1 冷作模具用材

1.1 冷鍛模具

冷鍛是不用對鍛坯加熱，在常溫下對鍛坯進行鍛造的加工方法。因此，冷鍛可以制造高尺寸精度的產品。但另一方面，由于冷鍛是在常溫下對鍛坯進行成形加工，變形強度高，所以冷鍛用模具的負荷很大。近年來，東南亞新興國家鍛造品產量不斷增加。此外，無切削化的高精度鍛造和形狀復雜鍛件鍛造技術也有了發展。

1.2 冷鍛模具用材

冷作模具主要用材是高速工具鋼。其中包括冷作工具鋼和熱作工具鋼。大批量生產用模具使用超硬合金。鍛造設備輔助部件使用低合金鋼和碳素鋼。

1.2.1 冷鍛模具用材性能比較

超硬合金的壓縮強度高、耐磨性好，但缺點是抗拉強度和韌性很低。反之，機械結構用碳素鋼韌性高但耐磨性差。耐磨性和韌性是互為相反的特性。選擇最佳模具材料是一件很困難的事情。

1.2.2 各種模具用材的特性

1）超硬合金

鍛造工具使用的超硬合金是高Co材料WC-Co，Co含量在10%以上。冷鍛工具應根據需要，合理地區別使用超硬合金和工具鋼。超硬合金和工具鋼的主要特性差別如下。

（1）超硬合金的優點

① 硬度高、耐磨性好；② 壓縮強度高；③ 縱彈性系數是工具鋼的2.5-3.0倍；④熱膨脹系數小（約為工具鋼的1/2）；⑤ 導熱率高（約為工具鋼的3倍）。

（2）工具鋼的優點

① 抗折強度、抗拉強度高（約為超硬合金的2-3倍）；② 韌性好、彈塑性變形量大；③ 被切削性好；

 2）高速工具鋼

冷鍛、溫鍛的工具、模具使用的材料是兼有耐磨性、韌性和耐熱性的高速工具鋼。近年來，使用的主流高速工具鋼是Mo系高速工具鋼SKH51。此外， 也 使用SKH55、SKH57。SKH55、SKH57鋼中為提高耐磨性和耐熱性添加了W、V、Co。

（1）高速工具鋼的耐磨性：基體鋼高速鋼＜SKH51＜SKH55＜SKH57。

（2）高速工具鋼的韌性：SKH57＜SKH55＜SKH51＜基體鋼高速鋼。

（3）高速工具鋼的耐熱性：基體鋼高速鋼＜SKH51＜SKH55＜SKH57。

3）冷作工具鋼

冷鍛模具一般使用SKD11。SKD11含有較多的碳化物，并且成分接近于SKD61，具有實用的耐磨性和韌性。其他冷作工具鋼有SKD12、SKD1等。大型冷鍛模具一般使用冷作工具鋼。與高速工具鋼相比，冷作工具鋼的淬透性、熱處理變形和尺寸變化小。冷作工具鋼用于冷鍛的沖頭和模具。

4）低合金工具鋼

過去小批量生產鍛造品時，鍛造工具使用的是低合金工具鋼SKS2、SKS3、SKS31。應力沖頭用材是：φ30mm以下的小徑沖頭使用SKS2（850℃油冷、60HRC以上），φ30mm以上的大徑沖頭使用SKS3（屈服強度略有不足）。由于低合金工具鋼的熱處理、硬度的局限性，僅將低合金工具鋼用于鍛造設備中不承受大負荷的輔助部件。

1.3 冷鍛模具材料的選定

有時，即使使用高級工具材料也不能提高工具的使用壽命。原因是工具壽命是由設計、生產、技術、模具制作、材料、熱處理等多種因素決定的。為了通過模具材料提高模具壽命，必須知道模具要求的特性，選擇與之相符合的模具材料。

選擇冷鍛模具材料時必須在弄清模具損傷的原因后，選擇材料的硬度和鋼種。而實際模具的受力狀態非常復雜，所以弄清模具損傷現象比較困難。以下是冷鍛模具材料選定的大致標準。

1）特別要求耐磨性的冷鍛模具材料選定標準

鋼中碳化物含量越多、碳化物硬度越高，鋼的硬度越大，模具材料的耐磨性越好。材料耐磨性由差到好的順序是：SK5、SK4→ SKS94、 SKS3→ SKD11、基體鋼高速鋼 →SKD1、SKD51 → SKH55 →SKH57 → 超硬合金。

2）特別要求韌性的冷鍛模具材料選定標準

鋼基體的韌性越大、碳化物越少，模具材料的韌性越好。材料韌性由差到好的順序是：超硬合金 → SKH57 → SKD1→ SKD11 → SKS3 → SKH55→ SKH51→基體鋼高速鋼→SKD61。

3）特別要求抗拉強度的冷鍛模具材料選定標準

選擇硬度高的鋼種可以滿足冷鍛模具對抗拉強度的要求。需要注意的是，雖然材料的抗拉強度與硬度成正比例關系，但硬度過高，抗拉強度會急劇下降。每個鋼種抗拉強度開始急劇下降的硬度是不同的。材料抗拉強度由低到高的順序是：超硬合金→SKD1→SKD11、SKS3→SKH51。

4）特別要求壓縮強度的冷鍛模具材料選定標準

彈性模量越大，材料的臨界壓屈荷載越高。因此碳化物含量多的材料具有高的壓縮強度。壓縮抗拉強度由低到高的順序是：SKS3 → SKD11 →SKH51 → SKD1 → SKH57 →粉末高速鋼→超硬合金。

5） 特別要求疲勞強度的冷鍛模具材料選定標準

強度、韌性匹配良好的材料可以提高模具的疲勞壽命。耐疲勞性由低到高的順序是：SKS3→SKD11→SKH51→基體鋼高速鋼→粉末高速鋼。

6） 大尺寸冷鍛模具材料選定標準

模具大型化，使模具材料的使用受到限制。材料使用不當，會導致模具產生大裂紋。每個鋼種有自己的極限尺寸，超過極限尺寸時，會導致材料的性能下降。Cr、Mn含量少的低合金鋼可使用的尺寸小。模具的尺寸決定了可使用的鋼種。材料的極限使用尺寸由小到大的順序是：SKS3（φ70mm） →SKD1（φ150mm）→粉末高速鋼（φ180mm） →SKH51（φ18 0mm） →SKD1 2（φ250mm）→基體鋼高速鋼、SKD11（φ550mm）。

2 熱作模具

2.1 熱鍛模具用材

熱鍛是對被加熱的鍛坯進行鍛打，施加高壓，使之變形的加工方法。由于熱鍛是對高溫加熱的鍛坯進行成形，所以熱鍛模具的使用壽命較短。冷鍛可以制作高精度、難成形的復雜形狀零部件。而熱鍛鍛件的表面質量和尺寸精度都不太好。因此在制作復雜形狀鍛件時，采用不易產生飛刺和多余材料的密閉鍛造或閉塞鍛造方法，并要進行多次鍛造。

2.2 熱鍛模具的結構和應用

熱鍛錘擊模型鍛造，需要進行多次鍛造才能完成最終鍛件制品。在此過程中會產生坯料多余材料，所以熱鍛錘擊模型中有容納多余材料的部位。在這個部位內多余材料發生塑性變形。

閉塞鍛造是將鍛坯封閉在上下模具的型腔內，利用模具和沖頭使鍛坯向多方向變形，并使坯料充滿模具型腔的鍛造方法。

2.3 熱鍛模具用材

2.3.1 熱鍛模具材料特性比較

熱溫鍛模具要求高溫強度高、熱沖擊性好，韌性可以略低一些。而錘擊鍛造模具要求高韌性、不易產生裂紋的材料，但耐磨性可以略低一些。

2.3.2 溫鍛模具

溫鍛模具用材多為具有耐磨性、韌性和耐熱性的高速鋼SKH51。在鍛造負荷大和對模具進行強力冷卻的情況下，多采用韌性良好、抗熱軟化性強的SKD61、SKD62。在對高溫強度要求更高、耐熱裂性要求更好的情況下，使用SKD6和AISI標準中的H19。

2.3.3 錘擊熱鍛模具

錘擊熱鍛模具與加熱到高溫的鍛坯接觸時間短，模具升溫較小。所以模具材料應具有良好的抗沖擊性和耐磨性。因此，使用高韌性的SKT系材料（調質狀態硬度HB352-415）。使用較多的是SKT系材料代表性牌號SKT4。模具越大，為了提高韌性，要將材料的硬度降低。防止模具發生早期裂紋的經驗性標準是，材料的夏比沖擊值大于30J/cm2。當夏比沖擊值為5-10J/cm2以下時，大型模具容易發生早期裂紋。

2.3.4 熱沖壓鍛造模具

熱沖壓鍛造模具與高溫鍛坯接觸時間長，受到的沖擊小，所以要求高溫硬度足夠大。一般的熱沖壓鍛造模具使用的材料是具有適度高溫硬度、抗開裂性強、淬透性好和熱處理變形小的SKD6、SKD62、SKD61等牌號鋼種。高壽命模具使用SKD7，特別要求高強度、高耐磨性的特殊用途模具使用AISI標準的SKD8、SKD4、SKD5等牌號鋼種。此外，工作溫度很高的模具要使用析出硬化型模具鋼。這種鋼的高溫硬度很大。

2.4 熱鍛模具用材的選定方法

為了通過模具用材提高模具使用壽命，必須了解模具要求的特性，并選擇符合模具特性的材料。熱鍛模具用材大致的選定標準是根據實際模具使用壽命，確定的硬度標準。

1）要求耐磨性的熱鍛模具材料選定標準

材料的硬度越大、高溫強度（硬度）越高，耐磨性越好。材料的耐磨性由小到大的順序是：SKT3、SKT4→SKD6（H11） →SKD61（H13）→SKD62（H12） →SKD7（H10）→SKD4、SKD5（H21）→SKD8（H19）→基體鋼高速鋼→SKH51（M2）→粉末高速鋼。

2） 要求韌性的熱鍛模具材料選定標準

鋼基體的韌性越大、碳化物越少，模具材料的韌性越好。材料韌性由差到好的順序是：SKH51、SKD8（H19）、SKD5（H21）、SKD4→SKD7（H10）→SKD62（H12）→SKD61（H13） →SKD6（H11）→SKT3→SKT4→SKT6。

錘擊鍛造模具承受沖擊負荷，有產生裂紋的可能，所以使用韌性良好的SKT6、SKT4。小型錘擊鍛造模具可使用Ni含量較少的、韌性稍差的SKT3。SKD6、SKD61、SKD62的韌性僅次于SKT材，但具有較高的高溫強度和良好的耐磨性，所以常常用于大型錘擊鍛造模具。

3）要求抗熱裂性的熱鍛模具材料選定標準

具有高硬度、良好韌性和一定的高溫強度的材料抗熱裂性優良。材料抗熱裂性由差到好的順序是：SKT3、SKT4 →SKD6（H11） → SKD61（H13）→ SKD62（H12） → SKD7（H10）→ SKD4 → SKD5 →SKD8（H19）。

模具厚度超過230mm時，常常突然發生大裂紋。采用高韌性、低硬度和高淬透性材料有助于防止大裂紋的發生。材料抗大裂紋性由差到好的順序是：高速鋼→粉末高速鋼→基體鋼高速鋼→SKD8→SKD7→ SKT3、SKT4→SKD62 → SKD61 → SKD6。

4）要求高溫強度的熱鍛模具材料選定標準

材料高溫強度由差到好的順序與抗熱裂性由差到好的順序相同。即，SKT3、SKT4 →SKD6（H11） → SKD61（H13）→ SKD62（H12） → SKD7（H10） → SKD4 → SKD5 →SKD8（H19）。

要求高溫強度和耐磨性略優于SKD61時，可使用SKD62。再提高高溫強度和耐磨性時，要使用SKD7、SKD8。但是SKD7、SKD8的淬透性較差，大型模具不能淬透到模具中心，回火后韌性較差，所以不能用于大型模具。