冲压成形模材料的选择

出处：按学科分类—工业技术 轻工业出版社《工模具材料应用手册》第143页（3800字）

冲压成形是通过弯曲或适度的延伸，或两者兼有之使薄板金属制成与凹模和凸模的轮廓一致的工艺。合适的冲压成形模材料，要根据那种模具所能生产的零件的数量来决定。影响模具使用寿命的有零件的形状和尺寸、被成形的材料种类和厚度、润滑和允许的尺寸变化的程度。

表41为常用的冲压成形模材料的名义成分。模具材料通常是以尽可能低的成本，而又能达到一定的使用寿命作为选择依据的。但是，最终的选择，往往更注重于使用性能，而把模具寿命和成本上的微小差异放在次要的位置。

表41 常用于成形模的工具材料

模具寿命 磨损决定冲压成形模的使用性能。而由摩擦磨损或粘焊磨损或二者均有而产生的总磨损，则主要受生产批量和成形工序复杂程度的影响。

在成形过程中，模具的磨损量是和薄板金属在模具接触表面间滑过的累积的总距离成正比的。薄的、软的或低强度的薄板金属，成形时压力最低，因此，模具磨损也最少；厚的或中等强度的金属，模具的磨损就较快。模具与工作金属的磨损速率是可以变的，它取决于表面特性，成形速度和所采用的润滑剂。由于局部区域产生变薄，在零件上会形成皱纹，因而在模具上会发生高的局部集中压力，并通常遇到不允许的高的磨损速率和擦伤。

典型的模具材料 成形图35所示零件的模具由凸模和凹模组成。在工序中，凸模把坯料推入凹模，并引起凹模的磨损。由于金属紧紧的贴于凸模上，只有小的滑动，因此，凸模使用寿命可比同样材料的凹模高10倍。但是，在零件的收缩区，凸模的表面会发生一定的磨损，特别是当成形是在单动模里完成时，更是如此。对小的凹模和凸模，因为工具钢的成本是微不足道的，因此，在批量小于10，000时，也可使用D2型工具钢。对易发生擦伤的模具，可进行氮化。图35所示小零件冲压成形用下模的材料如表42所列。

图35 用于中等复杂程度的小零件的模具横剖面、典型的模具材料见表42

表42 用1．3mm薄板成形中等复杂程度小零件用的典型的下模材料

(模具横剖面图和零件形状见图35)

注。(a)模具材料的种类见表41。当在同样的条件给出几种材料时，材料按成本的增加顺序排列，但最终的选择常常取决于使用效果，宁可在模具的成本或性能有微小的差异。成形批量小于10，000件时，推荐用软钢，而且模具可不经热处理；成形批量≥10，000件时，模具应当渗碳淬火。表中4140钢用于小于10，000件的生产时，需经预处理到HRC28～32；批量大于100，000件时，高磨损区推荐采用火焰淬火。

(d)特殊润滑。

(c)软的。

(b)带镶块。

(e)加热的薄板。

(f)应用润滑制造1～100件。

图36零件的模具由凸模，上模和下模组成。若无上模，在收缩法兰处，将产生严重的皱纹。对图35的零件所用的凸模和上模比下模可选用较低抗磨损的材料。这种模具常用工具钢制造(见表43)，凹模是以镶块的形式，装在图36所示的铸铁下模里，凸模是由铸造工具钢如D2制成的。例如，产量在10，000～100，000件时，在最容易磨损处用A2或D2镶块的铸铁模。当这个零件是大量生产又必须保持精密公差时，在各个易受磨损的表面应该用D2工具钢镶块。

图36 用于中等复杂程度大零件的模具横剖面

(典型的零件材料见表43)

表43 用1．3mm薄板成形中等复杂程度大零件用的典型的下模材料

(模具剖视图和零件形状见图36)

注：(a)模具材料种类见表41。当在同样的条件下给出几种可供选用的材料时，按成本的增加顺序排列，但材料的最终选择常常取决于使用效果，宁可在成本或性 能上有微小差异。成形批量小于10，000件时，推荐可用软钢，而且不经热处理：成形批量≥10，000件时，模具应渗碳淬火。表中4140钢在用于批量小于10， 000件的生产时，应预处理到HRC28～32；在批量大于10，000件时，高磨损区采用火焰淬火，

(b)特殊润滑，

(c)软的。

(d)带镶块。

(e)在铸铁模座中用作镶块，

(f)经加热的薄板。

(g)应用润滑制造1～100件。

在冲压成形类似图36所示的大零件时，典型的下模材料如表43所示。在生产数量小于100，000件时，采用表中材料制成的整体模，而不用镶块模。凸模用较低的抗磨损材料制成，即和所需生产数量靠左第一行的下模材料相同。

供制造厚于或薄于例子中1．3mm的薄板零件，或制造复杂程度比图35和图36所示的零件稍难或稍易的零件的下模材料可由表42和表43选择。对于更复杂或更厚的薄板零件，推荐用比实际生产批量更大的下一档生产批量的下模材料(即表中实际生产批量的右栏)。对不太复杂或较薄的薄板零件，推荐用较低生产批量的下模材料(即表中实际生产批量的左栏)。

抗擦伤材料的选择 擦伤是成形金属对模具产生的冷焊，它极大地影响模具所能生产零件的数量。擦伤是由于金属薄板延伸超过规定极限、润滑不足、模具装配不良、光洁度粗糙等原因造成的。因此，一旦发生擦伤时，要首先检查模具配合及成形金属的厚度，确定间隙是否符合要求。如果间隙足够，在更改模具材料前，应首先检验润滑情况。如果模具材料及成形金属在硬度、化学成分和表面特性不类似时，那么，擦伤也不相同。因此，可作如下有效的合并：①成形碳钢及不锈钢可用铝青铜模具：②成形铝及铜合金可用工具钢模具；③成形碳钢、不锈钢和铝可用硬质合金模具。

铝青铜具有很好的抗擦伤能力，因此，用它来制造要求很高光洁度的碳钢或不锈钢零件的模具是称心合意的。然而，在中高批量生产时(10，000～100，000件)应该用镶块，以便于磨损模具的修复。

氮化可减少或防止合金钢或含铬和钼合金工具钢(例如A2或D2)模具的擦伤。但氮化表面，在圆弧半径小于3mm，特别是模具的型腔复杂时，易引起剥落。

硬的镀铬能够克服软钢、合金钢和工具钢模具的擦伤，它常在重载荷下应用。在带有大的局部应力工序时，淬硬的合金钢或工具钢不容易产生塑性屈服和引起镀硬铬层的裂纹。对复杂零件的模具，在圆弧半径小于6mm时，硬铬镀层易于剥落。

对于某些冲压成形工序的模具，选用其它工具钢比选用上述所讨论过材料可能更适合些，例如S1～S5和S7可用作经受冲击的模具的零件；H11和H13可以氮化，用作大的抗磨损的模具及其零件。在冲压成形工序中，比D2和氮化D2有更高的磨损寿命要求时，有必要选用更抗磨的A7、D3、D4或D7钢，或M2、M4、M5等高速钢。如在图317－7PH不锈钢的法兰的例子中，阐述了通过把D2改为更高合金含量的D7和M4钢，可以期望改进模具寿命。虽然韧性也是一个决定的因素，但成本决定了选用的材料是否合适。总成本中包括模具的材料成本、制造成本和中间修理的成本。

图37 模具磨损和模具寿命数据

近年来，粉末冶金(P／M)高合金抗损工具钢的应用，获得了很大的进展，例如热等压成形高密度的P／M高速钢和相同成分的普通铸钢锭钢比较时，极大地改善了制造性能和提高了使用中的韧性。不能用冶炼方法经济地生产的新型材料，可以用P／M来生产。为要求高磨损寿命和良好韧性的模具而特殊设计的空淬冷模钢CPM10V(2．45C、5．0Cr、9．75V、1．25Mo)，就是其中的一种。在CPM10V中，由于高钒碳化物的存在，其耐磨性比任何其它冷作工具钢和最耐磨的高速钢还要更经久耐用，而且还可有效地取代易开裂和剥落的硬质合金。

硬质合金传统地被认为是最抗擦伤、最抗磨损的工具材料，但由于其高的成本和脆性，仅用作重要模具的镶块。硬质合金镶块通常用含有6%的钴粘结剂的碳化钨制成。钴含量高时，可提高抗冲击性能。最近发展的钢结硬质合金，容易加工，可以认定，在取代昂贵的钴结硬质合金中，有更高的经济效益。