A. 常用的冷沖壓模具材料有哪些，各有什麼用途
沖壓模具工作零件材料的要求
沖壓模具工作時要承受沖擊、振動、摩擦、高壓和拉伸、彎扭等負荷，甚至在較高的溫度下工作（如冷擠壓），工作條件復雜，易發生磨損、疲勞、斷裂、變形等現象。因此，對模具工作零件材料的要求比普通零件高。
由於各類沖壓模具的工作條件不同，所以對模具工作零件材料的要求也有所差異。
1.沖裁模材料的要求
對於薄板沖裁模具的工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度，而對厚板沖裁 模除了 要求具有高的耐磨性、抗壓屈服點外，為防止模具斷裂或崩刃 ，還應具有高的斷裂抗力、較高的抗彎強度和韌性。
2. 拉深模材料的要求
要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性（抗咬合性）、高的耐磨性和硬度、一定的強韌性以及較好的切削加工性能，而且熱處理時變形要小。
3. 冷擠壓模材料 的要求
要求模具工作零件有高的強度和硬度、高耐磨性，為避免沖擊折斷，還要求有一定的韌性。由於擠壓時會產生較大的升溫，所以還應具有一定的耐熱疲勞性和熱硬性
11.2.2 沖壓模具材料的種類及特性
製造沖壓模具的材料有鋼材、硬質合金、 鋼結硬質合金、鋅基合金、低熔點合金、鋁青銅、高分子材料等等。目前製造沖壓模具的材料絕大部分以鋼材為主，常用的模具工作部件材料的種類有：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳 高鉻或中 鉻工具鋼、中碳合金鋼、高速鋼、基體鋼以及硬質合金、 鋼結硬質合金 等等。
1. 碳素工具鋼
在模具中應用較多的碳素工具鋼為T8A、T10A等，優點為加工性能好，價格便宜。但淬透性和紅硬性差，熱處理變形大，承載能力較低。
2. 低合金工具鋼
低合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入了適量的合金元素。與碳素工具鋼相比，減少了淬火變形和開裂傾向，提高了鋼的淬透性，耐磨性亦較好。用於製造模具的低合金鋼有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代號CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代號GD)等。
3. 高碳高鉻工具鋼
常用的高碳高鉻工具鋼有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代號D2），它們具有較好的淬透性、淬硬性和耐磨性，熱處理變形很小，為高耐磨微變形模具鋼，承載能力僅次於高速鋼。但碳化物偏析嚴重 ，必須進行反復鐓拔 （軸向鐓、徑向拔）改 鍛，以降低碳化物的不均勻性，提高使用性能。
4. 高碳中鉻工具鋼
用於模具的高碳中鉻工具鋼有Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr5MoV等，它們的含鉻量較低， 共晶碳化物 少，碳化物分布均勻，熱處理變形小，具有良好的淬透性和尺寸穩定性。與碳化物偏析相對較嚴重的高碳高鉻鋼相比，性能有所改善。
5. 高速鋼
高速鋼具有模具鋼中最高的 的 硬度、耐磨性和抗壓強度，承載能力很高。模具中常用的有 W18Cr4V（代號8-4-1）和含鎢量較少的W6Mo5 Cr4V2（代號6-5-4-2，美國牌號為M2）以及為提高韌性開發的 降碳降釩 高速鋼 6W6Mo5 Cr4V（代號6W6或稱低碳M2）。高速鋼也需要改 鍛 ，以改善其碳化物分布 。
6. 基體鋼
在高速鋼的基本成分上添加少量的其它元素，適當增減含碳量，以改善鋼的性能。這樣的鋼種統稱基體鋼。它們不僅有高速鋼的特點，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲勞強度和韌性均優於高速鋼，為高強 韌性冷作模具鋼 ，材料成本卻比高速鋼低。模具中常用的基體鋼有 6Cr4W3Mo2VNb（代號65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代號LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代號012AL）等。
7. 硬質合金和鋼結硬質合金
硬質合金的硬度和耐磨性高於其它任何種類的模具鋼，但抗彎強度和韌性差。用作模具的硬質合金是 鎢鈷類 ，對沖擊性小而耐磨性要求高的模具，可選用 含鈷量較低 的硬質合金。對沖擊性大的模具，可選用 含鈷量較高 的硬質合金。
鋼結硬質合金 是以鐵粉加入少量的合金元素粉末（如鉻、 鉬 、鎢、釩等）做粘合劑，以碳化 鈦或碳化鎢為硬質相 ，用粉末冶金方法燒結而成。鋼結硬質合金 的基體是鋼，克服了硬質合金韌性較差、加工困難的缺點，可以切削、焊接、鍛造和熱處理。 鋼結硬質合金含有大量的碳化物，雖然硬度和耐磨性低於硬質合金，但仍高於其它鋼種，經淬火、回火後硬度可達 68 ~ 73HRC。
11.2.3 沖壓模具材料的選用及熱處理要求
一. 沖裁模具材料的選用及熱處理要求
選用沖裁模具材料應考慮工件生產的批量，若批量不大就沒有必要選擇高壽命的模具材料；還應考慮被沖工件的材質，不同材質適用的模具材料亦有所不同。對於沖裁模具，耐磨性是決定模具壽命的重要因素，鋼材的耐磨性取決於碳化物等硬質點相的狀況和基體的硬度，兩者的硬度越高，碳化物的數量越多，則耐磨性越好。常用沖壓模具鋼材耐磨性 的劣優依次 為碳素工具鋼 — 合金工具鋼 — 基體鋼 — 高碳高鉻鋼 — 高速鋼 — 鋼結 硬質合金 — 硬質合金。
此外還必須考慮工件的厚度、形狀、尺寸大小、精度要求等因素對模具材料選擇的影響。
1.傳統模具用鋼
長期以來，國內薄板沖裁模用鋼為 T10A 、 CrWMn 、9Mn2V、Cr12 和 Cr12MoV 等。
其中 T10A 為碳素工具鋼，有一定強度和韌性。但耐磨性不高，淬火容易變形及開裂，淬透性差，只適用於工件形狀簡單、尺寸小、數量少的沖裁模具。
T10A 碳素工具鋼的熱處理工藝為： 760~810 ℃水或油 淬， 160~180 ℃ 回火，硬度 59~62HRC 。
CrWMn 、 9Mn2V 是高碳低合金鋼種，淬火操作簡便，淬透性優於碳素工具鋼，變形易控制。但耐磨性和韌性仍較低，應用於中等批量、工件形狀較復雜的沖裁模具。 CrWMn 鋼的熱處理工藝為：淬火溫度 820~840 ℃ 油冷 ，回火溫度 200 ℃，硬度 60~62HRC 。 9Mn2V 鋼的熱處理工藝為：淬火溫度 780~820 ℃ 油冷 ，回火溫度 150~200 ℃，空冷，硬度 60~62HRC 。注意 回火溫度在 200~300 ℃范圍有回火脆性和顯著體積膨脹，應予避開。
Cr12 和 Cr12MoV 為高碳高鉻鋼，耐磨性較高，淬火時變形很小，淬透性好，可用於大批量生產的模具，如硅鋼片沖裁模。但該類鋼種存在碳化物不均勻性，易產生碳化物偏析，沖裁時容易出現崩 刃 或斷裂。其中， Cr12 含碳量較高，碳化物分布不均比 Cr12MoV 嚴重，脆性更大一些。
Cr12 型鋼的熱處理工藝選擇取決於模具的使用要求，當模具要求比較小的變形和一定韌性時，可採用低溫淬火、回火（ Cr12 為 950~980 ℃淬火， 150~200 ℃回火； Cr12MoV 為 1020~1050 ℃淬火， 180~200 ℃回火 ）。若要提高模具的使用溫度，改善其淬透性和紅硬性，可採用高溫淬火、回火 （ Cr12 為 1000~1100 ℃淬火， 480~500 ℃回火； Cr12MoV 為 1110~1140 ℃淬火， 500~520 ℃回火 ）。
高鉻鋼在 275~375 ℃區域有回火脆性，應予避免。
2.常用模具新鋼種
為了彌補傳統模具鋼種性能的不足，國內開發或引進了以下性能較好的沖壓模具用鋼：
（ 1 ） Cr12Mo1V1 （代號 D2 ）鋼 為仿美國 ASTM 標准中的 D2 鋼引進 的鋼種，屬 Cr12 型鋼。由於 D2 鋼中 Mo 、 V 含量增加，細化了晶粒，改善了碳化物的分布狀況，因此 D2 鋼的強韌性（沖擊韌度、抗彎強度、撓度）比 Cr12MoV 鋼有所提高，耐磨性和抗回火穩定性也比 Cr12MoV 更高。可用深冷處理，提高硬度並改善尺寸穩定性。用 D2 鋼製作的沖裁模具壽命要高於 Cr12MoV 鋼模具。
D2 鋼的鍛造性能和熱塑成形性比 Cr12MoV 鋼略差，機械加工性能和熱處理工藝與 Cr12 型鋼相似。
（ 2 ） Cr6WV 鋼 為高 耐磨微 變形高碳中鉻鋼，碳、鉻含量均低於 Cr12 型鋼，碳化物的分布狀態較 Cr12MoV 均勻，具有良好的淬透性。熱處理變形小，機械加工性能較好。抗彎強度、沖擊韌度優於 Cr12MoV ， 只是耐磨性略低於 Cr12 型鋼。用於承受較大沖擊力的高硬度、高耐磨板料沖裁模，其效果好於 Cr12 型鋼。
鋼的常用熱處理工藝為：淬火溫度9701 ~ 000℃，一般可熱油或硝鹽分級淬火冷卻，尺寸不大的部件可採取空冷。淬火後應立即回火，回火溫度160210 ~ ℃，硬度 58 ~ 62HRC。
（ 3 ） Cr4W2MoV 鋼 也是高 耐磨微 變形高碳中鉻鋼，替代 Cr12 型鋼而研製的鋼種，碳化物均勻性好，耐磨性高於 Cr12MoV ，適於製作形狀復雜、尺寸精度要求高的沖壓模具，可用於硅鋼片沖裁模。
Cr4W2MoV 鋼的熱處理工藝：要求強度、韌性較高時，採用低溫淬火、低溫回火工藝：淬火溫度 960~980 ℃，回火溫度 280~320 ℃，硬度 60~62HRC 。要求熱硬性和耐磨性較高時，採用高溫淬火、高溫回火工藝：淬火溫度 1020~1040 ℃，回火溫度 50 0~540 ℃，硬度 60~62HRC 。
（ 4 ） 7CrSiMnMoV( 代號 CH-1) 鋼 為 空淬微變形低合金鋼、火焰淬火鋼，可以利用火焰進行局部淬火，淬硬模具刃口部分。淬火溫度（ 800~1000 ℃ ），具有良好的淬透性和 淬硬性 （可達 60 HRC 以上），強度和韌性較高，崩 刃 後能補焊。可代替 CrWMn 、 Cr12MoV 鋼，製作形狀復雜的沖裁模。 CH-1 鋼的推薦熱處理工藝：淬火溫度 900~920 ℃， 油冷 ， 190~200 ℃ 回火 1~3 小時，硬度 58~62 HRC 。
（ 5 ） 6CrNiSiMnMoV( 代號 GD) 鋼 為高韌性低合金鋼，淬透性好，空淬變形小，耐磨性較高。其強韌性顯著高於CrWMn 和 Cr12MoV 鋼，不易崩刃或斷裂。尤其適用於細長、薄片狀 凸模及 大型、形狀復雜、薄壁凸凹模。
GD 鋼的推薦熱處理工藝：淬火溫度 870~930 ℃（ 900 ℃ 最佳 ），鹽浴爐加熱（ 45s/mm ）， 油冷或 空冷、風冷 ， 175~230 ℃ 回火 2 小時，硬度 58~62 HRC 。由於空冷即可淬硬 ，也可採用火焰加熱淬火。
（ 6 ） 9Cr6W3Mo2V2( 代號 GM) 鋼為高耐磨高強 韌 合金鋼，各項工藝性能良好，其耐磨性、強韌性、加工性能均優於 Cr12 型鋼，能夠用於高速壓力機沖壓下的多工位 級進模等 精密模具，是較理想的耐磨、精密沖壓模具用鋼。
GM 鋼的熱處理工藝：淬火溫度 1080~1120 ℃，硬度 64~66HRC 。 回火溫度 540~560 ℃，回火二次。
（ 7 ） Cr8MoWV3Si ( 代號 ER5) 鋼 屬高耐磨高強韌合金鋼，具有較好的電火花加工性能，強度、韌性、耐磨性都優於 Cr12 型鋼，適用於大型精密沖壓模具。用於硅鋼片沖裁模，一次 刃 磨壽命為 21 萬次，總壽命高達 360 萬次，是目前合金鋼沖模沖裁硅鋼片的較高壽命水平。
ER5 鋼的推薦熱處理工藝：對高耐磨性、高強韌性的模具，採用 1150 ℃ 淬火， 520~530 ℃ 回火 3 次； 對重載服役條件下的模具，採用 1120~1130 ℃ 淬火， 550 ℃ 回火 3 次。
3 ．硬質合金及鋼結硬質合金
當工件的批量極大時，可以考慮選用硬度和耐磨性比各類模具鋼種更高的硬質合金 或鋼結硬質合金 。用作模具材料的硬質合金為 鎢鈷類 ，隨著 含鈷量的增加，韌性及抗彎強度提高而硬度降低。對於承受沖擊力較小的模具，可以選用 含鈷量較低 的 YG10X ；承受沖擊力中等或較大的模具，可以選用含鈷量較高 的 YG15 或 YG20 。硬質合金的缺點為韌性較差、難以加工，作為模具的工作部件可以設計為鑲拼結構。 鋼結硬質合金的性能介於硬質合金和高速鋼之間，能夠機械加工和熱處理，可以用於製作復雜的高壽命模具。用作沖裁模 的鋼結硬質合金 有 DT 、 GT35 、 TLMW50 、 GW50 等。
厚板沖裁模具
厚板沖裁模承受的沖壓力高於薄板沖模，為重載沖裁模，易磨損、崩 刃 和斷裂，所以要求模具材料應具有高的耐磨性和強韌性。
傳統模具用鋼傳統的重載沖裁模具鋼種主要有 T8A 、 Cr12MoV 、 W18Cr4V 、
W6Mo5 Cr4V2 等。
其中 T8A 為碳素工具鋼，雖然淬透性、韌性比 T10A 鋼有所改善，但易殘存網狀碳化物、熱硬性差，只能用於工件批量較小的中厚沖裁模。 T8A 工具鋼的熱處理工藝為： 790~820 ℃水或油 淬， 160~180 ℃ 回火，硬度 58~61HRC 。
W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2為高速工具鋼，具有很高的硬度、抗壓強度和耐磨性，但韌性較低，工作時有可能產生崩 刃或斷裂，而且價格較貴。建議採用低溫淬火、快速加溫淬火等工藝措施來改善其韌性。對於工件批量較大的厚板沖裁模，可以用W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2鋼做 凸 模，Cr12MoV 鋼做凹模 。
W18Cr4V 鋼的推薦熱處理工藝： 1220~1250 ℃ 淬火； 550~570 ℃ 回火 3 次。
W6Mo5Cr4V2 鋼的推薦熱處理工藝： 1160~1200 ℃ 淬火 ： 550~570 ℃ 回火 3 次。
3. 常用模具新鋼種
為了克服高速工具鋼的缺點，提高使用壽命，重載沖裁模具可選用 降碳降釩 高速鋼6 W6Mo5 Cr4V（6W6）和以高速鋼成分為基礎，添加少量的其它元素構成的高強韌性模具鋼 — 基體鋼，如 65Nb鋼、LD鋼、012AL鋼、CG-2 鋼等等 。
（ 1）6 W6Mo5 Cr4V (6W6)鋼 為高強韌性高速鋼，由於降低了碳化物的含量和分布均勻性，使其在保持硬度和耐磨性的同時，抗彎強度、沖擊韌性和塑性都有顯著提高，雖然耐磨性略低，仍可用低溫 氮碳共滲提高 表面硬度和耐磨性。其熱處理工藝和高速鋼W6Mo5Cr4V2相似。
（ 2 ） 6Cr4W3Mo2VNb (65Nb) 鋼 65Nb 鋼取自 W6Mo5CrV2 鋼正常 淬火後的基本成分，碳含量比高速鋼低，碳質量 分數 的中限為 0.65% ，故名 65Nb 。各合金元素在鋼中的作用和在高速鋼中相似， 另加入 3% 的 Nb 可形成高穩定性的碳化物 NbC ，能有效阻止奧氏體晶粒長大，改善鋼的力學性能和工藝性能。這種鋼具有較好的耐磨性和較強的高溫韌性，可以代替 Cr12MoV 、 W18Cr4V 鋼，用於重載沖裁模和冷擠壓模、 冷鐓模 。
65Nb 鋼鍛造和退火工藝性能良好，熱處理溫度范圍寬，淬火溫度可以在 1080~1180 ℃，回火溫度在 520~600 ℃之間選擇。當採用比 W6Mo5CrV2 鋼正常 淬火溫度低的溫度淬火後，其組織 為在碳含量 較低的馬氏體基體上均勻 分布有細粒狀未溶碳化物。通過熱處理參數的調整，可以得到不同的強度、韌性、耐磨性配合，以適合不同模具的性能要求。 65Nb 鋼的熱處理工藝： 1080~1180 ℃鹽浴爐加熱（ 15~20s/mm ）油 淬， 520~560 ℃ 回火 2 次，硬度 57~63 HRC 。
（ 3 ） 7Cr7Mo2V2Si (LD) 鋼 LD 鋼含碳、 含鈷量高於 65Nb ，含釩量也較高。 釩可細化 晶粒，提高耐磨性。因此其抗壓、抗彎強度和耐磨性均高於 65Nb 由於具有良好的強韌性和耐磨性，因而適於製造各種重載模具。
LD 鋼的推薦熱處理工藝： 850 ℃預熱， 1100~1150 ℃ 淬火； 油冷後 530~570 ℃ 回火 2~3 次，每次 1~2 小時，硬度 57~63 HRC 。
（ 4 ） 5Cr4Mo3SiMnVAL (012AL) 鋼 012AL 鋼中加入質量分數為 0.3~0.7% 的鋁，目的是為了細化晶粒，提高鋼的沖擊韌性和熱加工塑性，加 Si 則為了強化基體。 012AL 鋼強韌性高，綜合性能好，通用性強，是冷、熱兼用型模具鋼。其抗彎強度及撓度高於 W18Cr4V 高速鋼，代替高速鋼作模具時很少發生折斷現象。可以用作中厚板料沖裁模具和 各類冷 、熱作模具。
012AL 鋼的推薦熱處理工藝： 1090~1120 ℃鹽浴爐加熱（ 30s/mm ）油 淬， 510 ℃ 回火 2 次， 每次油冷 2 小時 ，硬度 60~62 HRC 。
（ 5 ） 6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2) 鋼 CG-2 鋼在成分中加 Ni ，強化了基體，改善了韌性和高溫性能。同時增加 Mo 減少 W ，以降低碳化物的偏析。 CG-2 鋼具有高的強度和強韌性，在熱處理到高硬度時仍能維持良好的韌性，較好地解決了高硬度與韌性的合理配合。但鍛造塑性較差，退火後硬度偏高。亦可用作中厚板料沖裁模具和 各類冷 、熱作模具。
CG-2 鋼的熱處理工藝：淬火溫度 1100~1140 ℃加熱（ 20s/mm ）， 油冷 ， 540 ℃ 回火 2 次，每次 2 小時，空冷，硬度 60~62 HRC 。
二. 拉深模具材料的選用及熱處理要求
表 11.2.1 各種板料適用的 拉深模材料
由於拉深模具的失效主要為粘附磨損和磨粒磨損，並以粘附磨損為主。因此選用的模具材料必須具有較高的耐磨性和抗粘附性能，以及足夠的強度。按被拉深材料 考慮適用的拉 深模材料 可以參考表 11-1 。選用時還應考慮被拉深材料的板料厚度、 拉深件的 尺寸形狀以及生產批量的大小等因素。
（一） 輕載拉深（拉深薄鋼板和 銅、 鋁合金）時的模具材料
生產批量較小時，對於形狀簡單的筒形 淺拉深件 ，可選用 T8 、 T10 鋼； 對於形狀復雜的中小型件，選用 CrWMn 、 9Mn2V 。
中批量生產或生產批量較大時，選用 Cr12MoV 。
生產批量很大時，選用硬質合金 或鋼結硬質合金 。
（二）重載拉深（拉深厚鋼板、反拉深、變薄拉深）時的模具材料
生產批量較小時，可選用 T10 、 CrWMn 。
生產批量較大時，選用 Cr12MoV 以及 GM 鋼。 GM 鋼的強度和韌性高於高速鋼、 Cr12MoV ；抗粘附磨損和磨粒磨損能力明顯優於基體鋼和 Cr12MoV ，在拉 深模方面 已得到較好應用。
生產批量很大時，考慮選用硬質合金 或鋼結硬質合金 。
（三）拉深不銹鋼、 高鎳合金鋼 、耐熱鋼板的模具材料
拉深這類材料時，容易發生粘附和拉毛，首選模具材料為鋁青銅。
生產批量較小時，可選用鋁青銅、 T10A （鍍硬鉻，注意採用鍍硬鉻工藝時鍍層不能太厚，以防拉深時剝落）。
生產批量較大時，選用鋁青銅、 Cr12MoV 、 Cr12Mo1V1 （表面滲氮）。
生產批量很大時，選用硬質合金。
（四）大型 拉深件 、汽車覆蓋件的拉深模具材料
可以選用合金鑄鐵或高強度球墨鑄鐵。球墨鑄鐵能夠浸入潤滑油，組織中的石墨具有自潤滑作用，能有效地減輕拉深中的摩擦，而且成本較低、容易加工。
高強度球墨鑄鐵可以採用雙介質延遲冷卻馬氏體等溫淬火，以獲得較高的強度和韌性，硬度為 55~58 HRC 。先將模具緩慢預熱後再加熱至 880~900 ℃，保溫後先空氣預冷，然後鹽水 淬冷至 550 ℃左右即轉入 油冷，當模溫 降至 250 ℃左右，放入 180~200 ℃的熱油中等溫保持 2~3 小時，再將油溫降至 170 ℃左右等溫 5~7 小時，最後轉入空冷。