高質(zhì)量要求模具的鋼材的工作工藝性能
高質(zhì)量要求模具的鋼材的工作工藝性能
模具在現(xiàn)代制造業(yè)中占有日益重要，但目前中國(guó)高質(zhì)量的模具大部分依賴(lài)進(jìn)口，分析進(jìn)口模具的主要原因，不在于我們的優(yōu)質(zhì)鋼煉鋼水平，而是沒(méi)有認(rèn)識(shí)到整個(gè)模具鋼質(zhì)量的提高是一個(gè)系統(tǒng)控制過(guò)程。除冶金質(zhì)量外，制造過(guò)程中的鍛壓加工、預(yù)備熱處理、機(jī)械加工和最終熱處理都將影響模具的內(nèi)部組織和應(yīng)力狀態(tài)，從而決定模具的最終使用性能。在模具的制造過(guò)程中，模具的使用壽命和制成的精度、質(zhì)量、表面性能，除與模具的設(shè)計(jì)、制造精度以及機(jī)床和操作等條件有關(guān)外，與模具材料及其熱處理工藝也有密切關(guān)系。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)表明，模具的早期失效因材料選擇不當(dāng)和內(nèi)部缺陷引起的約占10%左右，由熱處理不當(dāng)引起的約占50%左右，因此正確選擇具有優(yōu)良質(zhì)量的模具鋼材并進(jìn)行正確的熱處理，具有十分重要意義。模具鋼的特性主要包括使用性能、工藝性能和冶金質(zhì)量等三個(gè)方面。
1、模具鋼在工作性能方面的要求
①模具鋼的硬度
模具在工作時(shí)受力狀態(tài)是復(fù)雜的，如熱作模具通常在交換的溫度場(chǎng)下承受交變應(yīng)力作用，因此它應(yīng)具有良好的抗軟化或塑性變形狀態(tài)的能力，在長(zhǎng)期工作環(huán)境下仍能保持模具的形狀和尺寸精度。硬度是模具鋼的生要性能之一。對(duì)冷作模具的硬度一般選擇在58HRC以上，而熱作模具尤其是要求高的抗熱疲勞性能的模具，通常硬度在45HRC左右。對(duì)普通使用的塑料模具，一般硬度要求在35HRC左右。
②模具鋼的強(qiáng)度與韌性
零件在成形使模具承受著巨大的的沖擊、扭曲等負(fù)荷，尤其是現(xiàn)代高速?zèng)_壓、高速精密鍛造和液態(tài)成形等技術(shù)以及一次成形技術(shù)的發(fā)展，模具承受著更大的負(fù)荷，往往由于鋼材的強(qiáng)度和韌度不夠，造成型腔邊緣或局部塌陷、崩刃或斷裂而早期失效，因此模具熱處理后應(yīng)具有較高的硬度和韌度。
③模具鋼的耐磨性
零件成形時(shí)材料與模具型腔表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使型腔表面產(chǎn)生了磨損，從而使得模具的尺寸精度、形狀和表面的粗糙度發(fā)生變化而失效。磨損是一種復(fù)雜的過(guò)程，影響因素很多，除取決于作用于模具的外界條件外，還在很大程度上取決于采用鋼材的化學(xué)成分不均勻性、組織狀態(tài)、力學(xué)性能等。
④模具鋼的疲勞性能
模具工作時(shí)承受著機(jī)械沖擊和熱沖擊的交變應(yīng)力，熱作模具在工作的過(guò)程中，熱交變應(yīng)力更明顯地導(dǎo)致模具熱裂。受應(yīng)力和溫度梯度的影響而引起裂紋，往往是在型腔表面形成淺而細(xì)的裂紋迅速傳播和擴(kuò)展導(dǎo)致模具失效。另外，鋼的化學(xué)成分及組織的不均勻，鋼中存在的冶金缺陷如非金屬夾雜物，氣孔、顯微裂紋等均可導(dǎo)致鋼的疲勞強(qiáng)度降低，因?yàn)樵诮蛔儜?yīng)力的作用下，首先在這些薄弱地區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋并發(fā)展為疲勞破壞。
⑤模具鋼的粘著性
工模具零件的表面由于兩金屬原子相互摭用或單相擴(kuò)散的作用，往往會(huì)有一些被加工金屬粘附著，尤其是一些切削、剪切工具和沖壓工具的表面會(huì)產(chǎn)生粘附或結(jié)疤現(xiàn)象，這會(huì)影響刃口的鋒利程度和局部組織、化學(xué)成分的改變，使刃口部分崩裂或粘附金屬的脫落劃傷模具，使工件表面粗糙。因此良好的抗粘著性也是很重要的。
⑥模具鋼的拋光和蝕刻性能
隨著模具，特別是塑料模具的廣泛使用，低的表面粗糙度值（有時(shí)甚至是鏡面的程度）已經(jīng)十分性必要，低的表面粗糙度值影響到模具的壽命和生產(chǎn)效率及制品的質(zhì)量。高的表面質(zhì)量可以減輕腐蝕（特別是局部點(diǎn)狀腐蝕）；減小開(kāi)裂的危險(xiǎn)，拋光鋼材的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、硬度及碳化物分布必須均勻。大碳化物尤其是他們偏析并成帶狀時(shí)，對(duì)表面拋光性極為有害。特別重要的是，鋼中不能含有沒(méi)有發(fā)生變形的大的氧化物夾雜或偏析，因而必須嚴(yán)格控制冶煉和脫氧工藝。真空電弧重熔、電渣重熔效果良好，這種工藝目前已成為高級(jí)塑料模具鋼的主要生產(chǎn)方式。即使是簡(jiǎn)單的真空脫氣也有助于消除大的氧化物夾雜，這些冶煉工藝不僅能降低氧化物的含量，而且能使氧化物更細(xì)小、均勻，同時(shí)控制冶煉和脫氧過(guò)程，還可以改變夾雜物類(lèi)型，使之軟化并具有較好的塑韌性而提高拋光性能。
鋼材中任何未閉合的空洞都會(huì)影響其拋光性能，因而熱加工中壓合疏松等冶金缺陷并保持組織的致密是十分必要的，這可以通過(guò)現(xiàn)代化的成形加工技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如反復(fù)鐓拔技術(shù)、旋轉(zhuǎn)鍛造技術(shù)、高溫等靜壓制等可細(xì)化原始鑄態(tài)組織，樹(shù)枝晶內(nèi)空隙。電渣重熔、真空電弧重熔精煉工藝，對(duì)鋼材均勻性也十分有利。由熱處理或表面硬化而引起的缺陷，應(yīng)盡量避免導(dǎo)致硬度不均勻的脫碳。這些措施加上合理的成分設(shè)計(jì)及控制，就能生產(chǎn)出鏡面加工性?xún)?yōu)異的鋼。
此外，還應(yīng)根據(jù)模具的工作條件和環(huán)境的差異，考慮所用模具鋼應(yīng)具有良好的熱導(dǎo)性、抗腐蝕性、抗氧化性和導(dǎo)磁性等。
2、模具鋼在工藝性能方面的要求
①模具鋼可加工性
鋼材的可加工性主要包括被切削加工性和冷熱塑性變形兩種，它取決于鋼的化學(xué)成分、熱處理后的組織和冶金生產(chǎn)的內(nèi)部質(zhì)量，近些年來(lái)，為了改善鋼的可加工性，在一些鋼中加入易切削元素或改變鋼中的夾雜物的分布狀態(tài)，從而提高模具鋼的表面質(zhì)量和減少模具的磨損。在熱加工時(shí)，對(duì)一些高碳高合金的模具鋼，特別是改善碳化物的形態(tài)和分布、晶粒大小和奧氏體合金化程度十分重要。
除了應(yīng)具有良好的可加工性外，還要有良好的電加工性以及壓印翻模加工性等。
②模具鋼淬透性和淬硬性
模具對(duì)這兩種性能的要求根據(jù)工作條件不同是各有側(cè)重的，對(duì)于要求整個(gè)截面的硬度均勻性高的模具如錘鍛模用鋼，則其具有高的淬透性更顯重要，而對(duì)只要求有高硬度的小型模具，如沖裁落料模具鋼，則更偏重于高淬硬性。
③模具鋼熱處理變形性
模具零件在熱處理時(shí)，要求變形小，各個(gè)方向要有相近的變化，且組織穩(wěn)定。淬火變形小，除與淬火溫度]時(shí)間和冷卻介質(zhì)等因素有關(guān)外，它主要取決于鋼的成分均勻、冶金質(zhì)量和組織穩(wěn)定性。
④模具鋼脫碳敏感性
模具鋼在鍛造、退火或淬火時(shí)，在無(wú)保護(hù)氣氛下加熱，其表面會(huì)產(chǎn)生氧化脫碳等缺陷，從而使模具在耐用度下降。脫碳除了與熱處理工藝、設(shè)備有關(guān)外，就材料本身而言，主要取決于鋼的化學(xué)成分、特別是碳含量，在含有較高的硅、鉬等元素時(shí)，也會(huì)加劇脫碳。
此外，應(yīng)根據(jù)模具的使用條件，應(yīng)考慮模具的鏡面拋光性、磨削性和電化學(xué)性等性能。
3、模具鋼在冶金質(zhì)量方面的要求
高的冶金質(zhì)量才能發(fā)揮鋼的基體本特性，模具鋼的內(nèi)部冶金質(zhì)量與它的基本性能有同等的重要意義，在研究性能的同時(shí)，必須研究冶金質(zhì)量影響因素。一般較常遇到模具鋼的內(nèi)外質(zhì)量問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：
①化學(xué)成分的均勻性
模具鋼通常是含有多元素的合金鋼，鋼在錠模具中從液態(tài)凝固時(shí)，由于選分結(jié)晶的緣故，鋼液中各種元素在凝固的結(jié)構(gòu)中分布不均勻而形成偏析，這種化學(xué)成分的偏析將造成組織和性能的差異，它是影響鋼材質(zhì)量的重要因素之一。降低鋼的偏析度，可以有效地提高鋼的性能。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多冶金廠(chǎng)都在致力研究生產(chǎn)成分均勻、組織細(xì)化的鋼材。
②有害元素的含量
硫和磷在鋼凝固過(guò)程中形成磷化物和硫化物而在晶界沉淀，因而產(chǎn)生晶間脆性，使鋼的塑性降低，過(guò)高的S、P含量，會(huì)使鋼錠在軋制時(shí)易產(chǎn)生裂紋，而且會(huì)大大降低鋼的力學(xué)性能。日本的松田幸紀(jì)等研究了S、P含量對(duì)含W（Cr）5%熱作模具鋼（H13）的韌性和熱疲勞性能影響結(jié)果表明，如將W（S、P）的含量從0.025%和0.010%降到W（P）0.005%和W（S）0.001%時(shí)，其熱疲勞裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量將減少一半。日立金屬公司將SKD61鋼中的W（P）含量從0.03%降到0.001%時(shí)，可使鋼45HRC時(shí)的沖擊韌度由39.2J/cm2提高到127.5J/cm2。此外，降低鋼中的S、P含量還可以有效地提高鋼的等向性。
③鋼中的非金屬夾雜物
質(zhì)量良好的鋼材不僅化學(xué)成分要符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并且鋼中的非金屬夾雜物的含量要盡可能地少，因?yàn)榉墙饘賷A雜物在鋼中所占的體積雖然很小，但對(duì)鋼材的性能影響卻很大。減少鋼中的非金屬夾雜物是煉鋼的主要任務(wù)之一。通常所指的鋼中的非金屬夾雜物，主要是指鐵及其他合金元素與氧、硫、氮等作用所形成的化合物，如FeO、MnO、Al2O3、SiO2、FeS、MnS、AlN、VN等，以及在煉鋼和澆注時(shí)帶入的耐火材料，后者的成分也主要是Si、Al、Fe、Cr、Ca、Mg等的氧化物。鋼中的非金屬夾雜物就其來(lái)源，可以分為內(nèi)在夾雜物和外來(lái)夾雜物，仙在的夾雜物是鋼在液態(tài)及凝固過(guò)程中形成的化合物。
鋼中的非金屬夾雜物在基本種意義上呆以看成是一定尺寸的裂紋，它破壞了金屬的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，在外界應(yīng)力的作用下，裂紋延伸很容易發(fā)展擴(kuò)大而導(dǎo)致性能降低。塑性?shī)A雜物的存在，隨著鍛軋過(guò)程延展變形，致使鋼材產(chǎn)生各向異性。同時(shí)夾雜物拋光過(guò)程中的剝落，提高了模具的表面粗糙度。因此，對(duì)于大型和重要的模具來(lái)說(shuō)，提高鋼的純凈度是十分重要的。
4、白點(diǎn)
白點(diǎn)是熱軋鋼坯和大型鍛件中比較常見(jiàn)的缺陷，是鋼的內(nèi)部破裂的一種。白點(diǎn)的存在對(duì)鋼的性能有極為不利的影響，這種影響主要表現(xiàn)在使鋼的力學(xué)性能降低，熱處理時(shí)使鍛件淬火開(kāi)裂，或使用時(shí)發(fā)展成更為嚴(yán)重的破壞事故，所以在任何情況下，都不能使用有白點(diǎn)的鍛件。不同的鋼對(duì)白點(diǎn)的敏感程度是不同的，一般認(rèn)為容易發(fā)生白點(diǎn)的鋼有鉻鋼、鉻鉬鋼、錳鋼、錳鉬鋼、鉻鎳鉬鋼、鉻鎢鋼等。其中以含W（C）大于0.30%、W（Cr）大于1%、W（Ni）大地2.5%的馬氏體鉻鎳鋼及鉻鎳鉬鋼等對(duì)白點(diǎn)的敏感性最大。白點(diǎn)的形成原因是鋼中的氫的脫溶析出聚集，在鋼的縱斷面上形成的銀亮白色粗晶狀的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)。它往往使鍛件和坯材的內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。模具鋼5CrNiMo、5CrMnMo等最容易發(fā)生白點(diǎn)，若增加碳化物元素Cr、Mo和V后可以降低白點(diǎn)的敏感性。這類(lèi)鋼在生產(chǎn)中一定要注意脫氣和加強(qiáng)大鍛件的鍛后緩冷或去氫退火。
5、氧含量
模具鋼一般都未規(guī)定鋼中的允許的氣體含量。隨著氧含量的增加，氧化物的顆粒和數(shù)量都隨之增加，鋼的疲勞性能降低，熱裂紋也容易產(chǎn)生。有人曾對(duì)4Cr5MoSiV1鋼進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，氧含量最好不超過(guò)1.5*10-5，哪日本山陽(yáng)特殊鋼公司規(guī)定高純凈度鋼氧含量不大于1.0*10-5。因此，近年來(lái)，為了提高模具的制造質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外的模具鋼逐漸在向低氧含量的方向發(fā)展。
6、碳化物的不均勻度
碳化物是絕大多數(shù)模具鋼的必需組分，除可溶于奧氏體的碳化物外，還會(huì)有部分不能溶于奧氏體的殘留碳化物。碳化物的尺寸、形態(tài)、分布對(duì)模具鋼的使用性能等有十分重要的影響。關(guān)于碳化物的尺寸、形狀和分布是與鋼的冶煉方法、鋼錠的凝固條件以及熱加工變形條件等有關(guān)。過(guò)共析鋼的碳化物可能在晶界形成風(fēng)狀碳化物或是在加工變形中碳化物被拉長(zhǎng)而形成帶狀碳化物或者二者兼有，萊氏體模具鋼中，存在一次碳化物和二次碳化物，在熱變形的過(guò)程中，網(wǎng)狀的共晶碳化物大多可以破碎，碳化物先沿變形方向延伸，產(chǎn)生帶狀，隨著變形程度的增加，碳化物變得均勻、細(xì)小。碳化物的不均勻性對(duì)淬火變形、開(kāi)裂、鋼材的力學(xué)性能的影響較大。
7、偏析
偏析即鋼的成分與組織不均勻性的表現(xiàn)，這是在模具鋼的低倍組織的檢驗(yàn)中常存在的一種缺陷。是鋼錠在凝固過(guò)程中形成的，與鋼的化學(xué)成分和澆注溫度等有關(guān)。一般分為樹(shù)枝狀的偏析、方形偏析、點(diǎn)狀偏析等。由于樹(shù)枝狀的偏析的存在，使負(fù)然各個(gè)不同的方向的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的差異。方形偏析是由于鑄錠結(jié)晶時(shí)，在柱狀晶的末端與錠心等軸晶區(qū)間，聚集了較多的雜質(zhì)和孔隙而形成的。嚴(yán)重的方形偏析，對(duì)鋼材的質(zhì)量的影響是顯著的，特別是切削加工量很大的零件或心部受力的模具零件。偏析除了影響模具鋼力學(xué)性能的等向性外，對(duì)模具的拋光性能也有一定的影響。因此，國(guó)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)格的規(guī)定。
8、疏松
疏松是鋼的不致密性的表現(xiàn)。疏松多數(shù)出現(xiàn)在鋼錠的上部及中部，在這些地方因?yàn)榧辛溯^多的雜質(zhì)和氣體造成的。由于疏松缺陷的存在，降低了鋼的強(qiáng)度和韌性，也嚴(yán)重地影響了加工后的表面的粗糙度，在一般的模具鋼中的影響不是特別大，但如冷軋輥、大型的模塊、沖頭和塑料成形模具零件等都有較嚴(yán)格的要求。如深型腔的鍛模和沖頭要求疏松不超過(guò)1級(jí)或2級(jí)，用于表盤(pán)或透光件等的塑料模具用鋼，要求疏松不超過(guò)1級(jí)。
羅百輝
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