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　　AT&M 视 界 A T & M F I E L D O F V I S I O N 冷冲压模具常用铸造材料的分类及选材原则 1 1 2 2 邓燕 李悦 宋雨来 刘耀辉 （1.一汽模具制造有限公司，长春 130013；2.吉林大学材料科学与工程学院，长春 130025） 摘要：将国标、德国标准以及丰田、大众、通用、福特等国际汽车企业的相关标准进行总结 提炼，分析多家国外设计公司的模具设计习惯，将冷冲压模具铸造材料进行分类，总结各种材 料的成分、性能及使用特点，规范材料的应用条件及适用范围，并在国内外多个项目中进行应 用，便于国内汽车厂家了解更多铸造材料信息，并进行推广应用，有效降低了模具制造成本、缩 短了生产制造周期。 关键词：冲压模具 铸造材料 分类应用 中图分类号：TG156 文献标识码：B 改变了Cr12MoV锻材大量应用的局面。国内模具 1 前言 行业虽有多种铸造模具钢应用，但大多为出口项 由于铸造材料具有可铸尺寸大、可铸形状复 目或国外设计项目，只有个别企业将这些材料用 杂、加工过程中只需在加工表面预留必要的加工 于国内项目，由于与先进国家在铸件质量、供货状 余量等优势；为了减轻模具质量、降低模具材料成 态、工作面表面硬化方式等都有所不同，急需制定 本及加工成本，缩短模具设计制造周期、减少模具 符合我国国情的铸造材料的选材原则。本文中铸 后期维护费用，在冷冲压模具中大量采用铸造材 造材料的选材原则适用于年产量不少于5000件 料，而合理选材对模具成本、制造周期、模具寿命 的模具。 等均具有重要的意义。 2 模具铸铁材料的分类及应用 随着模具制造业、国内铸造业的发展及国际 合作的加强，国内冷冲压模具铸造材料种类逐步 与钢相比，铸铁力学性能尤其是抗拉强度与 增多、应用日益广泛，已形成灰口铸铁、球墨铸铁、 塑性、韧性均较低，但生产工艺和设备简单、成本 合金铸铁、铸钢、合金铸钢等系列产品，其中高强 低，并且铸铁具有优良的减震性、耐磨性、抗腐蚀 度合金铸铁EN-JS2070（旧称为GGG70L）抗拉强 性、铸造性能与切削加工性，因此铸铁材料大量应 度与铸钢媲美，广泛应用于外覆盖件拉延模具、翻 用于冷冲压模具结构件中。目前使用的铸铁材料 边凸模或深拉延模具。近年来通过国际合作，合 主要分为普通铸铁和合金铸铁两大类。 金铸钢由仅7CrSiMnMoV应用成熟，发展到应用 2.1 普通铸铁材料的性能及应用 1.7140、1.2320、1.2769S、1.2333、1.2382等或与其等 灰口铸铁中的石墨为片状，铸造性、耐磨性、 价牌号的多种铸造模具钢材料，并推广到全行业， 减震性优于其它铸铁，虽然力学性能较低但能满 2016年第7期 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 1 AT&M 视 界 A T & M F I E L D O F V I S I O N 足一定的使用要求，因此适用于模具中起固定、支 求，加工性能较好，因此广泛应用于拉延模具、翻边 撑作用的零件。 整形模具等工作件中。合金铸铁种类主要包括 球墨铸铁的石墨呈球状，比普通灰口铸铁有 MoCr、EN-JS2070、EN-JS1060、EN-JS1070等。 更高的强度、较好的韧性和塑性，适用于模具中起 国际上拉延模具尽量采用合金铸铁材料表面 定位、运动作用的重要结构件。 淬火，必要时型面采取离子氮化或镀硬铬等涂层 2.2 合金铸铁材料的性能特点 技术减少摩擦，避免拉毛，提高模具寿命。 合金铸铁组织中的石墨有自润滑性能，可减少 将常用铸铁材料进行分类，结合各国设计习 成型过程中的摩擦，通过表面淬火的方式提高易磨 惯制定材料用途，如表1所示。 损区域的硬度，满足成型部分高硬度、高耐磨的要 表1 常用铸铁材料分类及在冷冲压模具中的用途 类别 牌号 等价牌号 用途 淬火要求抗拉强度/MPa FC250、EN-JL1040、 灰口 HT250☆ G2500（GM-238） min.250 底板、压料板、安装座、驱动块等结构件 无 铸铁 HT300☆ FC300 min.300 翻边整形凸模；（内板类零件）拉延凸模、凹模、 合金灰 MoCr铸铁☆ G3500（GM-241） 压料圈；（整形用）压料板 表面淬火 min.300 铸铁 大型连续模底板等 无 QT500-7☆ EN-JS1050 min.500 QT600-3☆ 滑块、转轴座、（高结构强度要求的）压料板 无 min.600 QT700-2☆ min.700 QT600-3 滑块、（高结构强度要求的）压料板 无 EN-JS1060 min.600 整形压料板 表面淬火 球墨 铸铁 QT700-2 滑块、转轴座、（高结构强度要求的）压料板 无 EN-JS1070 min.700 （中小批量）拉延凸模、凹模、压料圈 表面淬火 拉延凸模、翻边凸模、压料板 FCD540 拉延凹模、压料圈（拉延筋和凹模口由TM2000 min.539 无 焊条堆焊） D4512（GM-245） 压料板、底板 mBB电子in.415 带有落料、修边、翻边整形刃口的一体模块 TGC600 min.600 （底板） 合金球墨 铸铁 D6510（GM-338） 拉延模凸模、凹模、压料圈、翻边凸模等 表面淬火 min.585 EN-JS2070（GGG70L）☆ 拉延模凸模、凹模、压料圈、翻边凸模、转轴等 min.700 表1说明如下。 明确是否需要有淬火功能，不同要求价格不同。 a.若客户不指定模具材料，则国内模具设计首 d.铸铁比铸钢铸造工艺性好，国外转轴材料采 选带☆标记的材料。 用合金铸钢1.2320，国内为避免因铸造缺陷而报 b.表1中抗拉强度为单铸试样数值，由于铸件 废，转轴材料可采用合金铸铁EN-JS2070。 壁厚不同，铸件本体或附铸试样抗拉强度可能会 e.丰田原设计采用FCD540M表面淬火时，因 略低于表1中数值。 国内厂家不接受FCD540M订货，则用FCD540+局 c.国内EN-JS1060、EN-JS1070铸件订货时需 部TM2000焊接代替。 2 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 2016年第7期 AT&M 视 界 A T & M F I E L D O F V I S I O N 2.3 典型结构铸铁材料应用 HT300 典型结构铸铁材料应用如图1～图3所示。 HT300 滑块 QT700 QT600 QT700 EN-JS2070 或1.2320 QT500-QT700 HT300 图1 滑块结构 图2 转轴机构各零件材料 3 模具铸钢材料的分类及应用 TM2000焊接 凹模FCD540 3.1 根据模具铸钢材料特性进行合理选材 a.材料成分与特息相关，C含量增加，硬 凸模FCD540 压料圈FCD540 度及耐磨性提高、韧性降低；Ni、Mn含量增加，淬 透性提高、韧性提高；Cr、Mo、V、W等元素含量增 图3 丰田拉延模具各零件材料 加，硬度、耐磨性提高、淬透性提高、韧性降低。实 际生产中铸件成分需满足要求，常用铸钢的化学 成分见表2。 表2 铸钢的化学成分 % 化学成分 牌号 C Si Mn Cr Mo V 其他 S P ZG310-570（ZG45） ≤0.5 ≤0.6 ≤0.9 残余元素总量≤1.00 ≤0.04 ≤0.04 1.0446 0.20~0.28 0.30~0.50 0.50~0.80 ≤0.03 ≤0.035 1.7140 0.45~0.50 0.40~0.80 0.80~1.00 1.30~1.70 ≤0.035 ≤0.035 7CrMnSiMoV 0.65~0.75 0.85~1.15 0.65~1.05 0.90~1.20 0.20~0.50 0.15~0.30 Nb:0.20~0.35 ≤0.03 ≤0.03 CH-1 0.65~0.72 0.90~1.10 0.90~1.10 0.90~1.10 0.25~0.35 0.15~0.20 ≤0.03 ≤0.03 S0050A（GM-190） 0.4~0.5 0.2~0.5 0.9~1.2 0.8~1.1 0.35~0.50 ≤0.15 ≤0.05 ≤0.045 1.2320 0.60 0.50 1.20 2.50 0.70 0.10 1.2333 0.57~0.61 0.25~0.45 0.70~0.90 4.30~4.70 0.40~0.60 0.15~0.35 ≤0.02 ≤0.025 1.2382 1.50~1.60 0.50~0.80 0.40~0.60 11.0~12.0 0.70~0.90 0.90~1.10 ≤0.03 ≤0.03 1.2370 0.90~1.05 0.20~0.40 0.40~0.70 4.80~5.50 0.90~1.20 0.10~0.30 ≤0.035 ≤0.035 1.2769S 0.40~0.50 0.25~0.50 0.80~1.00 0.90~1.10 0.20~0.30 ≤0.03 ≤0.03 b.根据合金铸钢性能进行合理选材，常用合金 具有需要经常修改及维护的特性，焊接性能是模 铸钢焊接性能按从强到弱排列为 1.2769S＞ 具材料的重要指标，后开发的GP4M材料淬硬性虽 1.7140＞1.2320＞1.2333＞GP4M＞1.2370＞1.2382； 不如1.2382，但焊接性能和韧性均比1.2382优越， 淬硬性能按从强到弱排列为 1.2382＞GP4M＞ 通过适当调整高温回火温度可实现工件高硬度， 1.2370＞1.2333＞1.2320＞1.2769S＞1.7140。模具 因此一般情况下可用GP4M代替1.2382，GP4M可 2016年第7期 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 3 AT&M 视 界 A T & M F I E L D O F V I S I O N 做PVD、CVD涂层和氮化 ，但不能做TD处理 ， 再使用。 1.2382可做TD处理，因此厂家要求TD处理时材料 c.将常用铸钢材料进行分类，根据各自性能及 用1.2382或相应锻件，不能采用GP4M。GP4M焊 各国设计习惯制定用途，见表3。 接性能及淬硬性能均优于1.2370，因此1.2370已不 表3 常用铸钢材料分类及用途 等价牌号 淬火方式及硬度 类别 牌号 整体淬火 表面淬火 用途 铸 锻 HRC HRC 铸钢 ZG310-570☆ 1.0446 压料板等结构薄弱零件、料厚≥6mm的底板等 1.7140、CH-1、 （薄板）修边凸、凹模、翻边凹模；翻边整形用旋转 7CrSiMnMoV ☆ 7CrSiMnMoV 55～62 S0050A（GM-190） 凸轮轴、盖板等 翻边线S☆ CAM填充凸模；具备整形功能的压料板 无 需要良好焊接性的薄壁压料板、CAM填充凸模 合金 1.2320☆ 52～56 薄板修边凸模、转轴、CAM滑块等 铸钢 1.2333☆ 1.2358 55-60 56～60 修边镶块、整形镶块、薄板翻边凹模镶块 1.2370 A2、1.2363 54-60 54～60 整形凹模、薄板翻边凹模镶块 1.2379、D2、 拉延凹模镶块、（多料）翻边镶块、厚板及高强板修 1.2382☆ 58-62 Cr12Mo1V1 边镶块 （代替1.2382用于）拉延凹模镶块、（多料）翻边镶 GP4M CP4M 55-60 块；厚板及高强板修边镶块 表3说明如下。 HRC24.2～31，900～1050 MPa相当于HRC28.7～ a.若客户不指定模具材料，则国内模具设计首 34.9。 选带☆标记的材料。 4 模具工作件及结构件的材料要求 b.表3中1.2370现在已经不再使用。 c.1.2382为高碳高铬钢，铸造难度大，用量较 4.1 模具选材划分 小，焊接性能较差，大众、福特等标准中常用GP4M 根据模具零件的功能将模具选材划分为工作 代替1.2382，但GP4M尚未在国内推广使用。 件选材及结构件选材。 d.1.2320用于转轴时，尽量保证壁厚均匀避免 工作件是指在模具上直接完成冲压件成型、 铸造缺陷。 冲切等工作内容的零件，如凸模、凹模等；结构件 e.合金铸钢1.7140、1.2769S、1.2320、1.2333等采 是指模具上起支撑、固定、定位、运动等工作内容 用表面淬火方式的铸件，欧标、美标中铸件供货状态 的零件，如底板、垫板、滑块、盖板、固定板、连接板 大多需要调质到850～950MPa或900～1050MPa， 等。压料板如果直接参与工作，如拉延压料圈、起 以提高基体强度，但国内厂家没有采用，项目有特 整形作用的压料板，属于工作件；若只压料、顶料， 殊要求时，将委托专业热处理厂家对铸件进行调 则属于结构件。 质，再进行机械加工，调质前检查裂纹，可用目视及 模具工作件及结构件材料不同，模具工作件 显影剂检查。为便于检测零件的抗拉强度，国外企 采用合金铸造材料，其中拉延类模具及翻边凸模、 业通常按强度与硬度对照表ISO 18265，将抗拉强 起整形作用的压料板等大多采用合金铸铁，其余 度换算为硬度进行测量，800～950MPa大约相当于 工作件材料采用合金铸钢。 4 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 2016年第7期 AT&M 视 界 A T & M F I E L D O F V I S I O N 模具结构件中的底板、垫板、滑块、盖板等主 4.0 3.5 要采用铸铁材料，只有结构薄弱或板料过厚铸铁 3.0 m 2.5 m 无法满足要求时，采用铸钢材料。 / 2.0 曲线 模具工作件材料的性能要求 1.0 冷冲压模具在工艺过程中要承受很大的压 0.5 曲线 力、弯曲力、冲击力及摩擦力，模具也要求具有较 抗拉强度/MPa 高的尺寸精度。在汽车冷冲压模具的成形和冲切 图4 选材曲线 工艺中，主要失效机理为磨损、塑性变形、开裂及 EN-JS2070，表面淬火。 崩刃等。根据模具的工作条件，模具工作件材料 修边模具选材如图4曲线所示。 应具有以下性能。 a.曲线为修边模具下凸模选材原则。曲线 a.高硬度。模具的硬度必须高于板料的硬度， 上方区域，选择材料为1.2333，表面淬火；曲线下 才能避免冲压过程中引起模具变形。 方区域，选择材料为7CrMnSiMoV、1.7140，表面淬 b.高耐磨性。可保持模具的尺寸精度，提高模 火，也可以用1.2333代替。 具使用寿命，尽量避免由于维护导致停机。 b.曲线为修边模具上模镶块选材原则。曲 c.足够的强度和韧性。可保证模具在工作过 线上方区域 ，选择材料为 1.2382、GP4M 或 程中不会因冲击负荷、弯曲负荷等被破坏，防止材 Cr12MoV、Cr12Mo1V1、1.2379，整体淬火；曲线下方 料的早期开裂和崩刃。 区域，选择材料为1.2333，表面淬火。 d.良好的淬硬性。容易获得高硬度、耐磨性能。 5.2 方案2 e.良好的焊接性。便于模具的更改及维护。 年产量在5000件以上的零件，根据冲压件钢 f.变形小。 板的抗拉强度、料厚、模具类型等进行模具工作件 g.经济合理。在满足性能、寿命要求前提下， 选材，工作件为大中型零件。按材料选用表进行 选用价格低的材料。 模具工作件粗略选材，如表4所示，表4中的模具 h.不同类型模具的工作件要求的材料性能不同。 选材类别代号含义见表5。 拉延模和整形模的模具材料必须具备优异的 表5说明如下。 抗磨损和抗黏着性能，修边模的模具材料必须具 a.根据客户及项目要求确定选材方案1或2， 备优异的抗磨损和抗崩刃性能。 方案1常用于福特、路虎等项目，方案2常用于国 内客户项目，仅供参考，需要融合以往经验、客户 5 模具工作件的选材原则 生产及维护条件等因素。 根据冲压板料的抗拉强度、板料厚度、模具寿 b.翻边凹模镶块选材时除考虑抗拉强度、料厚 命要求、模具的使用工况、冲压件形状特点等进行 等因素之外，还需考虑翻边线）， 工作件的合理选材。常用的选材方案有两种。 曲线比直线更易聚料磨损，因而采用耐磨性能更 5.1 方案1 好的材料。 按选材曲线进行模具工作件粗略选材，如图4 c.普通钢板料厚≤1.0mm，翻边凹模镶块一般 所示。 采用7CrMnSiMoV或1.2333。 拉延模具选材如图4曲线mm，翻边线为 域，拉延凹模及压料圈采用镶块，选择材料为 近似直线时，翻边凹模镶块一般采用7CrMnSiMoV 1.2382、GP4M或Cr12MoV、Cr12Mo1V1、1.2379，整 或1.2333；翻边线为曲线、聚料严重时，翻边凹模 体淬火；曲线下方区域，拉延凹模及压料圈采用 镶块采用Cr12MoV、1.2382整体淬火。 2016年第7期 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 5 AT&M 视 界 A T & M F I E L D O F V I S I O N 表4 材料选用表 钢板抗拉 钢板料厚t/mm 强度σb /MPa t≤1.0 1.0＜t≤1.2 1.2＜t≤1.5 1.5＜t≤1.8 t＞1.8 σ≥600b C；E；H C；E；H C；E；H C；E；H C；E；H 450≤σ ＜600b A2；D2；G C；D2；G C；E；H C；E；H C；E；H 350≤σ ＜450b A1；D1；F1 A2；D2；F2 A2；E；G B；D2；G C；E；H ＜350 A1；D1；F1 A1；D1；F1 A2；D2；F2 B；D2；G C；E；H 表5 表4中模具选材类别代号含义 类别代号 模具类型 模具材料选用 A1 拉延 MoCr铸铁、EN-JS2070表面淬火 A2 拉延 EN-JS2070表面淬火 凹模和压料圈EN-JS2070局部嵌入镶块1.2382、Cr12MoV，整体淬火；凸模MoCr铸铁、EN-JS2070，表 B 拉延 面淬火 C 拉延 凹模和压料圈嵌入镶块1.2382、Cr12MoV，整体淬火；凸模7CrSiMnMoV或1.2769S，表面淬火 D1 修边 7CrSiMnMoV、1.2320、1.2333表面淬火 D2 修边 1.2333表面淬火 E 修边 1.2382、Cr12MoV整体淬火 F1 翻整 凹模7CrSiMnMoV、1.2333表面淬火；凸模MoCr铸铁、EN-JS2070表面淬火 F2 翻整 凹模1.2333或1.2358整体淬火；凸模MoCr铸铁、EN-JS2070表面淬火 G 翻整 1.2382或Cr12MoV整体淬火HRC58-62；凸模MoCr铸铁、EN-JS2070表面淬火 H 翻整 凹模分镶块，1.2382或Cr12MoV，整体淬火；凸模7CrSiMnMoV、1.2769S，表面淬火 注：工作件为小型零件时，模具工作件材料Cr12MoV，整体淬火。 翻边线为曲线 翻边线为直线或 态等相融合，提出符合我国国情的铸造材料的选 近似直线 材原则，促进多种铸造材料在模具行业的发展及 应用，便于设计人员参考使用。 参考文献： 翻边凹横镶块 翻边凹横镶块 [1]王悦祥，任汉恩.金属材料及热处理［M］.北京:冶金工业 图5 翻边模具结构示意 出版社，2010（9）:196. AT e.普通钢板料厚t＞1.2 mm，采用Cr12MoV、 &M 1.2382整体淬火。 f.高强度钢板翻边凹模镶块采用Cr12MoV、 1.2382整体淬火。 6 结束语 介绍了一汽模具承接的国内外项目中常用冷 冲压模具铸造材料的牌号、种类及性能特点，将国 际先进车企的标准、设计习惯与国内铸件供货状 6 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 2016年第7期

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