泛研究。鑒于各種陶瓷涂層，無論是單層還是多層或與滲氮復和，都不可避免造成與基體熱膨脹性能的差異，所以對模具抗熱疲勞性能的影響是無法避免的。因此，有人提出設計出一種復合涂層系統，復合涂層系統除了使冷作模具表面具有耐磨損、抗壓等功能外，該涂層系統大的特點是減少熱量向模具的傳遞，減緩模具的溫度變化，以提高冷作模具鋼的抗疲勞性能。
總之，緊固件行業的快速發展對冷作模具鋼的性能提出了越來越高的要求，原有的冷作模具鋼與熱處理技術無法滿足現代緊固件業的需求。為適應緊固件業的發展，結合當前冷作模具鋼在應用中出現的問題，加強此方面的研究很有必要。
參考文獻
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