冷挤压模具工作条件恶劣、凸、凹模承压极大，特别是冷挤压钢用的模具更是如此。例如采用cr12mov、w18cr4v
模具材料，因含高碳高合金元素，碳化物数量多，且形状、大小、分布状态等均很难控制，塑性和韧性都较差，使用中经常发生脆断开裂等损坏现象。而采用硬质合金作模具材料则由于加工不便，且性脆易开裂，经济效益也不显著。因此，为了改善这种状况，近几年来，发展了许多冷挤压模具新材料。
中国国际模具网一、低碳钨钼系高速钢
中国国际模具网 我国研制成功可作为冷挤压模具用的高速铜牌号为：6w6mo5cr4v。它是一种低c低v的高速钢，主要用于制造冷挤压黑色金属凸模，使用寿命比常用高速钢w18cr4v要高2～4倍。这种钢的化学成分如表8-31所示。
6w6mo5cr4v钢的含c量比高速钢w6mo5cr4v2要低20～30％，含v量也降低了1％左右。因此，碳化物的数量也相应减少，碳化物分布的不均匀性可以得到改善，一般可以下降l～2级，这就可使韧性得到提高。但由于碳化钒减少了，钢的耐磨性要差一些。因此这种钢必须在淬火回火以后，再采用气体软氮化等表面强化处理方法，以提高其耐磨性。
中国国际模具网 6w6mo5cr4v与常用高速钢一样，也属于莱氏体钢。钢中碳化物偏析虽较常用高速钢要好一些，但仍然存在着大量的共晶碳化物。因此，必须采用合理的锻造工艺，以改善碳化物的分布情况。这种钢的锻造加热规范为：预热温度取700～800℃，始锻温度不高于1040℃，终锻温度不低于850℃。为了使材料内部各金属质点都有机会得到变形，宜采用反复激锻拉拔的锻造方法。锻后采用砂冷或灰冷，以防产生冷却裂纹。为了便于进行切削加工，锻后最好还要进行等温退火，其工艺规范如图8-31所示。火后的硬度为hb197～229，金相组织为球状珠光体和碳化物。
图8-44 6w6mo5cr2v钢的等温退火规范
切削加工后的淬火加热温度依据模具性能要求，原材料碳化物偏析状况而定，其规范 如 8-45所示。随着淬火温度的升高，由于合金碳化物向基体中溶解度不断增加，因此硬度值增加，冲击韧性下降。加热到1000℃时，冲击值ακ≈200j/cm2；当温度增至1200℃时，ακ≈70～80j/cm2；当温度增加到1240℃时，硬度值基本不变，但冲击韧性继续下降。这是由于在基体中合金碳化物溶解度变化不大，及随着温度增高，奥氏体晶粒长大的结果所致。
图8-45 6w6mo5cr钢最后热处理规范
因此淬火加热温度宜取1180～1200℃。淬火冷却方式根据模具形状与用途不同，可采用油冷、分级淬火和等温淬火等不同的冷却方式。小尺寸和外形比较简单的模具，淬火加热后可在油中冷至300～400℃后空冷；对于大尺寸或形状复杂的模具，为了防止变形和开裂，一般采用先在550～600℃中性盐浴中保温，再转入350～400℃硝盐中保温，停留时间与淬火加热时间相同，最后进行空冷；对于中等尺寸的模具，采用550～600℃一次分级淬火亦可。为了获得高强度、高韧性以及减少模具变形，可采用等温淬火。其方法是：在分级淬火以后再转入280～300℃的硝盐中等温2～3小时再空冷。中国国际模具网
淬火后还要进行三次回火，口火温度取560～580℃。每次回火时间取1.0～l.5小时。经回火后，各种合金碳化物从马氏体中呈细小分散析出，产生弥散硬化现象，使其抗弯强度及硬度达到最大值，冲击韧性也有所提高。回火温度不宜过高，否则会使合金碳化物继续析出并发生聚集，冲击韧性虽有增加，但硬度及抗弯强度急剧下降。回火后的硬度为hrc60～63。为了提高模具表面尺寸精度，通常还要进行最后磨削。 中国国际模具网
6w6mo5cr4v钢属莱氏体，其碳化物偏析程度与同规格的一般高速钢相比，要低一级左右。由于钢中仍含有大量的一次碳化物，需要严格控制热加工工艺，改善碳化物分布不均匀性。降低淬火加热温度，可以显著改善钢的性能，适当提高淬火温度，可提高硬度和耐磨性，但韧性下降。6w6mo5cr4v钢不同淬火温度、回火温度对机械性能的影响分别见图8-46和图8-47及表8-32～表8-36和其对比情况。
|
|
|
图8-46 不同温度下经560℃回火三次的中国国际模具网
w6mo5cr4v钢的机械性能 |
图8-47 经1200℃淬火在不同回火温度下中国国际模具网
回火三次的6w6mo5cr4v钢的机械性能 |
表 8-32 6w6mo5cr4v、w18cr4v、m2不同回火温度的硬度值（hrc）
|
|
500 |
530 |
550 |
580 |
|
6w6mo5cr4v |
1200 |
60.6 |
62.3 |
62.3 |
60.1 |
|
w18cr4v |
1260 |
64.4 |
64.4 |
63.8 |
63.0 |
|
m2 |
1220 |
63.5 |
64.8 |
65.3 |
62.8 |
表8-33 三种钢不同回火温度的无缺口冲击韧性值（j/cm2）
|
|
500 |
530 |
550 |
580 |
|
6w6mo5cr4v |
1200 |
57 |
53 |
53 |
57 |
|
w18cr4v |
1260 |
－ |
－ |
34 |
36 |
|
m2 |
1220 |
26 |
27 |
32 |
36 |
表8-34 6w6mo5cr4v、w18cr4v钢抗弯强度及挠度对比值
|
|
（mpa）·（mm）
|
|
530 |
550 |
580 |
600 |
|
6w6mo5cr4v |
1200 |
57 |
53 |
53 |
57 |
|
w18cr4v |
1260 |
－ |
－ |
34 |
36 |
|
m2 |
1220 |
26 |
27 |
32 |
36 |
近几年来，国外对于这种低碳高速钢进行了不少研究工作，其中比较成功的有三种属于低碳钨系和钨钼系高速钢的钢种，它们的化学成分如表8-36。
表8-35 6w6mo5cr4v钢制作的冷挤压600套某产品模具寿命
|
模具类型 |
6w6mo5cr4v 平均寿命（件） |
原用钢种平均寿命（件） |
倍数 |
|
w18cr4v |
cr12mov |
|
正挤凹模 |
70100 |
|
20000 |
3.5 |
|
正挤凸模 |
4100 |
8000～100000 |
|
4.5 |
|
园剪刃 |
220900 |
15000～20000 |
|
10～14 |
|
复合挤凸模 |
60000以上 |
10000以下 |
|
6以上 |
表8-36 国外几种低碳高速钢的化学成分
|
钢 号 |
化 学 成 分 （%） |
|
c |
si |
mn |
cr |
w |
mo |
v |
co |
|
skh2r |
0.65～0.70 |
0.2～0.4 |
0.2～0.4 |
3.8～4.5 |
17.0～19.0 |
－ |
0.8～1.2 |
－ |
|
skh3r |
0.65～0.70 |
0.2～0.4 |
0.2～0.4 |
3.8～4.5 |
17.0～19.0 |
－ |
0.8～1.2 |
4.0～5.0 |
|
mod1 |
0.6～0.7 |
0.2～0.4 |
0.2～0.4 |
3.5～4.5 |
4.0～6.0 |
6.0～7.0 |
1.8～2.3 |
－ |
这些高速钢的共同特点是：skh2r和skh3r比相应的skh2（与我国的w18cr4v相当）和skh3与我国的w18cr4vco5相当）仅仅是含碳量由（0.7～1.8）％降低到（0.65～0.7）％，其它合金元素的含量均未变。而mod1钢与w6mo5cr4v钢相比，则不仅含c量由（0.80～0.90）％降低到（0.6～0.7）％，而且w和mo的含量也略有变化：w含量由（5.50～6.75）％降低到（4.0～6.0）％，mo含量则由（4.50～5.50）％增加到（6.0～7.0）％，这就更有利于提高韧性。据介绍，mod1钢的淬火硬度最高可达hrc63，而韧性为w6mo5cr4v2钢的二倍。
中国国际模具网 为了进一步改善高速钢的韧性，近年来，国外除采用低碳高速钢以减少钢中碳化物的 数量来减轻碳化物的不均匀性以外，还正在研究用粉末加工的方法，制取无偏析的粉末高 速钢，以求从根本上解决高速钢因碳化物分布不均匀而对韧性所造成的不良影响。
中国国际模具网二、超硬高速钢
中国国际模具网 超硬高速钢是为适应加工难以切削的材料，如耐热合金的需要而发展起来的，主要目的是以提高硬度和红硬度，它的特点是综合了高碳高钒高速钢与含钴高速钢的优点。这种钢经淬火和口火后硬度可高达hrc68～70，并且具有高的红硬性与切削性能。典型的超硬高速响美国的 m42（w2mo10cr4vco8）和 m44（w6mocr4v2col2）等。其化学成分特点是高碳（＞1.10%）、高钒（＞2%）加5～10%co。这类钢由于加工困难、抗弯强度低、韧性差。国外用于作挤压模具的不多。
中国国际模具网 我国发展了自己的超硬高速钢，主要类型如表8-36所示。
表8-37 我国发展的超高速钢化学成分
|
|
化 学 成 分 |
|
c |
si |
mn |
cr |
mo |
w |
v |
al |
co |
|
100w6mo5cr4v2al |
1.16 |
0.48 |
0.28 |
3.84 |
5.0 |
6.0 |
1.88 |
1.0～1.2 |
|
|
b 20 2 |
1.6～1.7 |
1.2～1.4 |
≤0.4 |
－ |
5.0～6.0 |
5.5～6.5 |
4.5～5.5 |
nb0.2～0.5 |
b 0.0005～0.003 |
|
5f—5 |
1.4～1.5 |
0.4～0.6 |
0.4～0.6 |
3.8～4.4 |
3.5～4.5 |
9.5～10.5 |
1.8～2.2 |
1.0～0.2 |
0.8～1.2 |
|
5f—6 |
1.4～1.6 |
|
|
3.8～4.4 |
4.5～5.5 |
5.5～7.0 |
1.8～2.2 |
1.0～1.2 |
|
国内发展了加al超硬高速钢，al的作用与co相似，并易形成致密的氧化膜而防止粘刀的作用。这种钢是在 w6mo5cr4v2钢的基础上加all.2％而形成的。其牌号一般写为 cm2al-100w6mo5cr4v2al。中国国际模具网
含铝高速钢在冶炼及锻造上均无特殊困难，可锻性尚好。始锻温度为1100～1150℃，终锻温度为900℃。由于合金元素含量较高，导热性能差，因而需缓慢加热并保持足够的加热时间，保证烧透。停锻温度不宜过低。中国国际模具网
毛坯锻后按图8-48规范进行退火热处理。退火后，一般硬度在hb235～250。
图8-48 100w6mo5cr4v2al钢退火工艺
铝对高速钢的组织和性能的影响机理尚在研究中。含铝高速钢有着优异的切削性能，这是由于铝的加入提高了钢的导热性和弥散了碳化物的粒度，减缓了回火过程中碳化物的聚集和长大速度，因而显著提高了回火稳定性和红硬性。中国国际模具网
相分析结果指出：高速钢中的铝，只有近10％在碳化物相中，余量溶入基体中，由于 铝使高速钢中马氏体开始转变ms的升高十分明显，所以铝高速钢淬火状态下的残余奥氏体量较少。中国国际模具网
含铝高速钢也有不足之处，它在淬火加热中过热倾向大，晶粒容易长大，淬火加热温度较窄，对于100w6mo5cr4v2al通常约为 1220～1240℃，而5f-6为 1230～1240℃，一般温度波动只允许10～20℃，由于钢中含有钼，故氧化脱碳敏感性较强，在退火时这种现象更明显。其次，它在淬火、回火后由于硬度更高，故磨加工性较w18cr4v钢困难。中国国际模具网
超硬高速钢适用制作一些尺寸不大的模具，主要要求有高的耐磨性、而冲击负荷不高的模具，并希望采用强韧性的热处理工艺相配合。如图8-49。中国国际模具网
由图8-49看出，采用二次贝氏体等温淬火工艺，经第一次280～300℃、3小时等温淬火，钢中一部分奥氏体转变为贝氏体，由于等温的缘故致使未转变的奥氏体稳定性增加，其残余奥氏体量较高，反映在硬度值较低，只有iirc53左右，这种现象在高碳含铝高速钢中尤为明显。为降低奥氏体的稳定性，将第一次等温淬火的钢再在560℃回火1小时立即在280～300℃进行第二次等温淬火。这时第一次等温淬火已形成的贝氏体得到回火而使较大部分残余奥氏体又转变成贝氏作，因此钢中贝氏体量增多，其残余奥氏体量减少，钢的硬度升高到hrc60左右。此时钢的组织主要是由贝氏体组成。最后还须经两次560℃回火，使转变的贝氏体及极少量的马氏体又受到回火，最终硬度为hrc64～64.5。对超硬高速钢经二次贝氏体等温淬火后，发挥了高硬度的特点又得到比较好的强韧性配合。
图8-49 cm2al（100w6mo5cr4v2al）钢淬火回火规范
三、基体钢中国国际模具网
高速钢是碳化物含量最多的钢种，淬火温度到1300℃时，也不能完全溶解这些碳化物。高速钢也是硬度和强度最高的钢种，但由于有极硬的过剩碳化物的存在，导致了钢的脆性。因此对冷挤压模具来说，必须减少可成为应力集中破断起源的碳化物数量，以提高韧性，较理想的钢是既有高速钢的强度又有超高强度钢的韧性。中国国际模具网
近几年来，我国开展了对基体钢的大量研究工作，取得了很大的成效。其中适合于作挤压模具的基体钢有：5cr4mo3simnal（简称o12al）、8cr4mo3ni2wv（简称cg-2）、65cr4w3mo2vnb（简称65nb）、7cr7mo3v2si（简称ld1）等四种。这些新钢种的共同特点是在国内外现有基体钢的基础上，重新调整合金元素，用nb、ni人和s、mn等合金元素使之进一步合金化。钢的奥氏体合金化程度高，固溶强化和二次硬化效果显著，具有高的强韧性和耐磨性。经热处理后，具有细小而均匀分布的过剩碳化物，当硬度为hrc62～64时，疲劳强度及韧性均优于高速钢。中国国际模具网
这些新型模具钢的化学成分、锻造工艺、热处理工艺以及机械性能分别列表8-38、表8-39、表8-40中。
表8-38 国内几种新型基体钢的化学成分
|
钢 号 |
化 学 成 分 （%） |
|
c |
si |
mn |
cr |
mo |
w |
v |
s、p |
其它 |
|
cg-2 |
0.55～0.64 |
≤0.4 |
≤0.4 |
3.8～4.3 |
2.8～3.3 |
0.9～1.3 |
0.9～1.3 |
≤0.03 |
ni1.8～2.2 |
|
o12al |
0.47～0.57 |
0.8～1.10 |
0.8～1.1 |
3.8～4.3 |
2.8～3.3 |
－ |
0.9～1.2 |
≤0.03 |
al0.3～0.7 |
|
65nb |
0.6～0.7 |
≤0.35 |
≤0.4 |
3.8～4.4 |
2.0～2.5 |
2.5～3.0 |
0.8～1.1 |
≤0.035 |
nb0.2～0.3 |
|
ld1 |
0.7～0.8 |
0.7～1.2 |
≤0.5 |
6.5～7.0 |
2.0～2.5 |
－ |
1.7～2.2 |
≤0.03 |
－ |
表 8-39 国内几种新型基体钢的锻造温度范围
|
|
加热温度（℃） |
始锻温度（℃） |
终锻温度（℃） |
冷却方式 |
|
cg-2 |
1100～1140 |
1050～1080 |
850～900 |
砂冷≤150℃ |
|
o12al |
1100～1140 |
1050～1080 |
≥850 |
砂冷≤150℃ |
|
65nb |
1120～1150 |
1100 |
850～900 |
砂冷≤150℃ |
|
ld1 |
1120～1130 |
1100 |
≥850 |
砂冷≤150℃ |
表8-40 国内向种新型基体钢的热处理规范
|
钢 种 |
退 火 处 理 |
淬火处理 |
回 火 处 理 |
|
加 热 |
球 化 |
|
|
|
第一次回火 |
第二～三次回火 |
|
|
|
|
|
|
|
冷却方式 |
|
|
冷却方式 |
|
cg-2 |
810 |
2～3 |
660 |
4～6 |
241～270 |
1100 |
18～25 |
540 |
120 |
空 |
540 |
120 |
59～62 |
|
o12al |
860 |
4 |
710～720 |
6 |
200～230 |
1100 |
30 |
510 |
120 |
油 |
540 |
90 |
60～62 |
|
65nb |
860 |
2 |
740 |
5～6 |
183～207 |
1150 |
15 |
540 |
90 |
空 |
540 |
90 |
58～60 |
|
ld1 |
850 |
2～3 |
740 |
4～6 |
210～240 |
1100 |
25 |
540 |
120 |
空 |
540 |
90 |
59～62 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
注：1.退火加热后以30℃/h的速度冷至球化温度。 2.淬火加热前，在800～850℃或500℃及800～850℃进行一次或一至二次预热，预热时间为淬火加热时间的2倍以上，加热后进行油冷。 由这些表可知，cg-2是一种加ni的基体钢，加入ni主要是为了改善钢的韧性，提高热硬性和导热系数，从而提高钢的耐热疲劳性。
表8-41 国内几种新型基体钢的机械性能
|
钢 种 |
|
|
|
|
|
|
cg-2 |
254 |
4940 |
3710 |
132 |
692 |
|
o12al |
259 |
4500 |
3690 |
148.8 |
564 |
|
65nb |
262 |
5320 |
3700 |
77.7 |
608 |
|
ld1 |
365 |
5670 |
3900 |
79.7 |
592 |
o12al是以mo、al代w，同时适当提高si、mn含量的一种基体钢。加入的少量si、mn、al，主要溶入α和γ固溶体；起着固溶强化作用，同时也可以改善钢的韧性。
中国国际模具网 65nb是一种加铌的基体钢。nb在钢中可以形成很稳定的碳化铌质点，加热时易溶解到奥氏体中去，因而可以有效地阻碍晶粒长大。即使nbc质点溶解到奥氏体中去，由于提高了晶界移动所需的激活能，同样也可以阻止奥氏体晶粒长大。因此，这种钢可以有效地细化晶粒，使韧性提高，且还具有很高的抗裂纹扩张能力，即具有较高的断裂韧性。但由于这种钢含c量较低，淬火回火后钢中碳化物数量不多，耐磨性较差。因此，为了提高耐磨性，最好在淬火回火后再进行气体软氮化等表面强化处理。
中国国际模具网 ld1是一种适当提高合金元素cr、si、v含量的基体钢，这些合金元素的添加可以提高奥氏体合金化的程度，起着细化晶粒、固溶强化的作用，从而大大地提高了钢的强韧性。
中国国际模具网 国外对于基体钢的研究做了很多工作，表8-41列出了两种基体钢的化学成分及热处理规范。
中国国际模具网 表中vascomacvm钢是中合金基体钢，其成分与钨钼系高速钢w6co5cr4v2淬火后的基本成分很相近，其韧性较高；而vascomatrixⅱ钢侧是含co量达8％的高合金基体钢，耐磨性较高，适宜作冷挤凸模。
表8-42 国外两种基体钢的化学成分及热处理规范
|
钢 种 |
化 学 成 分 （%） |
热 处 理 规 范 |
|
c |
w |
cr |
mo |
v |
co |
|
|
|
|
vascomacvm |
0.50 |
2.00 |
4.50 |
2.75 |
1.00 |
－ |
816～871 |
1170～1211 |
510～621 |
|
vascomatrixⅱ |
0.55 |
1.00 |
4.00 |
5.00 |
1.00 |
8.00 |
816～871 |
1107～1121 |
510～621 |
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