锻造模具用特殊钢的特性和选择与应用-博天堂备用

1 冷作模具用材

1.1 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。

1.2 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。

1.2.1 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。

1.2.2 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。

（1）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）。

（2）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。

1.3 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）。

2 热作模具

2.1 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。

2.2 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。

2.3 热锻模具用材

2.3.1 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。

2.3.2 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。

2.3.3 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。

2.3.4 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。

2.4 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。