模具加工材料(锻造模具为啥用特钢，有啥特性？)

Posted 2023-05-30

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模具加工材料(锻造模具为啥用特钢，有啥特性？)

一、冷锻模具

冷锻是不用对锻坯加热，在常温下对锻坯进行锻造的加工方法。因此，冷锻可以制造高尺寸精度的产品。但另一方面，由于冷锻是在常温下对锻坯进行成形加工，变形强度高，所以冷锻用模具的负荷很大。近年来，东南亚新兴国家锻造品产量不断增加。此外，无切削化的高精度锻造和形状复杂锻件锻造技术也有了发展。

1、冷锻模具用材

冷作模具主要用材是高速工具钢。其中包括冷作工具钢和热作工具钢。大批量生产用模具使用超硬合金。锻造设备辅助部件使用低合金钢和碳素钢。

（1）、冷锻模具用材性能比较

超硬合金的压缩强度高、耐磨性好，但缺点是抗拉强度和韧性很低。反之，机械结构用碳素钢韧性高但耐磨性差。耐磨性和韧性是互为相反的特性。选择最佳模具材料是一件很困难的事情。

（2）、各种模具用材的特性

1）、超硬合金

锻造工具使用的超硬合金是高Co材料WC-Co，Co含量在10%以上。冷锻工具应根据需要，合理地区别使用超硬合金和工具钢。超硬合金和工具钢的主要特性差别如下。

超硬合金的优点：

①、硬度高、耐磨性好；②、压缩强度高；③ 、纵弹性系数是工具钢的2.5-3.0倍；④、热膨胀系数小（约为工具钢的1/2）；⑤、导热率高（约为工具钢的3倍）。

工具钢的优点：

① 、抗折强度、抗拉强度高（约为超硬合金的2-3倍）；② 、韧性好、弹塑性变形量大；③、被切削性好；

2）、高速工具钢

冷锻、温锻的工具、模具使用的材料是兼有耐磨性、韧性和耐热性的高速工具钢。近年来，使用的主流高速工具钢是Mo系高速工具钢SKH51。此外，也使用SKH55、SKH57。SKH55、SKH57钢中为提高耐磨性和耐热性添加了W、V、Co。

①、高速工具钢的耐磨性：基体钢高速钢＜SKH51＜SKH55＜SKH57。

②、高速工具钢的韧性：SKH57＜SKH55＜SKH51＜基体钢高速钢。

③、高速工具钢的耐热性：基体钢高速钢＜SKH51＜SKH55＜SKH57。

3）、冷作工具钢

冷锻模具一般使用SKD11。SKD11含有较多的碳化物，并且成分接近于SKD61，具有实用的耐磨性和韧性。其他冷作工具钢有SKD12、SKD1等。大型冷锻模具一般使用冷作工具钢。与高速工具钢相比，冷作工具钢的淬透性、热处理变形和尺寸变化小。冷作工具钢用于冷锻的冲头和模具。

4）、低合金工具钢

过去小批量生产锻造品时，锻造工具使用的是低合金工具钢SKS2、SKS3、SKS31。应力冲头用材是：φ30mm以下的小径冲头使用SKS2（850℃油冷、60HRC以上），φ30mm以上的大径冲头使用SKS3（屈服强度略有不足）。由于低合金工具钢的热处理、硬度的局限性，仅将低合金工具钢用于锻造设备中不承受大负荷的辅助部件。

（3）、冷锻模具材料的选定

有时，即使使用高级工具材料也不能提高工具的使用寿命。原因是工具寿命是由设计、生产、技术、模具制作、材料、热处理等多种因素决定的。为了通过模具材料提高模具寿命，必须知道模具要求的特性，选择与之相符合的模具材料。

选择冷锻模具材料时必须在弄清模具损伤的原因后，选择材料的硬度和钢种。而实际模具的受力状态非常复杂，所以弄清模具损伤现象比较困难。以下是冷锻模具材料选定的大致标准。

1）、特别要求耐磨性的冷锻模具材料选定标准

钢中碳化物含量越多、碳化物硬度越高，钢的硬度越大，模具材料的耐磨性越好。材料耐磨性由差到好的顺序是：SK5、SK4→ SKS94、 SKS3→ SKD11、基体钢高速钢 →SKD1、SKD51 → SKH55 →SKH57 → 超硬合金。

2）、特别要求韧性的冷锻模具材料选定标准

钢基体的韧性越大、碳化物越少，模具材料的韧性越好。材料韧性由差到好的顺序是：超硬合金 → SKH57 → SKD1→ SKD11 → SKS3 → SKH55→ SKH51→基体钢高速钢→SKD61。

3）、特别要求抗拉强度的冷锻模具材料选定标准

选择硬度高的钢种可以满足冷锻模具对抗拉强度的要求。需要注意的是，虽然材料的抗拉强度与硬度成正比例关系，但硬度过高，抗拉强度会急剧下降。每个钢种抗拉强度开始急剧下降的硬度是不同的。材料抗拉强度由低到高的顺序是：超硬合金→SKD1→SKD11、SKS3→SKH51。

4）、特别要求压缩强度的冷锻模具材料选定标准

弹性模量越大，材料的临界压屈荷载越高。因此碳化物含量多的材料具有高的压缩强度。压缩抗拉强度由低到高的顺序是：SKS3 → SKD11 →SKH51 → SKD1 → SKH57 →粉末高速钢→超硬合金。

5）、特别要求疲劳强度的冷锻模具材料选定标准

强度、韧性匹配良好的材料可以提高模具的疲劳寿命。耐疲劳性由低到高的顺序是：SKS3→SKD11→SKH51→基体钢高速钢→粉末高速钢。

6）、大尺寸冷锻模具材料选定标准

模具大型化，使模具材料的使用受到限制。材料使用不当，会导致模具产生大裂纹。每个钢种有自己的极限尺寸，超过极限尺寸时，会导致材料的性能下降。Cr、Mn含量少的低合金钢可使用的尺寸小。模具的尺寸决定了可使用的钢种。材料的极限使用尺寸由小到大的顺序是：SKS3（φ70mm） →SKD1（φ150mm）→粉末高速钢（φ180mm） →SKH51（φ18 0mm） →SKD1 2（φ250mm）→基体钢高速钢、SKD11（φ550mm）。

二、热作模具

1、热锻模具用材

热锻是对被加热的锻坯进行锻打，施加高压，使之变形的加工方法。由于热锻是对高温加热的锻坯进行成形，所以热锻模具的使用寿命较短。冷锻可以制作高精度、难成形的复杂形状零部件。而热锻锻件的表面质量和尺寸精度都不太好。因此在制作复杂形状锻件时，采用不易产生飞刺和多余材料的密闭锻造或闭塞锻造方法，并要进行多次锻造。

2、热锻模具的结构和应用

热锻锤击模型锻造，需要进行多次锻造才能完成最终锻件制品。在此过程中会产生坯料多余材料，所以热锻锤击模型中有容纳多余材料的部位。在这个部位内多余材料发生塑性变形。

闭塞锻造是将锻坯封闭在上下模具的型腔内，利用模具和冲头使锻坯向多方向变形，并使坯料充满模具型腔的锻造方法。

3、热锻模具用材

（1）热锻模具材料特性比较

热温锻模具要求高温强度高、热冲击性好，韧性可以略低一些。而锤击锻造模具要求高韧性、不易产生裂纹的材料，但耐磨性可以略低一些。

（2）温锻模具

温锻模具用材多为具有耐磨性、韧性和耐热性的高速钢SKH51。在锻造负荷大和对模具进行强力冷却的情况下，多采用韧性良好、抗热软化性强的SKD61、SKD62。在对高温强度要求更高、耐热裂性要求更好的情况下，使用SKD6和AISI标准中的H19。

（3）锤击热锻模具

锤击热锻模具与加热到高温的锻坯接触时间短，模具升温较小。所以模具材料应具有良好的抗冲击性和耐磨性。因此，使用高韧性的SKT系材料（调质状态硬度HB352-415）。使用较多的是SKT系材料代表性牌号SKT4。模具越大，为了提高韧性，要将材料的硬度降低。防止模具发生早期裂纹的经验性标准是，材料的夏比冲击值大于30J/cm2。当夏比冲击值为5-10J/cm2以下时，大型模具容易发生早期裂纹。

（4）热冲压锻造模具

热冲压锻造模具与高温锻坯接触时间长，受到的冲击小，所以要求高温硬度足够大。一般的热冲压锻造模具使用的材料是具有适度高温硬度、抗开裂性强、淬透性好和热处理变形小的SKD6、SKD62、SKD61等牌号钢种。高寿命模具使用SKD7，特别要求高强度、高耐磨性的特殊用途模具使用AISI标准的SKD8、SKD4、SKD5等牌号钢种。此外，工作温度很高的模具要使用析出硬化型模具钢。这种钢的高温硬度很大。

4、热锻模具用材的选定方法

为了通过模具用材提高模具使用寿命，必须了解模具要求的特性，并选择符合模具特性的材料。热锻模具用材大致的选定标准是根据实际模具使用寿命，确定的硬度标准。

1）、要求耐磨性的热锻模具材料选定标准

材料的硬度越大、高温强度（硬度）越高，耐磨性越好。材料的耐磨性由小到大的顺序是：SKT3、SKT4→SKD6（H11） →SKD61（H13）→SKD62（H12） →SKD7（H10）→SKD4、SKD5（H21）→SKD8（H19）→基体钢高速钢→SKH51（M2）→粉末高速钢。

2）、要求韧性的热锻模具材料选定标准

钢基体的韧性越大、碳化物越少，模具材料的韧性越好。材料韧性由差到好的顺序是：SKH51、SKD8（H19）、SKD5（H21）、SKD4→SKD7（H10）→SKD62（H12）→SKD61（H13） →SKD6（H11）→SKT3→SKT4→SKT6。

锤击锻造模具承受冲击负荷，有产生裂纹的可能，所以使用韧性良好的SKT6、SKT4。小型锤击锻造模具可使用Ni含量较少的、韧性稍差的SKT3。SKD6、SKD61、SKD62的韧性仅次于SKT材，但具有较高的高温强度和良好的耐磨性，所以常常用于大型锤击锻造模具。

3）、要求抗热裂性的热锻模具材料选定标准

具有高硬度、良好韧性和一定的高温强度的材料抗热裂性优良。材料抗热裂性由差到好的顺序是：SKT3、SKT4 →SKD6（H11） → SKD61（H13）→ SKD62（H12） → SKD7（H10）→ SKD4 → SKD5 →SKD8（H19）。

模具厚度超过230mm时，常常突然发生大裂纹。采用高韧性、低硬度和高淬透性材料有助于防止大裂纹的发生。材料抗大裂纹性由差到好的顺序是：高速钢→粉末高速钢→基体钢高速钢→SKD8→SKD7→ SKT3、SKT4→SKD62 → SKD61 → SKD6。

4）、要求高温强度的热锻模具材料选定标准

材料高温强度由差到好的顺序与抗热裂性由差到好的顺序相同。即，SKT3、SKT4 →SKD6（H11） → SKD61（H13）→ SKD62（H12） → SKD7（H10） → SKD4 → SKD5 →SKD8（H19）。

要求高温强度和耐磨性略优于SKD61时，可使用SKD62。再提高高温强度和耐磨性时，要使用SKD7、SKD8。但是SKD7、SKD8的淬透性较差，大型模具不能淬透到模具中心，回火后韧性较差，所以不能用于大型模具。