第二章 冷作模具材料
冷作模具定义：在常温下对材料进行压力加工或者其它加工使用的工装叫做冷作模具。
? 根据上述定义归纳一下哪些模具是冷作模具？ 冲裁、拉深、弯曲、冷挤压、冷镦、滚丝、拉丝etc.
? 主要的冷作模具材料有：冷作模具钢、硬质合金（Carbide）、
陶瓷（ceramics）、铸铁etc.；
? 其中使用最为广泛的模具材料为冷作模具钢和硬质合金。
在这一章里我们将通过分析模具的工作条件、失效形式以及性能要求来综合分析冷作模具钢和硬质合金2类材料。
§2-1 对冷作模具材料性能的要求
一、对冷作模具材料使用性能方面的要求
在分析冷作模具材料的使用性能之前，我们先来看一下冷作模具的工作条件和模具在使用过程中的主要失效形式。
? 冷作模具在工作的过程中承受的负荷：
冷作模具种类繁多，结构也比较复杂，在使用的过程中模具材料可能要承受拉伸、压缩、弯曲、冲击、摩擦等机械负荷的作用。
? 冷作模具的主要失效形式： 磨损、脆断、变形、咬合
根据上述冷作模具所承受的负荷和主要的失效方式，对冷作模具材料提出的主要性能要求是：
1、良好的硬度和耐磨性
? 这一指标主要为了保证模具形状和尺寸的稳定性。 ? 冷作模具在工作时，模具和坯料之间会产生相对运动。而
这种相对运动会使他们之间产生很大的摩擦，这种摩擦会使模具表面出现微小的凸凹痕迹，这些凸凹痕迹与坯料表面凸凹部位相咬合，并在模具的表面上产生切应力，从而导致模具表面的机械破坏。
? 在前面我们讲过，对于冲击负荷不大的场合，模具材料的
耐磨性能与材料的硬度成正比，所以大家可以知道为什么冲裁模具的硬度比较高。总的原则是：在满足其它性能的前提下，尽量选择比较高的硬度值。一般来说；冷作模具的工作硬度在60HRC左右。具体的硬度值要看模具的工作条件。
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2、高强度
? 强度主要是起到承受负荷的作用。
? 强度是选择模具材料的重要指标之一。根据前面提到的强度
指标我们知道强度应当有2层含义，即塑性变形抗力和断裂抗力。
3、足够的韧性
? 对于承受强烈冲击负荷的模具来说，通常要求模具材料必须
具有良好的韧性。要提高韧性就必须适当降低材料的硬度，这与前面的硬度和耐磨性要求出现了矛盾，因此必须在提出材料指标要求综合考虑各种因素。
? 对于承受较小冲击负荷的模具，在选择模具材料是主要考虑
材料强度和疲劳强度。
4、良好的抗疲劳性能（疲劳强度）
? 在很多情况下，模具承受的静负荷并不是很大，冲击负荷也
不高，但是负荷呈周期性变化。在这种情况下，模具发生失效往往是由于材料发生了疲劳破坏，因此在选择模具材料时，必须对疲劳抗力提出一定的要求。
? 影响疲劳破坏的因素：钢材中有带状或者网状C化物、晶粒
粗大、模具表面上有微小刀痕、凹槽以及截面突然变化，此外模具表面的脱碳现象也会导致材料出现疲劳破坏。
5、良好的抗咬合能力
当被加工材料与模具表面接触时，由于高压的作用使润滑失效，此时被加工材料与模具材料直接接触，被加工材料被冷焊接在模具的型腔上形成金属瘤，这样，在后续加工中，就会在工件的表面留下划痕。
影响抗咬合能力因素：
? 被加工材料的种类，比如镍基合金、奥氏体不锈钢等出现
咬合的概率比较高； ? 模具材料本身抗咬合能力； ? 润滑条件。
二、工艺性能要求 1、可锻性
锻造的目的：○1为了改变材料的内部的组织，○2消除组织缺陷、○3提高材料的致密性、○4改善材料的流线分布，
由此可以看出锻造对于材料的质量有很大的影响。
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从锻造工艺性方面对模具材料的具体要求有以下几条： ? 材料塑性好； ? 锻造时变形抗力小； ? 锻造温度范围广；
? 锻裂以及析出网状C化物倾向性小。
2、良好的切削性能
1）具体要求： ? 切削力小； ? 切削量大； ? 刀具磨损小； ? 加工质量好。
2）改变切削性能措施：
? 在切削加工比较困难时，通过热处理改变组织，因此改变切
削性能；
? 表面质量要求比较高的模具可以选用易切削钢，这些钢种含
有S、Ca等元素。
3、良好的磨削性能
由于模具的尺寸精度和形状精度要求比较高，因此多数模具工作零件必须经过磨削加工才能使用。
具体要求：
? 对砂轮和冷却条件不敏感； ? 不易发生磨伤和磨裂。
4、热处理工艺性和表面处理工艺性
主要包括淬透性、回火稳定性、脱C倾向性、过热敏感性、淬火变形和开裂。
? 淬透性
大型模具除了要求表面具有足够的硬度外，还要求芯部具有良好的强度和韧性，这就要求模具材料必须具有良好的淬透性；对于形状比较复杂的模具也要求使用淬透性比较高的材料，原因是淬火后材料内部的应力状态比较均匀，这样就可以避免出现开裂或者较大的变形。鉴于上述原因，故一般要求模具材料具有良好的淬透性。
? 回火稳定性
回火稳定性反映了受热软化时，材料的变形抗力； 回火稳定性高的材料具有良好的热硬性； 回火稳定性用软化温度和二次硬化硬度来表示。
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二次硬化概念：
某些铁碳合金(比较典型的是高速钢)须经回火后，硬度进一步提高。这种硬化现象，称为二次硬化。
它是由于特殊碳化物析出和(或)由于参与奥氏体转变为马氏体或贝氏体所致。
? 脱C倾向性小、过热敏感性低
脱C会造成材料耐磨性能和疲劳性能的下降； 过热则会使材料的晶粒粗大，降低材料的韧性。 ? 淬火变形和开裂倾向性小
产生的原因可能有2方面的因素，即热处理工艺或者模具材料，我们在这里主要考虑材料方面的因素，即材料的成分和原始组织状态。
? 表面处理工艺性能良好。
三、冷作模具材料的主要成分及其对性能的影响 1、C元素及其含量
C是金属材料中的主要元素，C含量是影响模具材料性能的决定性因素，很多性能都与C含量有密切的关系。 C↗硬度强度和耐磨性能↗但是塑性和韧性下降； C↘硬度强度和耐磨性能↘但是塑性和韧性↗。
因此在选择模具材料时要根据具体的工艺特点来选取。如果要求材料具有比较高的耐磨性能，就可以选择含C量比较高的的材料；反之，如果要求模具的韧性比较好，就应当选择含C量稍微低一点的材料。
模具用材料的含C量一般在0,5—1,5之间，当然也有少数模具材料的含C量很高（可能达到2%左右）。
在钢材中添加的其它合金成分可以改进某些性能，当然也可能带来某些负面的影响。
2、Mn元素
? 优点：
可以增加钢的淬透性；降低Ms点；增加淬火后残余奥氏体量。这些都有利于防止工件变形、淬裂，并可以使外形尺寸比较稳定。
? 缺点：
加入Mn后钢材的导热性下降；过热敏感性加剧；第二类回火脆性增加。
3、Si元素
? 优点：
增加钢材的淬透性；增加钢材的回火稳定性；提高材料的变形
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