模具鋼材知識(shí)

模具鋼材
　　加工模具時(shí)用的，由于模具的用途很廣，各種模具的工作條件差別很大，
　　所以，制造模具用材料范圍很廣，在模具材料中應(yīng)用更廣的當(dāng)屬模具鋼。從—般
　　的碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、彈簧鋼、高速工具鋼、
　　不銹耐熱鋼直到適應(yīng)特殊模具需要的馬氏體時(shí)效鋼以及粉末高速鋼、粉末高合金
　　模具鋼等。模具鋼按用途一般可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料成型用模具
　　鋼三大類
　　1．冷作模具鋼
　　冷作模具鋼主要用于制造對(duì)冷狀態(tài)下的工件進(jìn)行壓制成型的模具。如：冷沖
　　裁模具、冷沖壓模具、冷拉深模具、壓印模具、冷擠壓模具、螺紋壓制模具和粉
　　末壓制模具等。冷作模具鋼的范圍很廣，從各種碳素工具鋼、合金工具鋼、高速
　　工具鋼到粉末高速工具鋼和粉末高合金模具鋼。
　　2．熱作模具鋼
　　熱作模具鋼主要用于制造對(duì)高溫狀態(tài)下的工件進(jìn)行壓力加工的模具。如：熱
　　鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱鐓鍛模具等。常用的熱作模具鋼有：中高含
　　碳量的添加Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具鋼；對(duì)特殊要求的熱作模具鋼，
　　有時(shí)采用高合金奧氏體耐熱模具鋼制造。
　　3．塑料模具鋼
　　由于塑料的品種很多，對(duì)塑料制品的要求差別也很大，對(duì)制造塑料模具的材
　　料也提出了各種不同的性 能要求。所以，不少工業(yè)發(fā)達(dá)的已經(jīng)形成了范圍
　　很廣的塑料模具用鋼系列。包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、滲碳型 塑料模具鋼、預(yù)硬型塑料
　　模具鋼、時(shí)效硬化型塑料模具鋼、耐蝕塑料模具鋼、易切塑料模具鋼、整體淬硬
　　型塑料模具鋼、馬氏體時(shí)效鋼以及鏡面拋光用塑料模具鋼等。
　　性能要求 ：
　　使用性能
　　A 強(qiáng)度性能
　　（1）硬度 硬度是模具鋼的主要技術(shù)指標(biāo)，模具在高應(yīng)力的作用下欲保持其
　　形狀尺寸不變，必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般硬度保持
　　在HRC60左右，熱作模具鋼根據(jù)其工作條件，一般要求保持在HRC40~55范圍。對(duì)
　　于同一鋼種而言，在一定的硬度值范圍內(nèi)，硬度與變形抗力成正比；但具有同一
　　硬度值而成分及組織不同的鋼種之間，其塑性變形抗力可能有明顯的差別。
　?。?）紅硬性 在高溫狀態(tài)下工作的熱作模具，要求保持其組織和性能的穩(wěn)定
　　，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱為紅硬性。碳素工具鋼、低合金工具鋼通
　　常能在180~250℃的溫度范圍內(nèi)保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃
　　的溫度范圍內(nèi)保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學(xué)成分和熱處理工藝
　　。
　?。?）抗壓屈服強(qiáng)度和抗壓彎曲強(qiáng)度 模具在使用過(guò)程中經(jīng)常受到強(qiáng)度較高的
　　壓力和彎曲的作用，因此要求模具材料應(yīng)具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。在很
　　多情況下，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和抗彎試驗(yàn)的條件接近于模具的實(shí)際工作條件（例如，
　　所測(cè)得的模具鋼的抗壓屈服強(qiáng)度與沖頭工作時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的變形抗力較為吻合）
　　。抗彎試驗(yàn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變量的值大，能較靈敏地反映出不同鋼種之間
　　以及在不同熱處理和組織狀態(tài)下變形抗力的差別。
　　B 韌性
　　在工作過(guò)程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過(guò)程中的折斷、崩刃
　　等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。
　　模具鋼的化學(xué)成分，晶粒度，純凈度，碳化物和夾雜物等的數(shù)量、形貌、尺
　　寸大小及分布情況，以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素
　　都對(duì)鋼的韌性帶來(lái)很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對(duì)于其橫向
　　韌性的影響更為明顯。鋼的韌性、強(qiáng)度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此，要合
　　理地選擇鋼的化學(xué)成分并且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，以使模具材
　　料的耐磨性、強(qiáng)度和韌性達(dá)到更佳的配合。
　　沖擊韌性系表特征材料在一次沖擊過(guò)程中試樣在整個(gè)斷裂過(guò)程中吸收的總能
　　量。但是很多工具是在不同工作條件下疲勞斷裂的，因此，常規(guī)的沖擊韌性不能
　　全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次沖擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽
　　命等試驗(yàn)技術(shù)正在被采用。
　　C 耐磨性
　　決定模具使用壽命更重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承
　　受相當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力，要求模具能夠在強(qiáng)烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模
　　具的磨損主要是機(jī)械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類型。為了改善模具鋼的耐
　　磨性，就要既保持模具鋼具有高的硬度，又要保證鋼中碳化物或其他硬化相的組
　　成、形貌和分布比較合理。對(duì)于重載、高速磨損條件下服役的模具，要求模具鋼
　　表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，保持潤(rùn)滑作用，減少模具和工件之間產(chǎn)
　　生粘咬、焊合等熔融磨損，又能減少模具表面進(jìn)行氧化造成氧化磨損。所以模具
　　的工作條件對(duì)鋼的磨損有較大的影響。
　　耐磨性可用模擬的試驗(yàn)方法，測(cè)出相對(duì)的耐磨指數(shù)？，作為表征不同化學(xué)成
　　分及組織狀態(tài)下的耐磨性水平的參數(shù)。以呈現(xiàn)規(guī)定毛刺高度前的壽命，反映各種
　　鋼種的耐磨水平；試驗(yàn)是以Cr12MoV鋼為基準(zhǔn)（？=1）進(jìn)行對(duì)比。圖1-2-3是標(biāo)準(zhǔn)
　　磨具進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)的結(jié)果，較好地反映工模具鋼在磨粒磨損條件下的耐磨性水
　　平。
　　D 抗熱疲勞能力
　　熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化之外，還受到高溫及周
　　期性的急冷急熱的作用，因此，評(píng)價(jià)熱作模具鋼的斷裂抗力應(yīng)重視材料的熱機(jī)械
　　疲勞斷裂性能。熱機(jī)械疲勞是一種綜合性能的指標(biāo)，它包括熱疲勞性能、機(jī)械疲
　　勞裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性三個(gè)方面。
　　熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命，抗熱疲勞性能高的
　　材料，萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)次數(shù)較多；機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率反映材料在熱
　　疲勞裂紋萌生之后，在鍛壓力的作用下裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，每一應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展
　　量；斷裂韌性反映材料對(duì)已存在的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的抗力。斷裂韌性高的材料
　　，其中的裂紋如要發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，必須在裂紋具有足夠高的應(yīng)力強(qiáng)度因子，
　　也就是必須有較大的裂紋長(zhǎng)度。在應(yīng)力恒定的前提下，在一種模具中已經(jīng)存在一
　　條疲勞裂紋，如果模具材料的斷裂韌性值較高，則裂紋必須擴(kuò)展得更深，才能發(fā)
　　生失穩(wěn)擴(kuò)展。
　　也就是說(shuō)，抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命；而裂紋擴(kuò)展
　　速率和斷裂韌性，可以決定當(dāng)裂紋萌生后發(fā)生亞臨界擴(kuò)展的那部分壽命。因此，
　　熱作模具如要獲得高的壽命，模具材料應(yīng)具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴(kuò)展
　　速率和高的斷裂韌性值。
　　抗熱疲勞性能的指標(biāo)可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)數(shù)，也可以用經(jīng)過(guò)一定
　　的熱循環(huán)后所出現(xiàn)的疲勞裂紋的條數(shù)及平均的深度或長(zhǎng)度來(lái)衡量。
　　E 咬合抗力
　　咬合抗力實(shí)際就是發(fā)生“冷焊”時(shí)的抵抗力。該性能對(duì)于模具材料較為重要
　　。試驗(yàn)時(shí)通常在干摩擦條件下，把被試驗(yàn)的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料（
　　如奧氏體鋼）進(jìn)行恒速對(duì)偶摩擦運(yùn)動(dòng)，以一定的速度逐漸增大載荷，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩
　　也相應(yīng)增大，該載荷稱為“咬合臨界載荷”，臨界載荷愈高，標(biāo)志著咬合抗力愈
　　強(qiáng)。
　　工藝性能
　　在模具生產(chǎn)成本中，材料費(fèi)用一般占10%~20%，而機(jī)械加工、熱處理、裝配
　　和管理費(fèi)用占80%以上，所以模具的工藝性能是影響模具的生產(chǎn)成本和制造難易
　　的主要因素之一。
　　A 可加工性
　　——熱加工性能，指熱塑性、加工溫度范圍等；
　　——冷加工性能，指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。
　　冷作模具鋼大多屬于過(guò)共析鋼和萊氏體鋼，熱加工和冷加工性能都不太好，
　　因此必須嚴(yán)格控制熱加工和冷加工的工藝參數(shù)，以避免產(chǎn)生缺陷和廢品。另一方
　　面，通過(guò)提高鋼的純凈度，減少有害雜質(zhì)的含量，改善鋼的組織狀態(tài)，以改善鋼
　　的熱加工和冷加工性能，從而降低模具的生產(chǎn)成本。
　　為改善模具鋼的冷加工性能，自20世紀(jì)30年代開(kāi)始，研究向模具鋼中加入S
　　、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或?qū)е履＞咪撝刑嫉氖脑?，發(fā)展了各種
　　易切削模具鋼，以進(jìn)一步改善其切削性能和磨削性能，減少刀具磨料消耗、降低
　　成本。
　　B 淬透性和淬硬性
　　淬透性主要取決于鋼的化學(xué)成分和淬火前的原始組織狀態(tài)；淬硬性則主要取
　　決于鋼中的含碳量。對(duì)于大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素之
　　一。對(duì)于熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是制造大型模具，
　　其淬透性更為重要。另外，對(duì)于形狀復(fù)雜容易產(chǎn)生熱處理變形的各種模具，為了
　　減少淬火變形，往往盡可能采用冷卻能力較弱的淬火介質(zhì)，如空冷、油冷或鹽浴
　　冷卻，為了得到要求的硬度和淬硬層深度，就需要采用淬透性較好的模具鋼。
　　C 淬火溫度和熱處理變形
　　為了便于生產(chǎn)，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些，特別是當(dāng)模具采
　　用火焰加熱局部淬火時(shí)，由于難于準(zhǔn)確地測(cè)量和控制溫度，就要求模具鋼有更寬
　　的淬火溫度范圍。
　　模具在熱處理時(shí)，尤其是在淬火過(guò)程中，要產(chǎn)生體積變化、形狀翹曲、畸變
　　等，為保證模具質(zhì)量，要求模具鋼的熱處理變形小，特別是對(duì)于形狀復(fù)雜的精密
　　模具，淬火后難以修整，對(duì)于熱處理變形程度的要求更為苛刻，應(yīng)該選用微變形
　　模具鋼制造。
　　D 氧化、脫碳敏感性
　　模具在加熱過(guò)程中，如果發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，就會(huì)使其硬度、耐磨性、使
　　用性能和使用壽命降低；因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對(duì)于含鉬量
　　較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強(qiáng)，需采用特種熱處理，如真空熱處理、
　　可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。
　　其他因素
　　在選擇模具鋼時(shí)，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具
　　鋼的通用性和鋼材的價(jià)格。模具鋼一般用量不大，為了便于備料，應(yīng)盡可能地考
　　慮鋼的通用性，盡量利用大量生產(chǎn)的通用型模具鋼，以便于采購(gòu)、備料和材料管
　　理。另外還必須從經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合分析，考慮模具的制造費(fèi)用、工件的生產(chǎn)批量
　　和分?jǐn)偟矫恳粋€(gè)工件上的模具費(fèi)用。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面全面分析，以更終選定合
　　理的模具材料。