《亚洲螺丝与五金》于2013年曾刊登题为“金属镦锻成形的工模具”一文。笔者对镦锻成形各种不同要素组成的镦锻形成工艺，设计了有内、中、外的三个等角三角形，用来说明成形与原材料、工模具、 专用设备三者之间的关系。如右图一。在三角形右侧一边三大要素中是工模具、而影响工模具因素又有应力、结构、材料、寿命。在本篇中只简单介绍了一般情况。时间又过去三年，在工模具方面又有了一定的发展和进步。又有一些新企业建立，又有一些新技术、新材料、新专利涌现。但是国内的综合水平与发达国家比较还有较大差距。据专家估计，就模具水平来讲，在镦锻成形的三大要素中，工模具的水平，比另外两个要素即设备和原材料的差距还要大。

一、 综述

    标准件生产企业中，使用的工模具是整个模具行业的一部分，它的综合水平离不开整个模具行业水平。工模具行业现在是技术、资金密集型行业，它大量采用一系列高新技术。如计算机和网络技术、激光技术、逆行工程和并行工程，快速成形技术及敏捷制造技术，高速加工及超精加工技术等等。

用模具加工产品大大提高了生产效率，而且还具有节约原材料、降低能耗成本、保持产品高度一致性等特点。

工模具生产的特点是单件生产和对特定用户的依赖特性。

据不完全统计，到目前为止，我国模具生产厂点，已近3万多家，从业人员约近60万人。发展是很快的，且一致保持着良好势头。模具企业总体任务饱满，定单充足，模具产值年统计近550亿元，进口模具近18.50亿美元，出口近5亿美元，进出口相抵，应是一个进口量较大的国家。

在全部生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在工模具企业中，产值过亿的企业只有20多家，中型企业几十家，其余都是小型企业，多数还是企业的车间或是小组。

近年来各地政府对模具行业发展有了一定的关注和重视，许多地区建立了模具工业园。外资及社会投资模具产业也显著增加。

我国模具在产量上已有一定规模，但总体上比工业发达国家落后许多。在选用方面，也存在许多急待解决的问题，材料的品种也就几个常用的新材料有的有价无市，有的有牌无货等等许多问题。

国外以德、美、日、法等国家较有代表性，德国有模具企业5仟家，产值近50亿欧元。其中有一定规模企业90家，这90家企业占德国模具产值90％。美国规模企业更多一些，美国模具钢系列和选用方案在上世纪40年代就初步形成。它的冷作模具钢的主系列是高硬冷作类钢，主要用于要求高抗压和耐磨为主的模具，硬度高于60～62HRC，对于耐冲击、韧性高的模具，硬度低于60～62HRC。

我国模具工业差距主要表现如下几方面

总量供不应求，产品结构不够合理，企业组织结构也都不够合理；工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低；技术人才严重不足，经济效益欠佳，企业管理水平落后；专业化、标准化、商品化程度低，协作差等等。

二、 工模具的选用原则

1、 结构的选用

工模具的结构一是根据设备的规格尺寸变化，二是产品几何形状和尺寸变化进行选用，这两方面是受到限制的，没有太大的选用余地。而结构变化较大的就是凹模、冲模、模芯和外套的变化，和硬质合金模芯和工具钢外套之间千变万化。这主要遵循两个选用原则。

一是硬质合金主要用于直接接触工件的部位，将硬质合金作为芯模压入高速钢材材料的外套中，这种结构形式，具有很高的耐磨性和抗冲击性能，提高了设备开动率，降低了成本，使工模具水平上升一个新的台阶。这方面《金属镦锻成形技术》一书作了详细的介绍，有兴趣者可作参考，本文不作赘述。

2、工模具材料的选用

应根据模具加工能力和模具的工作条件，结合模具材料的性能和其它因素，来选择符合要求的模具材料，对于某一类的模具，很多材料从基本性能看，都能符合要求，然而必须根据所制成模具的使用寿命、生产率、模具制造工艺的难易程度及成本高低来做出综合评价。这就必须同时考虑模具材料的使用性能、工艺性能和生产成本等因素。

在选用材料时，通常应综合考虑以下几点：

    1）生产批量

当工件的生产批量很大时，冲头、凹模材料应选取质量高、耐磨性好的模具钢，对于模具的其它工艺结构部分和辅助结构部分的零件要求也应相应的提高。在批量不大时，可考虑降低成本，可适当放宽对材料性能的要求，并不提倡一味追求高成本、高档材料。

2）工件材料

 3）企业条件

应考虑模具材料的冷、热加工性能和工厂的现有条件。

模具材料的选用是一个复杂的问题，在保工艺要求前题下尽量做到节约。

3、根据模具受力情况不同

 

而镦缎成形工艺的模具比拉伸、冷挤压的工作条件更要苛刻，它的凹模除受上述两种工艺相同的压力外，它的冲头，凹模都要承受着被称为多次小冲击，每秒钟多次的冲击，如图四。

下面分别介绍三种工艺模具材料的选用

 

三、 模具材料的选用

1、 拉伸工艺模具材料的选用

目前各线材加工企业中对圆形棒材和线材加工的拉伸模，多用硬质合金模，其使用寿命比较长，经济上、效率上都能跟上下序生产的节奏。一般不影响下序的生产。矛盾不突出，一般企业不存在什么难题。且又是大批量生产，目前使用的硬质合金，不存在进一步选用问题。硬质合金模都是外购的。可以满足生产需要。

1、 冷挤压模具材料的选用

冷挤压工艺近几年在标准件行业应用已很普遍，如螺栓的一次、二次缩经工艺，螺钉的二模三冲工艺，实际都有冷挤压工艺。冷挤压工艺冲头在工作时，要受到很大的压应力的作用，同时还要受到拉应力、弯曲应力及摩擦力的作用。而凹模工作时，要受到很大的摩擦力及切向拉应力的作用，因此，制作冷挤压模具的材料必须具有高的强韧性及良好的耐磨性，要求硬度61-63HRC，硬度过高，模具容易碎裂、掉渣，硬度过低，模具容易磨损，也容易堆塌和变形。由于挤压时，模具受到极大的挤压力，故模具的抗压强度要高，为防止折断，抗弯强度也要高。另外，冷挤压是在整个模具型腔内进行，金属变形过程中，产生的热量很大，模具温度达到300度左右，这就要求模具材料具有较高的高温强度及硬度。由于模具是在冷热交变条件下工作，模具材料也应具有较高的冷热疲劳抗力。

被加工的工件材料各不相同，有铝、铜、低碳钢，也有高碳钢，变形抗力相差很大，故T10A、CrWMn、Cr12、基体钢LD、65Nb、012AI、LM1、LM2，低合金高强韧性钢GD、马氏体时效钢、硬质合金等等。

冷挤压模具材料的选用可参见表1

1、 冷镦工模具材料的选用

   冷墩成形是少无切削先进加工工艺之一，具有生产效率高、节能、节材、提高零件机械强度和精度，适合大批量自动化生产等特点，获得广泛应用。在我国，冷镦成形工艺主要用在紧固件、滚动轴承、磙子链条、汽车零件、军工等行业。

   零件的冷镦成形是在冷镦机上进行的，也就是我们现在所说的螺丝机其中的打头机。冷镦模分为凸模和凹模，工作时，冷镦凸模承受强烈的冲击力、压力、弯曲应力、磨擦力及切向拉应力作用，因此，要求凸模材料应具有高的强韧性、高的抗弯强度及较高的耐磨性；冷镦凹模在工作时要承受冲击性的切向拉应力、强烈的磨擦和压力作用，因此，要求凹模材料必须具备高强度、高硬度、高耐磨性及高的冲击韧度。

（1）       一般载荷冷镦模用钢。

（1）       重载冷镦模用钢。

   重载冷镦模用于生产变形量大，形状较复杂的冷镦件。冷镦件用钢是强度较高的合金钢或中高碳钢，对这类模具通常采用Cr12冷作模具钢、高速钢及新开发研制的冷作模具钢，如O12Al、65Nb、LD、RM2、LM1、LM2和GM等。

（2）       新型冷镦模用钢。

   我国已引进国外钢种或自行开发10余种适合制造冷镦模具的新钢种。这些新钢种的特点是具有较高的淬透性和淬硬性，具有很高的压缩屈服点，较好的耐磨性和韧性，如6W6Mo5Cr4V1(6W6)、6Cr4W3Mo2VNb( 65Nb)、7Cr7Mo2V2Si(LD)、5Cr4Mo3SiMnVA1(012AL)、65W8Cr4VTi(LM1)、65Cr5Mo3WVSiTi(LM2)和9Cr6W3Mo2V2(GM)等。

   冷镦模材料的选用及工作硬度可参考表2

表 2      冷镦模材料的选用举例及工作硬度

模具类型及零件名称			工作 条件	推荐选用的材料牌号		工作硬度/HRC
				中、小批量生产（<10万件）	大量生产 （>20万件）
冷镦凹模	开口模整体模块		轻载荷、小尺寸	T10A，MnSi	T10A，MnSi	表面59~62 心部40~50
			轻载荷、较大寸	CrWMn,GCr15	CrWMn,GCr15	表面>62，心部<55
	闭合模	整体 模块	轻载荷、小尺寸	T10A，MnSi	___	表面59~62 心部40~50
			轻载荷、较大寸	CrWMn,GCr15	___	表面>62，心部<55
		镶嵌模块模芯	重载荷、形状复杂的大、中型模具	Cr6WV,Cr4W2Mov	YG15,YG20 YG25,GT35 GJW50,DT	58~62
				Cr12MoV,Cr5MoV		58~62
				W18Cr4V W6Mo5Cr4V2		>62
				7Gr7Mo3V2Si， 基体钢		58~62
		嵌镶模块模套		42GrMo, 40CrMnMo 4Cr5W2VSi 4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiV1	六角螺母冷镦模T7A，T10A	48~52
					钢球、滚子冷镦模 GCr15,GrWMn

 

 

表2续

模具类型及零件名称	工作条件	推荐选用的材料牌号		工作硬度 /HRC
		中、小批量生产 （<10万件）	大量生产 （>20万件
冷镦冲头 （凸模）	轻载荷、小尺寸	T10A，MnSi	___	58~60
	轻载荷、较大尺寸	CrWMn,GCr15		60~61
	重载荷	Cr6WV, Cr4W2MoV	YG15, YG20 YG25, GT35 GJW50, DT (另附 模套)	56~64
		Cr12MoV, Cr5MoV		56~64
		W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2		63~64
		6W6Mo5Cr4V 7CrSiMnMoV		56~64
		7Cr7Mo3V2Si，基体钢		56~64
切断工具	___	T10A， Cr4W2MoV， Cr12MoV, W6Mo5Cr4V2	___	切断工具 60~62 61~63 64~65	搓滚工具 61~63 60~61 62~64
顶出杆	冲击负荷大， 要求韧性高	6W6Mo5Cr4V2, T7A	___	57~59
	中等冲击负荷， 要求韧性和耐 磨性都好	9CrWMn,CrWMn		<60
	冲击负荷不大但要求高耐磨性	W6Mo5Cr4V2		62~63

 

 

 

4、国内最新工模具材料的选用

国内的工模具工业同工业发达国家有一定的差距，但也不泛有新技术、新工艺的开拓者，他们在改革开放的当代，既是企业家又是技术专家和发明家。沈阳市新高耐磨钢研究所所长就是一个这样的人才。他先后研制了具有国际先进水平并获得国家五项专利的多种新材料，具有代表性的有高硬耐磨强硬性冷作模具钢—SLM—11；耐高温高硬抗磨强韧性热模具钢—SRM—1；熔铸碳化物钢等。用这类模具新钢种制造的工模具价格同普通原钢种相同，使用寿命最少提高一倍，是一种优良的替代钢种，应优先选用。

1)高硬耐磨强韧性冷作模具钢—SLM—11 

SLM-11作冷镦模具有良好的综合机械性能，具有良好的淬透性，韧性热处理变形小，耐热性能好的特点能替代Cr12MoV是冷作模具的首选材料。

   SLM-11冷作模具钢，回火后硬度可达HRc62-63，高于Cr12MoV, 韧性也高于Cr12MoV　２倍左右，Ｃr12MoV线切割时容易裂，SLM-11不易开裂，SLM-11采用高温回火，在实际工作中，模具工作升温不降低硬度和机械性能，使用稳定可靠，一般能比Cr12MoV提高使用寿命2-3倍。

 

 

表3是SLM-11钢与Cr12MoV硬度与韧性的对照。

表3

条件 性能  材质	回火硬度HRc			冲击韧性(10R)kgf﹒m/c㎡
	200℃	400℃	500℃	300℃	400℃	600℃
SLM-11	62	61	63	5.8	4.1	8.5
Cr12MoV	62	57	58	2.4	2.0	2.4

 

 

SLM—11冷作模具钢主要用于制作要求硬度高、韧性好、不易裂的重要工模具，如滚压、滚丝、搓丝板、冲头、成型模等等。

 

2）  耐高温高硬抗磨强韧性热作模具钢—SRM—1

铜、铝、钢制品热挤压、冲压、锻造工模具、在高温、冷热交变，较强压力的苛刻工况下工作。工模具必须具备耐高温、高温硬度高、韧性好、高温强度高，又要具有抗冷热交变，抗高温疲劳的能力，同时热膨胀系数小，上世纪发展起来的3Cr2W8V、H13（4Cr5MoSiV1）已不适应更高的技术要求。

SRM-1具有高温条件下（850-900℃）较高的硬度，强度、韧性和抗热疲劳能力，SRM-1与3Cr2W8V，H13（4Cr5MoSiV1）比较如下：

              SRM-1与3Cr2W8V，H13（4Cr5MoSiV1）高温性能对照

表4

材质	淬回火状态		高温性能N/mm			说明
	回火温度	硬度HRc	400℃	600℃	700℃
SRM-1	550-580℃	56-58	1850	1590	610	SRM-1比3Cr2W8V，H13高温性能高一倍左右，热作模具钢SRM-1最佳
H13	560-580℃	46-49	1080	654	292
3Cr2W8V	600-620℃	42-47	≈900	616	356

  

SRM-1热作模具钢一般制造钢、铜 、铝热挤压工模具较3Cr2W8V，H13能提高使用寿命2-4倍。

  SRM-1热作模具钢综合性能比较好，可以代替3Cr2W8V，H13等常用热作模具SRM-1热作模具钢是目前最好的材料之一，SRM-1热作模具钢主要用作钢，铜，铝制品，型材生产用工模具，如热挤压、冲压、滚压和精密锻造模等。

   SRM-1也可制造韧性较好的冷作模具钢，其特点是韧性好，不易裂。

   SRM-1也可作为代替强韧性的高速工具钢，如制造要求韧性好的刃具，可代替韧性较好的W6Mo5Cr4V2，SRM-1的韧性是W6Mo5Cr4V2的4-5倍。

 

 3）熔铸碳化物钢

碳化物钢是一种具有高强度、高韧性、高硬度、非常抗磨的工模具、工程新材料。碳化物钢既采用熔铸方法生产的钢结硬质合金，解决了原粉末冶金法生产钢结硬质合金易脆裂，大块压不实烧不透等先天性缺陷。

“熔铸碳化物钢生产方法”的发明，解决了高熔点碳化物（WC、TIC等）与比重相差悬殊

的基本成份能够熔铸制成碳化物钢，它集合金钢优良的强度、韧性和硬质合金的硬度和耐磨

性优先优化为一体，取长补短并且成份均匀的一种新型材料。这是世上仅用粉末冶金法生产钢结或硬质合金的唯一方法的突破和创新。

该专利技术已被选到1996年“世界优秀专利、技术精选”中国卷，并被澳门国际爱迪生发明中心评为最高金奖，同时受到许多金属材料专家有识企业工厂和广大用户重视。

熔铸碳化物钢较其他已有钢种，材料致密（密度10.5—11.0g/C㎡）纯度高(S=0.015%),抗弯强度高,(2800—3600N／m㎡)韧性好(8.0-16j／㎜)耐磨性高于普通硬质合金几倍、几十倍，综合性能大幅度提高，使用寿命和原粉末冶金法生产的产品质量与生产工艺又完全不同，这就意味着世界上一个新材料、新类型钢种诞生。

该材料应用极为广泛，可代替合金工具钢、高速工具钢、硬质合金钢和钢结硬质合金钢。使其产品更新换代。

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