【模具设计】冲压模具材料的选用

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模具是工业生产的基础工艺装备，被称为“工业之母”。作为国民经济的基础行业，模具涉及机械、汽车、轻工、电子、化工、冶金、建材等各个行业，应用范围十分广泛。从本期开始，庶吉士开设【模具设计】专栏，介绍模具相关知识及案例。

一、模具工作零件常用材料基本特性
目前，用于模具工作零件的材料有普通碳素钢、工具钢、硬质合金以及铸铁、铸钢、锌基合金、低熔点合金、聚氨酯、合成树脂等。其中各种工具钢是模具工作零件的主要材料。材料的种类繁多，使用性能又各有所异，在选用工作零件的材料时，则应根据材料的基本特性和冲件的具体要求和模具的结构特点来作不同的选择。几种常用工作零件材料的基本特性如下表1。

表1 模具工作零件常用材料的基本特性

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二、工作零件材料的选用
工具工作部分材料对模具寿命及冲件的质量影响非常大。对于材料的选用，应根据不同的使用要求，考虑其经济性，并充分利用材料的特性，选择相适应的模具材料。有关模具材料的选择，可按不同的情况来分别考虑。
1、按模具材料的性质选择
模具材料的主要特性和基本性能见下表2及图1.从表格和图可以看出：材料的抗压强度和耐磨性增加，则韧性降低。反之，要使材料的韧性增加，则抗压强度和耐磨性就要有所降低。综合模具的寿命考虑，选择材料的方向应以提高其抗压强度和耐磨性为主，而设法充分利用材料本身的最大韧性（不开裂和不破损能力）

表2 模具钢基本性能比较

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图1 模具材料特性图

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从模具材料的耐用度出发，选择模具工作部分材料的顺序是：碳素工具钢→低合金钢→中合金钢→基体钢→高合金钢→高速钢→钢结硬质合金→硬质合金→细晶粒硬质合金。

2.按模具种类选择模具材料
由于不同冲压工序的受力方式和受力大小差异很大，因此选择模具材料也应有所不同。
一般来说，冲压工序的综合性的受力由小到大的顺序是：弯曲→成形→拉深→冲裁→冷挤压→冷镦。也就是说，弯曲模的材料可以稍差些，而冷挤压模和冷镦模的材料应该是最好。

3、按冲件的产量选择模具材料
如果冲件的产量大，则需选择耐磨性好的模具材料。因此，冲件的产量大小和模具材料的耐磨性也有一定的关系。一般情况下，可参考下表3来选择模具工作部分的材料。

表3 按冲件的产量选择模具材料

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4、按冲件的材料选择模具材料
由于冲件材料的不同，模具承受的拉伸、压缩、弯曲、冲击、疲劳及摩擦等机械力也不同，作用力的大小及方式也不同。因此，对应不同的冲件材料，应选择不同的模具材料。
冲制抗拉强度大、塑性变形抗力大的材料时，应选择较好的模具材料；而当材料软、抗拉强度小的材料冲制时，则可选择稍差一些的材料。见下表4

表4 按冲件材料来选择模具材料

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注：1、本表材料排列由上至下，由次到优，应结合模具种类依次选择
2、当冲压次数超过百万次以上时，应选用钢结合金或硬质合金等材料
3、当模具材料用于拉深模、冷挤压模、冷镦模等易损模具时，模具表面应采用氮化、镀铬、CVD、PVD等深处理来提高耐磨措施。


5、采用新型的模具材料
目前广泛采用的Cr12Mn、Cr12、Cr12MoV等冷作模具钢，由于碳化物容易形成网状和带状分布，往往使其强度和韧性不足，易造成模具的崩裂，且在热处理后，残余奥氏体又不稳定，容易造成变形、开裂及磨削裂纹等问题。为此，近年来各国学者研制出不少新型模具材料，使模具的加工工艺得到改善，模具寿命比原来有明显提高。下表5为采用新旧料制造模具时模具寿命的对比。

表5 采用新旧材料制造模具时模具寿命的对比

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综上所述，选择模具工作部分材料时，不同的冲压条件应选用不同的材料。表6为在一般情况进行冲压时，凸模与凹模材料的选用。表7为工作零件常用材料的热处理要求。

表6 几种常用模具材料使用和加工性能的比较

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表7 冲模工作零件常用材料及热处理要求（GB/T14662-2006）

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三、工艺零件和结构零件材料的选用
模具工艺零件和结构零件等一般零件材料的选用除了考虑零件的作用功能外，还应注意到材料来源的方便性和价格的因素。下表8为常用的一般零件材料。

表8 工艺零件和结构零件材料的选用（GB/T14662-2006）

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三、冷冲模常用材料的力学性能
表9为常用材料的力学性能，表10为常用模具材料的加工性能，在这些材料中，合金元素的成分对模具的性能会引起很大的作用。表11为几种常用的合金元素在模具材料中所产生的效果。在选择新的模具材料时，可根据冲压件的具体要求和加工情况的不同特点选择含有不同成分合金元素的新材料。

表9 材料的许用应力

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表10 常用模具材料的使用和加工性能

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表11 常用合金元素在工具钢中的作用

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