特种材料的应用

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203页（2814字）

供正挤与反挤用的模具可用水淬的W1和W2工具钢，但使用时通常限于大部分截面都能淬硬或限于在使用中不会因为中心部分硬度低而变形或镦粗。

油淬工具钢 油淬工具钢(特别是O1)用于次要零件，有时用于少批量生产的凸模和凹模。O1钢具有充分的淬透性，几乎在小于50mm的截面上整个厚度都能全部淬硬。因此，当淬火或回火到表面工作硬度HRC58～62时，仅在50mm厚的截面中心处有少量的低硬度。

耐冲击工具钢 硬度为HRC57～60的S1、S4、S5和S7可用来作次要挤压模具，S7是最易莸得的一种，如果S4、S5不能获得的话，它还可以用来代替S4或S5。

A2空冷淬硬工具钢 A2是一种深淬透抗磨的钢材，在经过淬火处理后，外形尺寸的变化最少。除了最高挤压力及大批量生产的场合以外，它是可供冷挤压模具选用的一种工具钢，虽然它较O1略贵，但比较抗磨，特别是在经过氮化以后，抗磨性更好。因A2有高的抗拉强度，它广泛地用于小批量和中批量生产的凸模和凹模，大多数应用于凹模，它在950～980℃淬火并在495～525℃回火，可达到硬度HRC56～58。

高碳高铬工具钢 D2是供正挤和反挤钢或铝件的大型凸模最常用的高碳高铬工具钢。D2还常用来作为挤压或拉伸铝材的凸模，它常用于承受压缩载荷的模具零件，虽然它不常用于正、反冷挤压钢材的模具材料，但它常用来作为拉伸型挤压模具。

D2工具钢通常经两次回火到工作硬度HRC57～59，有时也回火到HRC55，以避免凸模断裂；在损害到凸模寿命使之缩短的条件下，在这种应用场合，可考虑选用A2来代替。D2不推荐采用硬度在HRC60以上，因为这么硬的D2凹模，在高的使用负载下会碎裂。

D3(2．25C，12．0Cr)和D4(2．25C，12．0Cr，1．0Mo)钢在硬度为HRC62～64时，抗磨与抗压性能比D2强。当有利条件超过较大的脆性的不利条件及制造中要增加额外费用时，可以考虑选用这样的材料。有一个工厂报道用D7(2．35C，12．0Cr，1．0Mo4．0V)作凸模，用于大批量生产挤压如图52中1、2、7钢质零件时，取得良好效果。可是，对大批量生产的小凸模，D系列工具钢一般比M2高速钢为差。

高速钢 M2适用于小到中批量生产的小凸模，对大批量生产，当只能用于压力机和用硬质合金却又会断裂时，可用M2作小凸模。HRC64～66的M2凸模常用在中批量生产，在这种场合，挤压力会使M2变形。高碳高矾M4高速钢，经热处理到HRC62～64是供大量生产冷挤压汽车零件的第一选择。以往由于M4很难磨，所以在应用方面受到限制，现在已为新研制的砂轮所克服。不过，如果M4凸模在使用中断裂时，它可用具有同等硬度的M2来代替。T15高速钢常用来作必须承受高挤压力、很大尺寸的凸模。

图54的轮帽是零件图中的一例，这个零件成型时，由一个凸模成型零件的外表面，这样使拉应力全部加在未受支承的凸模上。用经过氮化的M3高速钢制成的这种凸模广泛用于生产，平均寿命达25，000～30，000件。

图54 凹模镶块及三个冷挤压的小型钢零件关于工具材料和工具寿命的论述，见正文

图54中的活塞销也是大量生产的，凸模上受到的压应力大概为1380MPa，在小批量生产时，像W1钢可以用来作为凹模、经氮化处理的M2或M3可用来作为凸模；在大批量生产时，凹模材料可改用A2。不过，在大批量连续生产这种零件时，推荐选用的凹模与凸模材料是硬质合金，每一凸模可增加10～20倍产量(平均为1，000，000件)，由于调换模具而停机的时间可缩减90～95%。

硬质合金 经常用于制作冷挤的凸、凹模的各类硬质合金见表65。在决定选用硬质合金时，一般来说，对生产零件的数量及尺寸公差的要求比考虑模具的尺寸更为重要。

表65 用于冷挤的凸模和凹模镶块最常见的硬质合金

作为特例，估计用硬质合金模具挤压钢零件5(图52)而数量少于100，000件时是不合算的，用硬质合金挤压铝零件5，则需要更大的批量(例如500，000或以上)才合算。

硬质合金除用于冷挤压凹模及凹模镶块以外，多年来曾用于汽车及农机设备以及大量生产工业用小零件的冷挤凸模，典型的零件如轴承盖，活塞提升杆，肘节销，火花塞体。现在大型零件也已经用冷挤压方法生产，其中主要是杯形体，有时就这么用了，有时再把杯形体冲制成衬套；另一倾向于挑选硬质合金就是为了挤压高级合金的需要，因为不论是冷挤压或将毛坯预热到约500℃进行温挤压，都需要很高的成型压力。

对凸模最首要的、最关键的要求是高抗压屈服强度。在反挤大型杯形件时用应变仪测量表明，断面上平均压缩负载在2，300MPa以上。由于该值是整个凸模上的平均值，但因临时性错位，在工作冲程时及冲下去刚与工件材料接触时，力的变化在局部地方可能高出50%。用这种重冲击级硬质合金作凸模，其压缩屈服强度约为经全部硬化工具钢的倍。

另一关键要求便是高刚度或高弹性模数。当凸模的长度与直径比为4∶1，或大于这个比值时，这个特性更为重要，重冲击级硬质合金的弹性模数约为高合金工具钢的倍。

由于冷挤的凸模常伸出在外，在正、反挤压时，会有不平衡力，所以凸模的材料必须具有高抗弯应力。具有高断裂模数或高断裂强度的重冲击级硬质合金可以提供必要的抗弯强度。

此外，由于冷挤压力机的运行速率很高，凸模必须具有良好的耐冲击，以承受与工件相接触点的高冲击。如果它们需要在这种模具的使用过程中承受成千上万次的冲击的话，凸模还需要高的抗疲劳强度。抗疲劳强度与机械的滞后作用成反比，如果挠度相同，重冲击级硬质合金材料的机械滞后大致为钢的八分之一。由于高弹性模数与低挠度的结合，结果使硬质合金的机械滞后优于钢，在模具载荷给定的情况下，它们之比大约为18∶1或20∶1。