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，但目前中國高質(zhì)量的模具大部分依賴進口，分析進口模具的主要原因，不在于我們的優(yōu)質(zhì)鋼煉鋼水平，而是沒有認(rèn)識到整個模具鋼質(zhì)量的提高是一個系統(tǒng)控制過程。除冶金質(zhì)量外，制造過程中的鍛壓加工、預(yù)備熱處理、機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、制造精度以及機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
模具在工作時受力狀態(tài)是復(fù)雜的，如熱作模具通常在交換的溫度場下承受交變應(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)代高速沖壓、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
零件成形時材料與模具型腔表面發(fā)生相對運動，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
模具工作時承受著機械沖擊和熱沖擊的交變應(yīng)力，熱作模具在工作的過程中，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)致鋼的疲勞強度降低，因為在交變應(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散的作用，往往會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產(chǎn)生粘附或結(jié)疤現(xiàn)象，這會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（特別是局部點狀腐蝕）；減小開裂的危險，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，對表面拋光性極為有害。特別重要的是，鋼中不能含有沒有發(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塑料模具鋼的主要生產(chǎn)方式。即使是簡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，同時控制冶煉和脫氧過程，還可以改變夾雜物類型，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，這可以通過現(xiàn)代化的成形加工技術(shù)來實現(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，樹枝晶內(nèi)空隙。電渣重熔、真空電弧重熔精煉工藝，對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)計及控制，就能生產(chǎn)出鏡面加工性優(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，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，對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，對于要求整個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，要求變形小，各個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，在無保護氣氛下加熱，其表面會產(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，也會加劇脫碳。
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，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)量問題有以下幾個方面：
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，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，國內(nèi)外很多冶金廠都在致力研究生產(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，過高的S、P含量，會使鋼錠在軋制時易產(chǎn)生裂紋，而且會大大降低鋼的力學(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，其熱疲勞裂紋的長度和數(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，可使鋼45HRC時的沖擊韌度由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，因為非金屬夾雜物在鋼中所占的體積雖然很小，但對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源，可以分為內(nèi)在夾雜物和外來夾雜物，仙在的夾雜物是鋼在液態(tài)及凝固過程中形成的化合物。
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)展擴大而導(dǎo)致性能降低。塑性夾雜物的存在，隨著鍛軋過程延展變形，致使鋼材產(chǎn)生各向異性。同時夾雜物拋光過程中的剝落，提高了模具的表面粗糙度。因此，對于大型和重要的模具來說，提高鋼的純凈度是十分重要的。
4、白點
白點是熱軋鋼坯和大型鍛件中比較常見的缺陷，是鋼的內(nèi)部破裂的一種。白點的存在對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，熱處理時使鍛件淬火開裂，或使用時發(fā)展成更為嚴(yán)重的破壞事故，所以在任何情況下，都不能使用有白點的鍛件。不同的鋼對白點的敏感程度是不同的，一般認(rèn)為容易發(fā)生白點的鋼有鉻鋼、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白點的敏感性最大。白點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。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，若增加碳化物元素Cr、Mo和V后可以降低白點的敏感性。這類鋼在生產(chǎn)中一定要注意脫氣和加強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4Cr5MoSiV1鋼進行過試驗，氧含量最好不超過1.5*10-5，哪日本山陽特殊鋼公司規(guī)定高純凈度鋼氧含量不大于1.0*10-5。因此，近年來，為了提高模具的制造質(zhì)量。國內(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淬火變形、開裂、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中常存在的一種缺陷。是鋼錠在凝固過程中形成的，與鋼的化學(xué)成分和澆注溫度等有關(guān)。一般分為樹枝狀的偏析、方形偏析、點狀偏析等。由于樹枝狀的偏析的存在，使負(fù)然各個不同的方向的力學(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，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，對模具的拋光性能也有一定的影響。因此，國外相關(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，在這些地方因為集中了較多的雜質(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1級或2級，用于表盤或透光件等的塑料模具用鋼，要求疏松不超過1級。
羅百輝
