衝裁模模具鋼的研究
內（nèi）容摘要:1衝裁模模具鋼組織的強化機理在衝裁板件（jiàn）時，由於單位負荷較大（≥200MPa）、被衝裁材料的應（yīng）力狀態較複雜，在分離過程中（zhōng）模具切削刃的發（fā）熱溫（wēn）度較高（200℃），故衝裁模的耐用度在大多數情況不能（néng）滿足板料衝壓（yā）生產的要求。為提高（gāo）衝裁模的（de）耐用度，研製了三種新型模具鋼。它是通過提高模具鋼內的碳化物相數量和改變其類型，達到最大提（tí）高衝裁模耐用度的。但是，因（yīn）提高了（le）碳化（huà）物（wù）的不均勻（yún）性，這時模具鋼的機械性能可能變壞，因此，必須在模具鋼內（nèi）同時添加某（mǒu）些活性（xìng）元（yuán）素，例（lì）如，釩和鉬可改善組織內各元素的分布，並且可提高模具鋼的（de）物（wù）理機械性能和使用性能。
1 衝裁模模具鋼組織的強化（huà）機理
在衝（chōng）裁板件時，由於單位負荷較大（≥200MPa）、被衝裁材（cái）料的應（yīng）力狀態較複（fù）雜，在分離過程（chéng）中模具切削刃的發熱溫度較高（200℃），故衝裁模的耐用度（dù）在大多數情（qíng）況不能滿足板料衝壓生產的要求。
為（wéi）提高衝裁模的耐用度，研製了三種新型模具鋼。它是通過（guò）提（tí）高模具鋼內的碳化物相數量和改（gǎi）變其類型，達到最大提高衝裁模耐用度的。但是，因提（tí）高了碳（tàn）化物的不均勻性（xìng），這時模具鋼的機械（xiè）性能可能變壞（huài），因此，必（bì）須（xū）在模具鋼內同時添加某些活性元素，例如，釩和鉬可改善組織（zhī）內各元素的分布（bù），並（bìng）且可提高模具鋼的物理機械性能和使用性能。鉬可部分替換碳化物內的鉻原（yuán）子，而釩可減小合金滲（shèn）碳體的總量，從而可促使（shǐ）顯著減小模（mó）具鋼微（wēi）體積內的化學成分和碳化物的不均勻性。
形成的碳化物（wù）M7C3與顯著數（shù）量的鉻（達（dá）8％～9％）有關係，從而常降（jiàng）低合金化的（de）效果。為排除這種現象，在鋼內必須添加0.4％～0.8％Ti，從而可減小（xiǎo）α固溶體內的（de）含碳（tàn）量，提高馬氏體（tǐ）轉（zhuǎn）變點的溫度，並可促使減少組織內的殘餘奧氏體數量（達7％～10％）。此外,減（jiǎn）小含碳量可促使獲（huò）得韌性較好的母體（tǐ），並可導致提高應力（lì）源內的鬆弛程（chéng）度，這對模具鋼工作過程甚為重（chóng）要（yào）。
在用形（xíng）成碳化物的活性元素（Mo，V，Ti等）合理（lǐ）的合金化基礎上，研製了有效的（de）組織強化機理。它可保證改善模具鋼的綜合性能，部（bù）分減小鋼內碳化物成因的（de）化學成分不均勻（yún）性，並可（kě）排除或難於（yú）使鉻原子從固溶體內（nèi）轉移到碳化物中。
上述元素的難熔碳化物在淬火溫度t淬＝1040～1080℃時未（wèi）溶解，可保證奧氏（shì）體保持較細晶粒，從而有較（jiào）高的抗脆（cuì）性破壞水平和（hé）抗彎（wān）強度水平。此外，在r→α轉（zhuǎn）變時增加最分散的MC類型碳化物的體積份額，可提（tí）高馬氏體形核中心的數量，從而同樣促使馬（mǎ）氏體轉（zhuǎn）變溫度M始、M終的提高和晶粒的細化，並使模具在使用時其切削刃的金屬（shǔ）難於流動，從而提高模具的耐磨性（xìng）。
馬氏（shì）體轉變的開始溫度（dù）M始和終了溫度M終與模（mó）具鋼成分和淬（cuì）火溫度的變化曲線
2 衝裁模模具（jù）鋼的（de）化學成分
已確定,在含（hán）6％～12％Cr的模具鋼（gāng）內,活性（xìng）元素（sù）特別是Ti(達0.7%)，與（yǔ）Mn、Cr和Mo最佳結合，可促使形成較高質量的組織相，並可提高模具鋼的強度（σb≥3400MPa～3600MPa），耐磨性和耐熱性(t≥450～500℃)。含0。2%～0。9%鉬（mù），可抑製分散的脆性顆粒沿馬氏體（tǐ）晶界析出，並可明顯提高模具鋼在淬（cuì）火和（hé）回火後的衝擊韌性。釩與鈦可細化晶粒提高模具鋼（gāng）的耐磨性。釩（fán）與鉬、矽可保證模具（jù）鋼各種性能的滿意結合，而在添加鈦時可提高它們對（duì）耐磨性影響的效果。
用形成碳化物的活性元素合金（jīn）化的（de）高（gāo）鉻對淬火時過熱的敏感性較小，保證細晶粒的淬水溫度區域被顯著擴大，從而可建立碳化鉻（gè）和（hé）其它元素在奧氏體內（nèi）較大溶解的條件。
統計處理鉻的分布數據表明，添加鈦可促使擴大鉻在固溶體內的濃（nóng）度區間，並使其右移，從而證明用（yòng）形成碳化物過程中獲自由的鉻，可提高（gāo）模具鋼金屬母體的（de）合金度。
淬火後鉻的（de）分（fèn）布區間
1.Crl2MoV鋼
2.Cr5V3SiTi鋼
3.Cr12MOSiMi鋼
4.Cr3MnVTi鋼 n.Cr的分布頻率
在上述研究的基礎上,研製出三種衝裁模模具鋼的合理化學成分，列於表1。
表1 衝裁模模具鋼的化學成分
鋼化學元素含（hán）量(%)CMnSiCrMoVTiCr3MnVTi1.15∽1.251.0∽1.20.45∽0.522.8∽3.40.2∽0.31.0∽1.20.55∽0.08Cr5V3SiTi1.75∽1.85≥0.80.9∽1.24.6∽5.40.2∽0.42.3∽3.20.4∽0.7Cr12MoSiTi1.75∽1.850.3∽0.60.7∽1.0441∽2.50.65∽0.950.3∽0.50.4∽0.7
3 新型模具鋼的機械性能
已確定，在含鉻量3％以上的模具（jù）內，形成碳化物較（jiào）活性的元（yuán）素與錳、鉻和（hé）鉬最佳結合，可提高模（mó）具鋼在熱處理後的強（qiáng）度和耐磨性，見（jiàn）表2。
表2 熱處理最佳規範和模具鋼的機械性能
鋼 溫度(oC)硬度(HRC)抗（kàng）彎強度
極限（xiàn）(MPa)衝擊韌性（xìng）
(MJ/m3) 淬（cuì）火 回火Crl2MoV1000~1020200~22061~622700~29000.35~0.4Cr3MnVTi980~1000180~20061~633200~37000.35~0.45Cr5V3SiTi1020~1060220~24061~633500~37000.5~0.6Crl2MoSiTi1040~1080220~24061~633400~36000.45~0.55
所研究的模具鋼在傳統淬（cuì）火後的組織（zhī）,由馬氏體、殘餘奧（ào）氏A殘（cán）和碳化物MC所組成（見表3）。當不能保證所需的臨界冷卻溫度情況，同樣可能形（xíng）成下貝氏體類型的組織。回火（huǒ）到（dào）工作硬度60~62HRC，將導致（zhì）殘餘奧（ào）氏體的部分分解和碳化物相含（hán）量的增加。淬火和回火，組（zǔ）織的各組元之間關係主（zhǔ）要取決於模具鋼的（de）化學（xué）萬分和其熱處理規範。
表3 模具鋼（gāng）內組織的各組元數量（%）
鋼 退火（huǒ） 淬火 回火馬氏體內的
含碳量 MC MC A殘 MC A殘CrMnVTi14~1610~148~1210~156~80.24~0.29Cr5V3SiTi18~2314~1815~2215~195~100.25~0.30Crl2MoSiTi16~2212~16118~2413~175~70.23~0.28
已確定,阻礙碳化物對鋼（gāng）內實際（jì）奧氏（shì）體晶粒長大作用的溫度（dù）區間為1000-1200oC。實際奧氏體的晶粒大小將顯著影響到馬氏體的分散性和在淬（cuì）火和回火狀態（tài）下模具鋼的機械性能。
由於存在碳化鈦、碳化釩和二次碳代鉻，故在淬火和回火後被研究鋼內的碳你物相較Crl2MoV鋼內（nèi）的分（fèn）散，見表4。
表4 模具鋼內碳化物顆粒的數量
鋼碳化物數（shù）量（liàng）（個）碳化物總量(個)碳化物的體積（jī）(%)碳化物顆粒的尺（chǐ）（μm）<22~44~66~83~10>10Crl2MoV1502586597312286427371016.6Cr3MnVTi139770252513210363292212.0Cr5VSiTi234678729226412676389118.8Crl2MoSiTi2513804308204233133416220.9
注:該數據是當每個視場麵積為0.25mm2時按（àn）10個視場的平均值得出的。
從表4中可同，在Cr5V3SiTi鋼（gāng）和Crl2MoSiTi鋼中，碳化物含量較傳統模具鋼（gāng）Crl2MoV內的多。在Crl2MoV鋼內（nèi）的細小碳化（huà）物數量（尺寸6μm以下）占碳化（huà）物總量的72.4%，而在Cr3MnVTi鋼、Cr5V3SiTi鋼和Crl2MoSiTi鋼（gāng）內的碳化物數量分別占89.8%，88.02%，87.1%。這與表（biǎo）2內（nèi）獲得的機械性能很吻合（hé），亦（yì）與表（biǎo）5內的模具鋼的耐磨（mó）性試驗結果和抗壓塑性變形的試驗結果相吻合（hé）。
表5 淬火和回火（huǒ）後模具鋼的抗壓強度和耐磨性
鋼 溫度（oC） 硬度（HRC） σ壓
（MPa） 相對耐
磨性 淬火 回火Crl2MoV 1000 220 62 2071 1.0Cr3MnVTi 980 220 62 2165 1.3Cr5V3SiTi 1030 220 62 2478 1.75Crl2MoSiTi 1060 240 62 2500 1.7
在所研究的模具鋼內，細小的（de）碳化鈦在淬火溫度時無熱動力性將鄰近段的元素溶解在自己內，故可促使碳（tàn）化物周圍微體積內（nèi）保持相（xiàng）對的化學均勻性，從而改善它們在金屬母（mǔ）體內的固定，也就是（shì）可提高模具（jù）鋼的強（qiáng）度和耐磨性。
已確定，Cr5V3SiT鋼和Crl2MoSiTi鋼可使所需（xū）使用性（xìng）能完全保持到回火溫度500~550oC，從（cóng）而可應用於高速壓（yā）力機上的模具。這種模具的工作刃允（yǔn）許發熱（rè）到（dào）400oC。這些鋼種（zhǒng）同樣推（tuī）薦（jiàn）應用於工作在動載荷範圍寬廣的模具，以及使（shǐ）用在高磨損條件下的（de）重載衝裁模。
Cr3MnVTi模具鋼可用來製造輕載衝裁模和大批量生產電機零件的模具。
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