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模具鋼基本知識(shí)
簡介
模具鋼是用來制造冷沖模、熱鍛模壓鑄模等模具的鋼種。模具是機(jī)械制造、無線電儀表、電機(jī)、電器等工業(yè)部門中制造零件的主要加工工具。模具的質(zhì)量直接影響著壓力加工工藝的質(zhì)量、產(chǎn)品的精度產(chǎn)量和生產(chǎn)成本、而模具的質(zhì)量與使用壽命除了靠合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工精度外，主要受模具材料和熱處理的影響。
模具鋼大致可分為（冷作模具鋼）、（熱作模具鋼）和（塑料模具鋼）3類，用于鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。由于各種模具用途不同，工作條件復(fù)雜，因此對(duì)模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應(yīng)具有高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。由于這類用途不同，工作條件復(fù)雜，因此對(duì)模具用鋼的性能要求也不同。
冷作模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲模、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具有鋼，按其所制造具的工作條件，應(yīng)具有高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用于這類用途的合金工具用鋼一般屬于高碳合金鋼，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.80%以上，鉻是這類鋼的重要合金元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常不大于5%。但對(duì)于一些耐磨性要求很高，淬火后變形很小模具用鋼，最高鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)13%，并且為了形成大量碳化物，鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也很高，最高可達(dá)2.0%~2.3%。冷作模具鋼的碳含量較高，其組織大部分屬于過共析鋼或萊氏體鋼。常用的鋼類有高碳低合金鋼、高碳高鉻鋼、鉻鉬鋼、中碳鉻鎢釧鋼等。
熱作模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型，包括熱鍛模、壓力機(jī)鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具在工作中除要承受巨大的機(jī)械應(yīng)力外，還要承受反復(fù)受熱和冷卻的做用，而引起很大的熱應(yīng)力。熱作模具鋼除應(yīng)具有高的硬度、強(qiáng)度、紅硬性、耐磨性和韌性外，還應(yīng)具有良好的高溫強(qiáng)度、熱疲勞穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個(gè)截面具有一致的力學(xué)性能。對(duì)于壓鑄模用鋼，還應(yīng)具有表面層經(jīng)反復(fù)受熱和冷卻不產(chǎn)生裂紋，以及經(jīng)受液模具鋼態(tài)金屬流的沖擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬于中碳合金鋼，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.30%~0.60%，屬于亞共析鋼，也有一部分鋼由于加入較多的合金元素（如鎢、鉬、釩等）而成為共析或過共析鋼。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。 塑料模具包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性和耐蝕性等性能。此外，還要求具有良好的工藝性，如熱處理變小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補(bǔ)焊性能好、粗糙度高、導(dǎo)熱性好和工作條件尺寸和形狀穩(wěn)定等。一般情況下，注射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼；熱固性成形和要求高耐磨、高強(qiáng)度的模具可選用冷作模具鋼。
《模具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出發(fā)展總目標(biāo)，“十二五”期間我國模具工業(yè)總額銷售要達(dá)到1740億元左右，其中出口額占15%（即達(dá)到40億美元，在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)翻一番）；國產(chǎn)模具自配率達(dá)85%以上，中高檔模具自配率占40%以上;模具生產(chǎn)周期提高20%-30%；使用壽命提高20%-30%。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院中國模具鋼行業(yè)研究小組表示，上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，無疑將對(duì)我國的模具材料，特別是模具鋼提出更高、更嚴(yán)格的要求，同時(shí)也為我國模具鋼行業(yè)提供了更廣闊的的發(fā)展空間。
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，所以模具材料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。
冷作模具鋼大多屬于過共析鋼和萊氏體鋼，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＞咪撝刑嫉氖脑兀l(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。
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。
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。
模具在加熱過程中，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。
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、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，以最終選定合理的模具材料。
（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。
（2）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。
（3）抗壓屈服強(qiáng)度和抗壓彎曲強(qiáng)度 模具在使用過程中經(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)變量的絕對(duì)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。
在工作過程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、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)到最佳的配合。
沖擊韌性系表特征材料在一次沖擊過程中試樣在整個(gè)斷裂過程中吸收的總能量。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。
決定模具使用壽命最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)進(jìn)行對(duì)比。
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，必須在裂紋尖端具有足夠高的應(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，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)及平均的深度或長度來衡量。
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)。
◆作為塑料模具的使用情況，有種種的不同條件，模具用鋼大致應(yīng)滿足如下的要求：
（1）機(jī)械加工性能優(yōu)良：塑料模具型腔的幾何形狀非常復(fù)雜，往往有深孔、深溝槽、窄縫等加工部位。鋼材必須具有易切削的性能。
（2）拋光性能優(yōu)良：無論何種塑料模具， 其型腔的允許表面粗糙度極小，幾乎都要求能做到鏡面光澤。而要達(dá)到鏡面光澤，主要的一點(diǎn)是鋼材必須具有不低于38HRC的硬度，最好為40～46HRC，而達(dá)到55HRC為最佳。要達(dá)到鏡面光澤，首先鋼材中的夾雜物要盡量少，而且不能有氣泡存在， 并且纖維組織均勻。在大量生產(chǎn)中的模具，為了減少磨損，除了型腔的表面硬度以外，表面粗糙度也是重要條件。
（3）有良好的表面腐蝕加工性：有很多模具要求成形的塑件表面為各種其他物質(zhì)的花紋。如皮革紋、綢紋、布紋、精細(xì)圖案等。這就要求鋼材的質(zhì)地細(xì)而均勻，否則表面腐蝕的效果不佳。
（4）既要耐磨損，而且又有韌性：塑料模具是長期承受熱交變負(fù)荷的，而且又是長期經(jīng)受摩擦的。如果僅考慮耐摩擦的一面而不考慮其受熱交變負(fù)荷的一面，若使用冷沖模具用的高碳高合金鋼制造時(shí)，必然出現(xiàn)韌性不足而引起開裂。
（5）淬火性能好，變形小：塑料模具特別是熱固性塑料模具的型腔部分大都必須進(jìn)行熱處理。這就要求鋼材具有較好的淬透性和很小的變形。一般熱塑性塑料成形用模具，采用調(diào)質(zhì)、預(yù)硬化等處理即可。而熱固性塑料成形用模具則必須淬硬。
（6）電火花加工性好：塑料模的凹型腔時(shí)常采用放電加工，放電加工后表面的硬化層要淺，以便于拋光。拋光在塑料模的型腔加工中是最耗時(shí)間的。時(shí)間長則增加成本。目前對(duì)自動(dòng)拋光的技術(shù)尚未達(dá)到實(shí)用階段，仍然以手工拋光為主。硬化層厚則拋光工時(shí)增大。
（7）有耐腐蝕性：有些塑料，例如聚氯乙烯在成形時(shí)能產(chǎn)生鹽酸氣體，對(duì)型腔有腐蝕性。所以對(duì)于用于有腐蝕氣體的塑料模，必須考慮鋼材的耐腐蝕性。
（8）焊接性好：在型腔加工中，有時(shí)難免要補(bǔ)焊。因此模具鋼必須有很好地焊接性能。
◆在選擇塑膠模具鋼材時(shí)，要依以下條件而逐次考慮之，最后作出決定。
（1）塑件的生產(chǎn)批量：模具是高效率的生產(chǎn)工具。每一付模具的使用壽命，直接關(guān)系到制件的成本。設(shè)計(jì)模具時(shí)，除了按產(chǎn)量考慮每模的型腔數(shù)之外，就要考慮其使用壽命。批量小，則對(duì)鋼材的要求可以低些；而批量大時(shí)，必須選擇優(yōu)質(zhì)鋼材，以保證使用壽命而盡量避免重復(fù)制作模具。
（2）塑件的尺寸精度：塑件的尺寸精度，很大程度上取決于模具的制造精度，它又決定制件的合格率。對(duì)于要求高精度（SJ/T10628－95的3、4級(jí)精度）以及超高精度（SJ/T50628－95的1、2級(jí)精度）的塑件，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)模具鋼。
（3）制件的復(fù)雜程度：制件越復(fù)雜，型腔的加工就越困難，因而必須選用切削性能好的鋼材。制件復(fù)雜程度高，則尺寸量大，加工部位多。因而加工的應(yīng)力變形必須考慮。
（4）制件的體積大小：制件越大，型腔的切削量也越大。用大吃刀量切削時(shí)，切削應(yīng)力也大。因此對(duì)于大制件的模具最好選用易切削鋼。制件小時(shí)，型腔體積小，所用的刀具（主要是銑刀）強(qiáng)度低，切削量很小。選擇鋼材時(shí)應(yīng)選用質(zhì)地均勻，合金碳化物分布細(xì)而勻稱的鋼材。小模具多先作預(yù)硬化處理然后加工，要考慮加工的可能性。
（5）制件的外觀要求：塑件如為外觀裝飾件，則表面的質(zhì)量好壞能很大程度上影響產(chǎn)品的銷售。凡對(duì)塑件外觀有高要求的塑件，最好選用真空熔煉或電渣熔煉鋼，以達(dá)到最好的型腔拋光效果。
◆鋼材的拋光性
生產(chǎn)透明塑料制品，尤其是光學(xué)儀器，對(duì)于成型模具的拋光性（即鏡面加工性）要求很高。
影響鏡面加工性能的因素有：
（1）鋼材冶金質(zhì)量：不得采用易削鋼。采用VAD、VAR、ESR等工藝，可提高鋼的純凈度，從而提高拋光性能。
（2）組織不均勻度：即顯微偏析的影響。措施是必須掌握好出鋼后的澆注技術(shù)和鋼錠的結(jié)晶質(zhì)量；充分鍛造，以保證致密度；均熱化處理或ESR。
（3）硬度：高硬度有利于鏡面拋光。熱處理后的表面滲碳或脫碳導(dǎo)致表面質(zhì)量惡化，影響拋光性能。
（4）拋光技術(shù)：要避免拋光過程中表面接觸應(yīng)力過高。否則較軟的基體會(huì)被沖蝕，使碳化物游離出來，隨后在鋼材表面留下缺陷。
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