目 录
第一章 装配图 .................................................................... 错误！未定义书签。
第二章 工件的服役条件 ...................................................................................... 2
2.1 概念 ......................................................................................................... 2
2.2 冷挤压模具 ........................................................... 错误！未定义书签。
第三章 材料的选取 .............................................................................................. 4
3.1 冷挤压模具材料的选取 ......................................................................... 4
第四章 零件的加工工艺路线 .............................................................................. 6
第五章 热加工过程及分析 .................................................................................. 7
5.1 冷挤压凹模的热处理工艺 ..................................................................... 7
5.2 冷挤压凸模的热处理工艺 ..................................................................... 8
第六章 性能检测方法及分析 ............................................................................ 10
6.1 力学性能检测 ....................................................................................... 10
6.2 成分、组织及微观形貌检验 ............................................................... 10
第七章 结论与建议 ............................................................................................ 14
参考文献 ............................................................................................................. 15
第一章 装配图
图1-1 带导柱导套实心件正挤压模装配图
1—螺杆 2—弹簧垫圈 3—调节螺母 4—拉杆 5—顶杆 6—凸模 7护套
—活动
第二章 工件的服役条件
2.1 概念
冷挤压是在常温下对金属材料进行塑性变形，其单位挤压力相当大，同时由于金属材料的激烈流动所产生的热效应可使模具工作部分温度高达200℃以上，加上剧烈的磨损和反复作用的载荷，模具的工作条件相当恶劣。因此冷挤压模具应具有以下特点：
(1)模具应有足够的强度和刚度，要在冷热交变应力下正常工作；
(2)模具工作部分零件材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性，并有一定的韧性；
(3)凸、凹模几何形状应合理，过渡处尽量用较大的光滑圆弧过渡，避免应力集中；
(4)模具易损部分更换方便，对不同的挤压零件要有互换性和通用性；
(5)为提高模具工作部分强度，凹模一般采用预应力组合凹模，凸模有时也采用组合凸模；
(6)模具工作部分零件与上下模板之间一定要设置厚实的淬硬压力垫板，以扩大承压面积，减小上下模板的单位压力，防止压坏上下模板；
(7)上下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成，应有足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度[1]。
2、失效方式：常因尺寸磨损和表面产生沟槽而报废。常见的失效方式是疲劳破坏，大多数发生在反行程时，冲头上作用着导致断裂的拉伸和弯曲复合应力。回程开始时，冲头处于弯曲状态，因而在其危险截面上弯曲应力继续起作用。此外，为了将冲头从挤压件中拔出还要附加一个力。因此回程时冲头危险截面上承受的是拉应力与弯曲应力之和。这种失效往往发生在台肩处，由于圆角半径太小。经五千至一万件产品冷挤后，应进行去应力热处理。
另一种是所谓的“缝衣针”式裂纹，最终导致冲头破断。这是一种连续发展的裂纹。由于模具材料压缩屈服而致，引起冲头墩粗变短特别是在工件端部。
性能要求：由于冲头反程时的疲劳破坏往往是主要的，因此模具材料应具有尽可能高的弯曲疲劳强度。为了防止冲头墩粗产生“缝衣针”式裂纹，材料必须具有尽可能高的抗压屈服强度和剪切抗力。
热挤压模具
1、工件的服役条件：热挤压模具与冷挤压模具有相似的一面，既承受压缩应力和弯曲应力，脱模时也承受一定的拉应力，但也有不同的一面，由于模具与炽热的毛坯相接触，需要水冷，因而承受冷热应力引起的热疲劳和热冲刷。因此，热挤压冲头在整个工作过程中的受力状况是承受带弯曲的挤压（大压、小拉）交变应力（拉压疲劳），同时也承受一定的多次冲击压缩负荷。另一方面在冷、热应力作用下，冲头又经受热疲劳和冲刷（又称热磨损）。
2、性能要求：要求模具材料有高的强度（拉压疲劳强度和弯曲疲劳强度）、高硬度和高的耐磨性，同时要求有高的抗热烧蚀性（包括高的热疲劳抗力、抗氧化性、热强性）、抗热冲刷能力以及高的淬透性和良好的导热性[2]。
根据设计任务的要求，选择冷挤压模具。
第三章 材料的选取
3.1冷挤压模具材料的选取
冷挤压时，模具型腔中单位挤压力可高达2000～2500MPa，还要经受着极高的摩擦阻力和温度变化，因此冷挤压模具的工作条件是十分恶劣的。合理的选择冷挤压模具的材料比其他模具显得更为重要[3]。
3.1.1 对冷挤压工作零件材料的要求
1）必须具有高强度和高硬度，这样在挤压中可以避免工作零件本身的塑性变形、破坏和磨损。
2）应具有相当高的韧性，可以避免由于冲击、偏心载荷，疲劳应力集中而引起的折断和开裂破坏。
3）应具有较高的耐磨性，使模具具有较高的使用寿命，以保证挤压件的尺寸精度。
4）具有足够的耐热性能。在冷挤压时，模具工件的局部温度可高达300℃左右，有时甚至更高，因此要求材料在这样的高温状态下硬度保持不变。
5）材料必须有良好的加工性能，如在热加工时，锻造性能要好；机加工时要容易进行切削；热处理时，应有较宽的温度区间，变形和热裂倾向小[4]。
3.1.2 冷挤压工件零件选用的材料
1.高合金工具钢 含铬量Wcr为12%的高合金工具钢，是冷挤压模具材料中普遍采用的高碳高铬钢种。Cr12、Cr12Mo和Cr12MoV是经常使用的钢种。该类钢热处理变形小，淬透性好，耐磨性较好，韧性优良，适宜制作冷挤压凹模[5]。不过这类钢的碳化物偏析较为严重，尤其是大尺寸的材料，在制造模具之前要进行改锻，使碳化物分布均匀（1～3级），否则在
使用过程中会严重影响模具的使用寿命，因此比较适宜于作为有预应力圈的内凹模材料，硬度为60～62HRC。
2.高速工具钢 常用的高速工具钢的牌号有W18Cr4V和W6MoCr4V2等。该类钢种具有很高的强度、良好的耐磨性和韧性，尤其是高温硬度高、热硬性极好，抗软化变形能力好，是制造凸模的优良材料。但是高速工具钢的碳化物分布不均匀，这种不均匀性随着钢材截面尺寸的增大而提高，使其力学性能下降。在模具结构允许的前提下，应尽量选用小尺寸的高速工具钢原始棒料来制造模具零件。如果原始棒料钢中碳化物分布不均匀，可采用锻造将其破碎，使碳化物呈细小均匀分布[6]。
表3-1 几种模具钢的机械性能比较
从上述表格中可以看出，高碳高铬钢Cr12MoV和高速工具钢
W18Cr4V的硬度、抗弯强度、抗压强度、冲击韧性和断裂韧性都是比较好的，其综合性能由于其他钢种，因此选用Cr12MoV作为凹模材料和选用W18Cr4V作为凸模材料是可行的。
第四章 零件的加工工艺路线
模具材料为Cr12MoV， 其加工工序路线为:锻造毛坯→860℃×3.5 h+730℃×4 h 炉冷至500℃以下出炉空冷→铣各面→磨基准面→数控铣床预加工型腔→钳工加工各固定孔、线切割工艺孔→热处理→磨削→退磁处理→线切割加工型腔→抛光→检验。
Cr12MoV钢合理的锻造工艺如下： 预热温度：750～850℃；加热温度：1080～1120℃；始锻温度：1050～1100℃；终锻温度：850～900℃；冷却方式：缓冷（坑冷或砂冷）
Cr12MoV钢种其导热性较差，因而在锻造过程中，加热和冷却的速度不宜过快，以免在模具坯料截面上造成温差过大而开裂。要严格控制锻造温度，如果停锻温度过高，引起晶粒长大粗化，发生碳化物聚集，则可能使钢的机械性能降低；而停锻温度过低，则因钢的塑性较差，应力增大，易导致坯料开裂而报废。
为了改善Cr12MoV钢的碳化物分布不均匀性，在锻造过程中务必注意采用正确的方法。一般采用多方向、多次数的反复镦粗与拔长，例如三镦三拔或不少于三镦三拔的锻造方法，还有二轻一重、二均匀的锻造经验。二轻一重是指锻造开始时（1050℃以上范围）轻打，锤击力度要小，在中间温度段（950～1050℃）之间重打，以保证击碎碳化物，950℃以下再度轻打，以防止开裂。所谓的二均匀是指变形均匀、温度均匀。
对于使用性能不同的模具，其锻造后所允许的碳化物分布不均匀性级别也有时不同。一般对冲击韧性和变形要求较高的模具，应控制在3级以下，若对硬度、强度、耐磨性、冲击韧性和变形均要求较高时，其碳化物分布不均匀性级别应严加控制，一般要求在2级以下，对冷挤压模最好控制在1～1.5级。
第五章 热加工过程及分析
5.1 冷挤压凹模的热处理工艺
5.1.1 预处理
Cr12MoV 钢含碳量较高，最常用的预先热处理是球化退火(见图5-
1)。以便获得细小的均匀的球形碳化物分布，但是由于钢材的质量并不是完全理想的组织，有的球化好，有的球化差，当常规球化退火工艺效果不理想时，可采用调质取代。增加一道调质工序效果显著。
5.1.2 球化退火工艺
图5-1 Cr12MoV 钢的球化退火工艺
退火之后其组织为细粒状珠光体和碳化物， 其硬度在255HBS 以下。如果希望进一步降低硬度， 可以补充一次高温回火， 在760～790℃温度范围内保温2～3小时。
图5-2 Cr12MoV 钢高温调质工艺
5.1.3 淬火和回火
由冷挤凹模的工作条件和使用性能可知， 淬火和回火后应具有高的强度和一定的韧性. Cr12MoV 钢采用在1020～ 1030℃加热， 分级淬火的方式， 再在160～ 180℃的温度下进行两次回火。 为防止开裂， 模具表面未冷至室温即进行第一次回火， 第一次回火应冷至室温再进行第二次回火。
经该工艺热处理后， Cr12MoV 模具的淬火硬度为55.5 HRC， 回火硬度为60.8 HRC， 符合60～62 HRC 的设计要求。
图5-3 Cr12MoV模具的热处理工艺
5.2 冷挤压凸模的热处理工艺
W18Cr4V 钢是一类高速钢， 它属钨系高速钢， 这类钢有钨系高速钢的优点， 既有较高的红硬性和耐磨性， 较小的脱碳倾向与过热敏感性， 同时碳化物较细、分布较均匀， 热塑性及韧性较高。 由于它便于机械加工， 通用性强， 使用寿命高， 价格便宜， 因此得到了应用。
表5-1 W18Cr4V
高速钢的化学成分表
W：造成红硬性的主要元素。但是会使钢的导热性变差。
Cr提高淬透性，也增加耐蚀性、切削性能和抗氧化能力。
V细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性。
高速钢的热处理包括机械加工前的球化退火处理和成形后的淬火回火处理。高速钢刀具所要求的硬度、强度、热硬性以及耐磨性是通过正确的淬火和回火获得的。所以淬火、回火工艺的好坏决定了刀具的使用性能和寿命， 这是热处理的关键。
球化退火: 高速钢的塑性、导热性较差， 锻后必须缓冷或立即进行球化退火来消除内应力和不平衡组织， 获得较细小的晶粒便于切削加工， 降低硬度以免开裂， 并为以后淬火提供良好的原始组织。 其球化退火加热温度在820～870℃ 之间， 经2～ 3 小时保温后以20～ 25℃ / h 的速度随炉冷却， 当冷至500～600 ℃后再空冷。
淬火: 高速钢的淬火需经过两次预热再高温淬火。第一次预热温度在600～ 650 ℃之间， 可烘干工件上的水分。 第二次预热温度在800～ 820℃之间。
图5-3 高速钢的热处理工艺规范图
回火: 为了消除淬火应力， 稳定组织， 使残余奥氏体大部分转变达到所需要的性能. 一般要进行三次550～ 570℃的高温回火处理， 三次回火平均每次一小时。在回火过程中， 马氏体和残余奥氏体发生变化。从马氏体和残余奥氏体中析出弥散的合金碳化物， 这样可使钢的硬度明显上升[7]。
第六章 性能检测方法及分析
6.1 力学性能检测
（1）硬度检测
高碳高铬钢C12MoV和高速工具钢W18Cr4V是利用洛氏硬度HRC检测的，HRC是采用150kg载荷和钻石锥压入器，用于硬度较高的材料，其硬度值可由硬度计表盘直接读出，比布氏硬度测量更为简便。
（2）强度检测
高碳高铬钢以及高速工具钢在热处理前后的强度通常在拉伸试验机上通过单轴静拉伸试验测得，通过试验可测定其抗压强度和抗弯强度。
（3）冲击韧性检测
高碳高铬钢和高速钢在热处理后的韧性一般通过在冲击试验机上做冲击试验的方法进行检测，这是一种利用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷能力大小的方法。
6.2 成分、组织及微观形貌检验
模具零件在生产过程中，主要涉及对其化学成分及杂质元素含量、微观组织特征、断口形貌等成分组织特征的检测，可采用的检测仪器包括光学金相显微镜、扫描电子显微镜、XRD衍射仪、透射电子显微镜、EDS能谱仪等。
6.2.1 高速钢W18Cr4V模具的热处理缺陷
（1）过热
由于淬火温度过高等原因，造成晶粒过大，剩余碳化物数量减少，碳化物出现粘连、拖尾、角状或沿晶界呈网状分布的现象称为过热。
（2）过烧
淬火温度接近钢的熔化温度，晶界熔化，出现莱氏体及黑色组织，称为过烧。过烧的刃具，常常出现严重的变形或皱皮现象，这种缺陷是不可挽救。
（3）脱碳
表面脱碳使工具的硬度降低，金相组织中出现明显的铁素体，在其基体上还有碳化物存在。
6.2.2热处理的组织缺陷
（1）奥氏体晶粒粗大
钢奥氏体晶粒定为13 级，1 级最粗，13 级最细。1～3 级为粗晶粒，4～6 级为中等晶粒，7～9级为细晶粒，10～13 级为超细晶粒。晶粒愈细，钢的强韧性愈佳，淬火易得到隐晶马氏体;晶粒愈粗，钢的强韧性愈差，淬火易得到脆性大的粗马氏体。实践证明，奥氏体形成后，随着温度升高和长时间保温，奥氏体晶粒急剧长大。当加热温度一定时，快速加热奥氏体晶粒细小;慢速加热，奥氏体晶粒粗大。奥氏体晶粒随钢中W、Mo 、V 元素增加而细化，随钢中C、Mn 元素增加而增大。钢最终淬火前未经预处理，奥氏体晶粒愈粗化，淬火得粗马氏体，强韧性低，脆性大。仪表跑温，晶粒粗化，降低晶粒之间结合力，恶化力学性能。
对策：合理选择加热温度和保温时间。加热温度过低，起始晶粒大，相转变缓慢;加热度过高，起始晶粒细，长大倾向大，得到粗大奥氏体晶粒。加热温度应按钢的临界温度确定，严格仪表精密控温，保温时间按加热设备确定。合理选择加热速度，根据过热度对奥氏体形核率和长大速率影响规律，采用快速加热和瞬时加热方法细化奥氏体晶粒，如铅浴加热、盐浴加热、高频加热、循环加热、真空加热和激光加热等。最终淬火前预处理细化奥氏体晶粒，如正火、退火、调质处理等。选用细晶粒钢、电渣重熔钢、真空精炼钢制造模具等措施。
（2）残余奥氏体过量
钢件淬火冷却时过冷奥氏体转变成淬火马氏体， 过冷奥氏体不能100 %转变为淬火马氏体，未完全转变的过冷奥氏体为残余奥氏体。淬火马氏体经不同温度回火后转变为不同回火组织， 达到所需组织性能。残余奥氏体在回火过程中可部分转变为马氏体， 但因材料和工艺不同， 残余奥氏体可多可少保留在使用状态中。保留少量残余奥氏体有利增加钢的强韧性、松驰残余应力、延缓裂纹扩展、减少变形等。但残余奥氏体过量将降低钢的硬度、耐磨性、疲劳强度、屈服强度、弹性极限和引起组织不稳定， 导致服役时发生尺寸变化等不利因素。因此， 钢中残余奥氏体不宜过量。
对策：按照模具服役条件，合理选择淬火加热温度，因模具钢含有大量降低马氏体点(Ms) 的合金元素，过高淬火加热温度会使钢中碳和合金元素大量溶入高温奥氏体中，奥氏体合金化程度高，增加奥氏体稳定性，使过冷奥氏体不易发生马氏体相变，有较多残余奥氏体保留在淬火组织中，因此，淬火加热温度应适中。分级淬火和等温淬火保留较多残余奥氏体，因此，采用中温预回火和多次高温回火，促使在高温回火冷却过程中残余奥氏体发生马氏体转变。其次，淬火后经短时低温回火后进行- 60 ℃～120 ℃零下冷处理，实质是淬火的继续，促使残余奥氏体较充分转变为马氏体，温度越低，转变量愈多。依据产品结构和模具特点采取不同方式按需控制残余奥氏体量，获得满意组织性能。
（3） 碳化物不均匀度大
碳化物硬而脆，是脆性相，它的大小、形状和分布直接影响钢的性能，对模具性能影响特大。碳化物不均匀分布，增加钢的过热敏感性。因碳和合金元素富集，降低碳化物堆集处熔点，造成碳化物堆集处过热、过烧、晶粒粗大和导致淬火组织粗化引起应力集中，成为裂纹源，导致淬
裂。碳化物不均匀分布，引起淬火晶粒粗细大小不均，因碳化物聚集处有大量未溶解碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，则晶粒细;非碳化物堆集处未溶解碳化物数量少，则无法阻碍奥氏体晶粒长大，此处晶粒粗大。碳化物不均匀分布对基体起切割作用，破坏了金属基体连续性，使钢的力学性能有明显各向异性。在碳化物堆集处周围的奥氏体淬火加热时溶解较多的碳化物和合金元素，使该处马氏体转变开始点(Ms) 降低，为此，增加残余奥氏体量并易发生稳定化作用，不易通过回火使残余奥氏体转变为马氏体，造成回火不足。而碳化物堆集处附近晶粒粗大，降低机械强度，导致该处理组织应力增大，易使堆集处碳化物剥落，造成模具早期失效。
对策：采用扩散退火、高温正火和锻热调质固溶预处理，使碳化物溶解于奥氏体中，达到再处理时重新呈细小、弥散析出而细化。对具有难溶解块状、大颗粒状、带状、网状和堆集状级别大的碳化物原材料进行改锻，击碎和细化碳化物，经四镦四拔双十字形镦拔锻造，使合金碳化物形貌发生质的飞跃，使之≤3 级，呈细、小、匀分布于钢基体并形成沿模具轮廓合理的纤维组织排列，改善显微组织，细化晶粒，增加整体性能，尤其是心部横向性能、刚性，降低过热敏感性，大幅度提高模具使用寿命。
第七章 结论与建议
综上所述， 显然不同的热处理工艺对Cr12MoV 钢试样的残余奥氏体量、硬度、尺寸变化率的影响是很大的，只有熟悉与掌握它们之间的关系，才能在实际生产中根据模具的技术要求、使用条件与环境要求，正确地选择好适宜的热处理工艺。现将实际生产中Cr12MoV 钢制模具合适的热处理工艺的选择与应用总结如下:
（1）当模具只要求高硬度、高耐磨的性能时，可采用1 030℃油淬+180～200℃回火。
（2）当模具只要求硬度HRC58～62 或硬度在此区间内且还需回火后模具的尺寸要比其淬火状态小时，可采用1030℃油淬+200～300℃回火。
（3）当一些精密的、复杂的模具要求高硬度的同时还要变形量最小，此时则应当选用1030℃油淬+500～520℃回火一次。
（4）当模具需用二次硬化时则应当选用：1130℃油淬+520～560℃回火且520℃回火2～3次或560℃回火1 次即可。
（5）球化预处理效果不佳时， 可增加一道调质工序， 效果显著。
（6）较低温度淬火， 并用贝氏体处理， 模具使用寿命提高一倍。
参考文献
[1]洪慎章.冷挤压实用技术[M].北京：机械工业出版社，2004，1
[2]王孝培主编.冲压设计资料[M].北京：机械工业出版社，1983，20
[3]杨长顺主编.冷挤压模具设计[M].北京：国防工业出版社，1994，63
[4]第四机械工业部标准化研究所编.冷压冲模设计[M].北京：第四机械工业部标准化研究出版，1981，20-27
[5]章守华主编.合金钢[M].北京：冶金工业出版社，1980，72
[6]肖纪美.高速钢的金属学问题[J].北京：冶金工业出版社，1976，96
[7] 王英杰，金升.金属材料及热处理[M]. 北京：机械工业出版社，2007 ，86
目 录
第一章 装配图 .................................................................... 错误！未定义书签。
第二章 工件的服役条件 ...................................................................................... 2
2.1 概念 ......................................................................................................... 2
2.2 冷挤压模具 ........................................................... 错误！未定义书签。
第三章 材料的选取 .............................................................................................. 4
3.1 冷挤压模具材料的选取 ......................................................................... 4
第四章 零件的加工工艺路线 .............................................................................. 6
第五章 热加工过程及分析 .................................................................................. 7
5.1 冷挤压凹模的热处理工艺 ..................................................................... 7
5.2 冷挤压凸模的热处理工艺 ..................................................................... 8
第六章 性能检测方法及分析 ............................................................................ 10
6.1 力学性能检测 ....................................................................................... 10
6.2 成分、组织及微观形貌检验 ............................................................... 10
第七章 结论与建议 ............................................................................................ 14
参考文献 ............................................................................................................. 15
第一章 装配图
图1-1 带导柱导套实心件正挤压模装配图
1—螺杆 2—弹簧垫圈 3—调节螺母 4—拉杆 5—顶杆 6—凸模 7护套
—活动
第二章 工件的服役条件
2.1 概念
冷挤压是在常温下对金属材料进行塑性变形，其单位挤压力相当大，同时由于金属材料的激烈流动所产生的热效应可使模具工作部分温度高达200℃以上，加上剧烈的磨损和反复作用的载荷，模具的工作条件相当恶劣。因此冷挤压模具应具有以下特点：
(1)模具应有足够的强度和刚度，要在冷热交变应力下正常工作；
(2)模具工作部分零件材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性，并有一定的韧性；
(3)凸、凹模几何形状应合理，过渡处尽量用较大的光滑圆弧过渡，避免应力集中；
(4)模具易损部分更换方便，对不同的挤压零件要有互换性和通用性；
(5)为提高模具工作部分强度，凹模一般采用预应力组合凹模，凸模有时也采用组合凸模；
(6)模具工作部分零件与上下模板之间一定要设置厚实的淬硬压力垫板，以扩大承压面积，减小上下模板的单位压力，防止压坏上下模板；
(7)上下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成，应有足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度[1]。
2、失效方式：常因尺寸磨损和表面产生沟槽而报废。常见的失效方式是疲劳破坏，大多数发生在反行程时，冲头上作用着导致断裂的拉伸和弯曲复合应力。回程开始时，冲头处于弯曲状态，因而在其危险截面上弯曲应力继续起作用。此外，为了将冲头从挤压件中拔出还要附加一个力。因此回程时冲头危险截面上承受的是拉应力与弯曲应力之和。这种失效往往发生在台肩处，由于圆角半径太小。经五千至一万件产品冷挤后，应进行去应力热处理。
另一种是所谓的“缝衣针”式裂纹，最终导致冲头破断。这是一种连续发展的裂纹。由于模具材料压缩屈服而致，引起冲头墩粗变短特别是在工件端部。
性能要求：由于冲头反程时的疲劳破坏往往是主要的，因此模具材料应具有尽可能高的弯曲疲劳强度。为了防止冲头墩粗产生“缝衣针”式裂纹，材料必须具有尽可能高的抗压屈服强度和剪切抗力。
热挤压模具
1、工件的服役条件：热挤压模具与冷挤压模具有相似的一面，既承受压缩应力和弯曲应力，脱模时也承受一定的拉应力，但也有不同的一面，由于模具与炽热的毛坯相接触，需要水冷，因而承受冷热应力引起的热疲劳和热冲刷。因此，热挤压冲头在整个工作过程中的受力状况是承受带弯曲的挤压（大压、小拉）交变应力（拉压疲劳），同时也承受一定的多次冲击压缩负荷。另一方面在冷、热应力作用下，冲头又经受热疲劳和冲刷（又称热磨损）。
2、性能要求：要求模具材料有高的强度（拉压疲劳强度和弯曲疲劳强度）、高硬度和高的耐磨性，同时要求有高的抗热烧蚀性（包括高的热疲劳抗力、抗氧化性、热强性）、抗热冲刷能力以及高的淬透性和良好的导热性[2]。
根据设计任务的要求，选择冷挤压模具。
第三章 材料的选取
3.1冷挤压模具材料的选取
冷挤压时，模具型腔中单位挤压力可高达2000～2500MPa，还要经受着极高的摩擦阻力和温度变化，因此冷挤压模具的工作条件是十分恶劣的。合理的选择冷挤压模具的材料比其他模具显得更为重要[3]。
3.1.1 对冷挤压工作零件材料的要求
1）必须具有高强度和高硬度，这样在挤压中可以避免工作零件本身的塑性变形、破坏和磨损。
2）应具有相当高的韧性，可以避免由于冲击、偏心载荷，疲劳应力集中而引起的折断和开裂破坏。
3）应具有较高的耐磨性，使模具具有较高的使用寿命，以保证挤压件的尺寸精度。
4）具有足够的耐热性能。在冷挤压时，模具工件的局部温度可高达300℃左右，有时甚至更高，因此要求材料在这样的高温状态下硬度保持不变。
5）材料必须有良好的加工性能，如在热加工时，锻造性能要好；机加工时要容易进行切削；热处理时，应有较宽的温度区间，变形和热裂倾向小[4]。
3.1.2 冷挤压工件零件选用的材料
1.高合金工具钢 含铬量Wcr为12%的高合金工具钢，是冷挤压模具材料中普遍采用的高碳高铬钢种。Cr12、Cr12Mo和Cr12MoV是经常使用的钢种。该类钢热处理变形小，淬透性好，耐磨性较好，韧性优良，适宜制作冷挤压凹模[5]。不过这类钢的碳化物偏析较为严重，尤其是大尺寸的材料，在制造模具之前要进行改锻，使碳化物分布均匀（1～3级），否则在
使用过程中会严重影响模具的使用寿命，因此比较适宜于作为有预应力圈的内凹模材料，硬度为60～62HRC。
2.高速工具钢 常用的高速工具钢的牌号有W18Cr4V和W6MoCr4V2等。该类钢种具有很高的强度、良好的耐磨性和韧性，尤其是高温硬度高、热硬性极好，抗软化变形能力好，是制造凸模的优良材料。但是高速工具钢的碳化物分布不均匀，这种不均匀性随着钢材截面尺寸的增大而提高，使其力学性能下降。在模具结构允许的前提下，应尽量选用小尺寸的高速工具钢原始棒料来制造模具零件。如果原始棒料钢中碳化物分布不均匀，可采用锻造将其破碎，使碳化物呈细小均匀分布[6]。
表3-1 几种模具钢的机械性能比较
从上述表格中可以看出，高碳高铬钢Cr12MoV和高速工具钢
W18Cr4V的硬度、抗弯强度、抗压强度、冲击韧性和断裂韧性都是比较好的，其综合性能由于其他钢种，因此选用Cr12MoV作为凹模材料和选用W18Cr4V作为凸模材料是可行的。
第四章 零件的加工工艺路线
模具材料为Cr12MoV， 其加工工序路线为:锻造毛坯→860℃×3.5 h+730℃×4 h 炉冷至500℃以下出炉空冷→铣各面→磨基准面→数控铣床预加工型腔→钳工加工各固定孔、线切割工艺孔→热处理→磨削→退磁处理→线切割加工型腔→抛光→检验。
Cr12MoV钢合理的锻造工艺如下： 预热温度：750～850℃；加热温度：1080～1120℃；始锻温度：1050～1100℃；终锻温度：850～900℃；冷却方式：缓冷（坑冷或砂冷）
Cr12MoV钢种其导热性较差，因而在锻造过程中，加热和冷却的速度不宜过快，以免在模具坯料截面上造成温差过大而开裂。要严格控制锻造温度，如果停锻温度过高，引起晶粒长大粗化，发生碳化物聚集，则可能使钢的机械性能降低；而停锻温度过低，则因钢的塑性较差，应力增大，易导致坯料开裂而报废。
为了改善Cr12MoV钢的碳化物分布不均匀性，在锻造过程中务必注意采用正确的方法。一般采用多方向、多次数的反复镦粗与拔长，例如三镦三拔或不少于三镦三拔的锻造方法，还有二轻一重、二均匀的锻造经验。二轻一重是指锻造开始时（1050℃以上范围）轻打，锤击力度要小，在中间温度段（950～1050℃）之间重打，以保证击碎碳化物，950℃以下再度轻打，以防止开裂。所谓的二均匀是指变形均匀、温度均匀。
对于使用性能不同的模具，其锻造后所允许的碳化物分布不均匀性级别也有时不同。一般对冲击韧性和变形要求较高的模具，应控制在3级以下，若对硬度、强度、耐磨性、冲击韧性和变形均要求较高时，其碳化物分布不均匀性级别应严加控制，一般要求在2级以下，对冷挤压模最好控制在1～1.5级。
第五章 热加工过程及分析
5.1 冷挤压凹模的热处理工艺
5.1.1 预处理
Cr12MoV 钢含碳量较高，最常用的预先热处理是球化退火(见图5-
1)。以便获得细小的均匀的球形碳化物分布，但是由于钢材的质量并不是完全理想的组织，有的球化好，有的球化差，当常规球化退火工艺效果不理想时，可采用调质取代。增加一道调质工序效果显著。
5.1.2 球化退火工艺
图5-1 Cr12MoV 钢的球化退火工艺
退火之后其组织为细粒状珠光体和碳化物， 其硬度在255HBS 以下。如果希望进一步降低硬度， 可以补充一次高温回火， 在760～790℃温度范围内保温2～3小时。
图5-2 Cr12MoV 钢高温调质工艺
5.1.3 淬火和回火
由冷挤凹模的工作条件和使用性能可知， 淬火和回火后应具有高的强度和一定的韧性. Cr12MoV 钢采用在1020～ 1030℃加热， 分级淬火的方式， 再在160～ 180℃的温度下进行两次回火。 为防止开裂， 模具表面未冷至室温即进行第一次回火， 第一次回火应冷至室温再进行第二次回火。
经该工艺热处理后， Cr12MoV 模具的淬火硬度为55.5 HRC， 回火硬度为60.8 HRC， 符合60～62 HRC 的设计要求。
图5-3 Cr12MoV模具的热处理工艺
5.2 冷挤压凸模的热处理工艺
W18Cr4V 钢是一类高速钢， 它属钨系高速钢， 这类钢有钨系高速钢的优点， 既有较高的红硬性和耐磨性， 较小的脱碳倾向与过热敏感性， 同时碳化物较细、分布较均匀， 热塑性及韧性较高。 由于它便于机械加工， 通用性强， 使用寿命高， 价格便宜， 因此得到了应用。
表5-1 W18Cr4V
高速钢的化学成分表
W：造成红硬性的主要元素。但是会使钢的导热性变差。
Cr提高淬透性，也增加耐蚀性、切削性能和抗氧化能力。
V细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性。
高速钢的热处理包括机械加工前的球化退火处理和成形后的淬火回火处理。高速钢刀具所要求的硬度、强度、热硬性以及耐磨性是通过正确的淬火和回火获得的。所以淬火、回火工艺的好坏决定了刀具的使用性能和寿命， 这是热处理的关键。
球化退火: 高速钢的塑性、导热性较差， 锻后必须缓冷或立即进行球化退火来消除内应力和不平衡组织， 获得较细小的晶粒便于切削加工， 降低硬度以免开裂， 并为以后淬火提供良好的原始组织。 其球化退火加热温度在820～870℃ 之间， 经2～ 3 小时保温后以20～ 25℃ / h 的速度随炉冷却， 当冷至500～600 ℃后再空冷。
淬火: 高速钢的淬火需经过两次预热再高温淬火。第一次预热温度在600～ 650 ℃之间， 可烘干工件上的水分。 第二次预热温度在800～ 820℃之间。
图5-3 高速钢的热处理工艺规范图
回火: 为了消除淬火应力， 稳定组织， 使残余奥氏体大部分转变达到所需要的性能. 一般要进行三次550～ 570℃的高温回火处理， 三次回火平均每次一小时。在回火过程中， 马氏体和残余奥氏体发生变化。从马氏体和残余奥氏体中析出弥散的合金碳化物， 这样可使钢的硬度明显上升[7]。
第六章 性能检测方法及分析
6.1 力学性能检测
（1）硬度检测
高碳高铬钢C12MoV和高速工具钢W18Cr4V是利用洛氏硬度HRC检测的，HRC是采用150kg载荷和钻石锥压入器，用于硬度较高的材料，其硬度值可由硬度计表盘直接读出，比布氏硬度测量更为简便。
（2）强度检测
高碳高铬钢以及高速工具钢在热处理前后的强度通常在拉伸试验机上通过单轴静拉伸试验测得，通过试验可测定其抗压强度和抗弯强度。
（3）冲击韧性检测
高碳高铬钢和高速钢在热处理后的韧性一般通过在冲击试验机上做冲击试验的方法进行检测，这是一种利用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷能力大小的方法。
6.2 成分、组织及微观形貌检验
模具零件在生产过程中，主要涉及对其化学成分及杂质元素含量、微观组织特征、断口形貌等成分组织特征的检测，可采用的检测仪器包括光学金相显微镜、扫描电子显微镜、XRD衍射仪、透射电子显微镜、EDS能谱仪等。
6.2.1 高速钢W18Cr4V模具的热处理缺陷
（1）过热
由于淬火温度过高等原因，造成晶粒过大，剩余碳化物数量减少，碳化物出现粘连、拖尾、角状或沿晶界呈网状分布的现象称为过热。
（2）过烧
淬火温度接近钢的熔化温度，晶界熔化，出现莱氏体及黑色组织，称为过烧。过烧的刃具，常常出现严重的变形或皱皮现象，这种缺陷是不可挽救。
（3）脱碳
表面脱碳使工具的硬度降低，金相组织中出现明显的铁素体，在其基体上还有碳化物存在。
6.2.2热处理的组织缺陷
（1）奥氏体晶粒粗大
钢奥氏体晶粒定为13 级，1 级最粗，13 级最细。1～3 级为粗晶粒，4～6 级为中等晶粒，7～9级为细晶粒，10～13 级为超细晶粒。晶粒愈细，钢的强韧性愈佳，淬火易得到隐晶马氏体;晶粒愈粗，钢的强韧性愈差，淬火易得到脆性大的粗马氏体。实践证明，奥氏体形成后，随着温度升高和长时间保温，奥氏体晶粒急剧长大。当加热温度一定时，快速加热奥氏体晶粒细小;慢速加热，奥氏体晶粒粗大。奥氏体晶粒随钢中W、Mo 、V 元素增加而细化，随钢中C、Mn 元素增加而增大。钢最终淬火前未经预处理，奥氏体晶粒愈粗化，淬火得粗马氏体，强韧性低，脆性大。仪表跑温，晶粒粗化，降低晶粒之间结合力，恶化力学性能。
对策：合理选择加热温度和保温时间。加热温度过低，起始晶粒大，相转变缓慢;加热度过高，起始晶粒细，长大倾向大，得到粗大奥氏体晶粒。加热温度应按钢的临界温度确定，严格仪表精密控温，保温时间按加热设备确定。合理选择加热速度，根据过热度对奥氏体形核率和长大速率影响规律，采用快速加热和瞬时加热方法细化奥氏体晶粒，如铅浴加热、盐浴加热、高频加热、循环加热、真空加热和激光加热等。最终淬火前预处理细化奥氏体晶粒，如正火、退火、调质处理等。选用细晶粒钢、电渣重熔钢、真空精炼钢制造模具等措施。
（2）残余奥氏体过量
钢件淬火冷却时过冷奥氏体转变成淬火马氏体， 过冷奥氏体不能100 %转变为淬火马氏体，未完全转变的过冷奥氏体为残余奥氏体。淬火马氏体经不同温度回火后转变为不同回火组织， 达到所需组织性能。残余奥氏体在回火过程中可部分转变为马氏体， 但因材料和工艺不同， 残余奥氏体可多可少保留在使用状态中。保留少量残余奥氏体有利增加钢的强韧性、松驰残余应力、延缓裂纹扩展、减少变形等。但残余奥氏体过量将降低钢的硬度、耐磨性、疲劳强度、屈服强度、弹性极限和引起组织不稳定， 导致服役时发生尺寸变化等不利因素。因此， 钢中残余奥氏体不宜过量。
对策：按照模具服役条件，合理选择淬火加热温度，因模具钢含有大量降低马氏体点(Ms) 的合金元素，过高淬火加热温度会使钢中碳和合金元素大量溶入高温奥氏体中，奥氏体合金化程度高，增加奥氏体稳定性，使过冷奥氏体不易发生马氏体相变，有较多残余奥氏体保留在淬火组织中，因此，淬火加热温度应适中。分级淬火和等温淬火保留较多残余奥氏体，因此，采用中温预回火和多次高温回火，促使在高温回火冷却过程中残余奥氏体发生马氏体转变。其次，淬火后经短时低温回火后进行- 60 ℃～120 ℃零下冷处理，实质是淬火的继续，促使残余奥氏体较充分转变为马氏体，温度越低，转变量愈多。依据产品结构和模具特点采取不同方式按需控制残余奥氏体量，获得满意组织性能。
（3） 碳化物不均匀度大
碳化物硬而脆，是脆性相，它的大小、形状和分布直接影响钢的性能，对模具性能影响特大。碳化物不均匀分布，增加钢的过热敏感性。因碳和合金元素富集，降低碳化物堆集处熔点，造成碳化物堆集处过热、过烧、晶粒粗大和导致淬火组织粗化引起应力集中，成为裂纹源，导致淬
裂。碳化物不均匀分布，引起淬火晶粒粗细大小不均，因碳化物聚集处有大量未溶解碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，则晶粒细;非碳化物堆集处未溶解碳化物数量少，则无法阻碍奥氏体晶粒长大，此处晶粒粗大。碳化物不均匀分布对基体起切割作用，破坏了金属基体连续性，使钢的力学性能有明显各向异性。在碳化物堆集处周围的奥氏体淬火加热时溶解较多的碳化物和合金元素，使该处马氏体转变开始点(Ms) 降低，为此，增加残余奥氏体量并易发生稳定化作用，不易通过回火使残余奥氏体转变为马氏体，造成回火不足。而碳化物堆集处附近晶粒粗大，降低机械强度，导致该处理组织应力增大，易使堆集处碳化物剥落，造成模具早期失效。
对策：采用扩散退火、高温正火和锻热调质固溶预处理，使碳化物溶解于奥氏体中，达到再处理时重新呈细小、弥散析出而细化。对具有难溶解块状、大颗粒状、带状、网状和堆集状级别大的碳化物原材料进行改锻，击碎和细化碳化物，经四镦四拔双十字形镦拔锻造，使合金碳化物形貌发生质的飞跃，使之≤3 级，呈细、小、匀分布于钢基体并形成沿模具轮廓合理的纤维组织排列，改善显微组织，细化晶粒，增加整体性能，尤其是心部横向性能、刚性，降低过热敏感性，大幅度提高模具使用寿命。
第七章 结论与建议
综上所述， 显然不同的热处理工艺对Cr12MoV 钢试样的残余奥氏体量、硬度、尺寸变化率的影响是很大的，只有熟悉与掌握它们之间的关系，才能在实际生产中根据模具的技术要求、使用条件与环境要求，正确地选择好适宜的热处理工艺。现将实际生产中Cr12MoV 钢制模具合适的热处理工艺的选择与应用总结如下:
（1）当模具只要求高硬度、高耐磨的性能时，可采用1 030℃油淬+180～200℃回火。
（2）当模具只要求硬度HRC58～62 或硬度在此区间内且还需回火后模具的尺寸要比其淬火状态小时，可采用1030℃油淬+200～300℃回火。
（3）当一些精密的、复杂的模具要求高硬度的同时还要变形量最小，此时则应当选用1030℃油淬+500～520℃回火一次。
（4）当模具需用二次硬化时则应当选用：1130℃油淬+520～560℃回火且520℃回火2～3次或560℃回火1 次即可。
（5）球化预处理效果不佳时， 可增加一道调质工序， 效果显著。
（6）较低温度淬火， 并用贝氏体处理， 模具使用寿命提高一倍。
参考文献
[1]洪慎章.冷挤压实用技术[M].北京：机械工业出版社，2004，1
[2]王孝培主编.冲压设计资料[M].北京：机械工业出版社，1983，20
[3]杨长顺主编.冷挤压模具设计[M].北京：国防工业出版社，1994，63
[4]第四机械工业部标准化研究所编.冷压冲模设计[M].北京：第四机械工业部标准化研究出版，1981，20-27
[5]章守华主编.合金钢[M].北京：冶金工业出版社，1980，72
[6]肖纪美.高速钢的金属学问题[J].北京：冶金工业出版社，1976，96
[7] 王英杰，金升.金属材料及热处理[M]. 北京：机械工业出版社，2007 ，86