如何合理選擇模具鋼材？

如何合理選擇模具鋼材？
如何合理選擇模具鋼材，是一個比較復雜的系統工程，但也是模具制造的關鍵環節，是關系到模具壽命和成本的一項重要工作，下面從模具鋼材的基本性能、工藝性能、冶金質量、通用性及使用要求等因素來分析。
㈠模具鋼材的基本性能進行模具鋼材選擇時，必須首先考慮模具鋼材的某些基本性能必須能適應所制造的模具的需要，在一般情況下，其中三種性能是主要的，即鋼的耐磨性、韌性、硬度和紅硬性。這三種性能可以比較全面地反映模具鋼材的綜合性能，應可以在一定程度上決定其應用范圍。當然對于一種模具的要求來說，可能其中的一種或兩種是主要的，而另外的一種或兩種是次要的。
⒈模具鋼材的耐磨性模具工作時，表面往往要與工件產生多次強烈的摩擦，模具必須在此情況下仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度，不致于早期失效。要求模具鋼材既能承受機械磨損，而且在承受重載和高速摩擦時，模具被摩擦表面能夠形成薄而致密附著的氧化模，保持潤滑作用，防止模具和被加工工件的表面之間產生粘附、焊接招致工件表面擦傷，又能減少模具表面進一步氧化造成的損傷。為了改善模具鋼材的耐磨性，就要采取合理的生產工藝和處理工藝，使模具鋼材既具有高硬度又使模具鋼中的碳化物等硬化相的組成、形貌和分布合理，當然模具工作過程中的潤滑情況和模具鋼材的表面處理，也對改善模具的耐磨性能有良好的影響。
⒉模具鋼材的韌性對于受強烈沖擊載荷的模具，如冷作模具的沖頭，錘用熱鍛模具、冷鐓模具、熱鐓鍛模具等，模具鋼材的韌性是十分重要的考慮因素，對于在高溫下工作的模具，還必須考慮其在工作溫度下的高溫韌性。對于多向受沖擊載荷的模具，還必須考慮其等向性。模具鋼材的化學成分、晶粒度、碳化物、夾雜物的組成數量、形貌、尺寸和分布情況：金相組織、微觀偏析等，都會對模具鋼材的韌性帶來影響。鋼的純凈度、鍛軋變形的方向會對橫向性能產生很大的影響。模具材料的韌性往往和耐磨性、硬度是互相矛盾的。因之根據模具的具體工作情況，選擇合理的模具材料，并采用合理的精煉、熱加工和熱處理、表面處理工藝使模具鋼材得到耐磨性和韌性等綜合性能的***佳配合，以適應模具的需要，是模具鋼材的重要發展的途徑。
⒊硬度和紅硬性硬度是模具鋼材的主要技術性能指標，模具在工作時必須具有高的硬度和強度，才能保持其原來的形狀和尺寸，一般冷作模具鋼，要求其淬回火硬度為HRC60左右，而熱作模具鋼為HRC45~50左右，并且要求熱作模具鋼材在其工作溫度下仍保持一定的硬度。紅硬性是指模具鋼材在一定溫度下保持其硬度和組織穩定性抗軟化的能力，對于熱作模具鋼和部分重載荷冷作模具鋼，是重要的性能指標。另外，還要根據不同模具的實際工作條件，分別考慮其實際要求的性能，如對熱作模具鋼要考慮其抗冷熱疲勞性能，對壓鑄模具應考慮其耐融熔金屬的沖蝕性能；對于重載荷型腔模具應注意其等向性；對于高溫工作的熱作模具應考慮其在工作溫度下的抗氧化性能；對于在腐蝕介質工作的模具，應注意其抗腐蝕性能；對在高載荷下工作的模具應考慮其抗壓強度、抗拉強度和抗彎強度、疲勞強度及斷裂韌度等。
㈡模具鋼材的工藝性能在模具總的制造成本中，特別是對于小型精密復雜模具，模具材料費往往只占總成本的1***～2***，有時甚至低于1***；而機械加工、熱處理、表面處理、裝配、管理等費用要占成本的8***以上。所以模具材料的工藝性能就成為影響模具成本的一個重要因素，改善模具的工藝性能，不僅可以使模具生產工藝簡單，易于制造，而且可以有效地降低模具制造費用。模具材料的工藝性能，經常要考慮的有以下幾種。
⒈可加工性模具材料的可加工性包括冷加工性能，如切削、磨削、拋光、冷擠壓、冷拉工藝性，熱加工性能包括熱塑性和熱加溫度范圍等。模具鋼主要屬于過共析鋼和萊氏體鋼，冷加工和熱加工性能一般都不太好，在生產過程中，必須嚴格地控制熱加工和冷加工的工藝參數，以避免產生缺陷和廢品，另一方面還必須通過改善鋼的純凈度，減少有害的雜質，改善鋼的組織狀態，并采取一些措施，以改善鋼的工藝性能，降低模具的制造費用。為了改善模具鋼的切削性和磨削性，從20世紀30年代開始，研究向鋼中加入適量的硫、鉛、鈣、稀土金屬等元素或導致模具鋼中碳的石墨化的元素，發展了各種易切削模具鋼。以后發現有些易切削元素加入以后，會在模具鋼中生產一些有害的夾雜物（如硫化鐵等），會使鋼的力學性能，特別是橫向的塑性、韌性下降，于是又在精煉后期對鋼水進行變性處理，通過加入變性劑（如SiCa，稀土元素等），形成富鈣硫化物或稀土硫化物使硫化物球化，抑制了硫對鋼的力學性能的不利影響，保留和發揮了其對鋼的可加工性和磨削性的有利作用，使易切削模具鋼得到進一步地發展。有些模具材料，如高釩高速鋼、高釩高合金模具鋼的磨削性很差、磨削比很低，不便于磨削加工，近年來改用粉末冶金生產，可以使鋼中的碳化物細小、均勻，完全消除了普通工藝生產的高釩模具鋼中的大顆粒碳化物，不但使這類鋼的磨削性大為改善，而且改善了鋼的塑性、韌性等性能，使之能在模具制造中推廣應用。有些模具對表面粗糙度要求很低，如要求鏡面拋光的塑料模具和一些冷作模具。就要采用拋光性能很好的模具材料，這類鋼種往往要采用電渣重熔或真空電弧重熔等工藝進行精煉，得到高純凈度的鋼材，以適應鏡面拋光的要求。
⑴皮紋加工性：有些塑料制品要求制造有皮紋、裝飾性圖案或文字花樣的表面，為了生產這些制品，就要求在壓制這些制品的模具表面加工出相應的清晰的花紋、圖案來。而加工這些圖案、皮紋一般是采用化學蝕刻工藝，要求模具材料要能適應這種化學蝕刻工藝，蝕刻以后，能夠在模具表面得到圖案清晰、紋理清楚的皮紋和圖案。
⑵鑄造工藝性能：為了簡化生產工藝，國內外近年來致力于發展采用鑄造工藝直接生產出接近成品模具形狀的鑄造毛坯。如我國已經研究采用鑄造工藝生產一部分冷作模具、熱作模具和玻璃成形模具。相應地發展了一些鑄造模具用鋼，對這類材料要求具有良好的鑄造工藝性能，如流動性、收縮率等。
⑶焊接性：有些模具要求在工作條件***苛刻的部分堆焊接特種耐磨或耐蝕材料，有些模具希望在使用過程中采用堆焊工藝進行修復后重新使用。對這類模具就要求選用焊接性好的模具材料，以簡化焊接工藝，可以避免或簡化焊前預熱和焊后處理工藝，更好地適應焊接工藝的需要，相尖地發展了一批焊接性良好的模具材料。
⑷冷變形性：為了簡化工藝，提高模具的制造效率，對批量生產的型腔模具，有些采用冷擠壓工藝壓制型腔，用淬硬的凸模將模具的型腔直接壓制出來，要求模具材料具有良好的冷變形性能，如塑料模具鋼中的低碳低硅鋼就具有良好的冷變形性能。
⒉淬火溫度和淬火變形為了便于生產，希望模具材料的淬火溫度范圍要寬一些，特別是有些模具要求采用火焰加熱局部淬火時，難以***地測量和控制溫度，就要求模具鋼能適應較寬的淬火溫度范圍，模具在熱處理時，要求其變形程度要小，特別是一些形狀復雜的精密模具，淬硬以后難以修整，就對淬回火的變形程度要求更為嚴格，應該選用微變形模具鋼制造。
⒊淬透性和淬硬性淬硬性主要取決于鋼的碳含量，淬透性主要取決于鋼的化學成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態。對于大部分要求高硬度的冷作模具，對淬硬性要求較高；對于大部分熱作模具和塑料模具，對于硬度的要求不太高，往往更多地考慮其淬透性；特別是對于一些大截面深型腔模具，為了使模具的心部也能得到良好的組織和均勻的硬度，就要求選用淬透性好的模具鋼。另外對于形狀復雜、要求精度高又容易產生熱處理變形的模具，為了減少其熱處理變形，往往盡可能采用冷卻能力弱的淬火介質（如油冷、空冷、加壓淬火或鹽浴淬火），就需要采用淬透性較好的模具材料，以得到滿意的淬火硬度和淬硬層深度。
⒋氧化脫碳敏感性模具在加熱過程中，如果產生氧化、脫碳現象，就會改變模具的形狀和性能，影響模具的硬度、耐磨性和使用壽命，招致模具早期失效。有些鉬含量高的模具鋼，由于容易氧化、脫碳，有一段時間限制了其推廣應用，直到熱處理工藝裝備發展以后，采用特種熱處理工藝（如真空熱處理，可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等）以后，能夠避免氧化、脫碳，這類模具鋼，才順利得到推廣應用。鉬基合金雖然具有極為***的高溫性能，但是由于在高溫下極易氧化，嚴重地限制了其應用范圍。
㈢模具鋼材的冶金質量冶金質量也對模具鋼材的性能有很大的影響，只有具有***的冶金質量，才能充分發揮模具鋼材的各種性能。因此對于生產精密、復雜、長壽命的模具，必須選用冶金質量***的適宜的材料。國內外主要冶金生產部門也千方百計致力于模具鋼材冶金質量的提高。主要有以下幾個方面：
⒈冶煉質量對于高質量的模具鋼材，國內外廣泛采用爐外精煉、真空處理、真空冶煉、噴粉處理、電渣重熔等工藝、降低鋼中的有害元素、氧、氫和夾雜物的含量，進行化學成分和澆注溫度的微調。通過電渣重熔還能夠有效地改善鋼的低倍組織和致密度，提高模具鋼材的等向性。國內一些生產廠的試驗說明電弧爐生產的4Cr5MoSiV1鋼的橫向沖擊韌度值只相當于縱向的31%，通過電渣重熔以后的4Cr5MoSiV1鋼，橫向沖擊韌度值可相當于縱向的7***，提高1倍以上。對于特殊要求的模具鋼材，則采用粉末冶金工藝生產的粉末高速鋼和粉末高合金模具鋼，可以更好地改善鋼的組織和性能。
⒉鍛造軋制工藝在保證一定的鍛造比的基礎上，盡可能采用鐓粗一拔長鍛造和交叉軋制工藝，以提高模具材料的等向性。為了減少加工余量，提高材料的利用率，廣泛采用精鍛機、快鍛水壓機、高精度連軋機生產，提供高精度的鋼材適應模具制造的需要。
⒊熱處理和精加工鍛、軋材的熱處理，應采用可控氣氛或真空熱處理，避免氧化脫碳，對有些塑料模具鋼和熱作模具鋼應由冶金部門進行預硬處理。對有些要求高的熱作模具材料應由冶金部門預先進行組織細化處理，消除鋼中的粗大碳化物和鏈狀分布的碳化物，得到細小、均勻分布的碳化物組織，以進一步改善鋼的各種性能，特別是等向性。根據國外的一些報道，有些熱作模具鋼通過電渣重熔—多向鍛造（軋制）—組織細化處理，生產出高質量高等向性的模具鋼，其橫向的沖擊韌度值可以相當于縱向的9***以上。不少鋼廠對這種工藝生產的鋼命名了商***號,如奧地利伯樂鋼廠的ISODISC；日本日立金屬公司的ISOTROPY，日本高周波鋼業公司的MICROFINE等，我國不少冶金生產部門也在致力于這項工作。另外從鋼材各部位的冶金質量考慮，制造模具時應注意使模具的主要工作面（如型腔或刃部）選擇接近鋼材的表面位置；因為在一般情況下鋼材的表面是鋼材比較清潔的部位，而鋼材的心部是鋼材低倍缺陷比較集中的區域；特別是在大截面萊氏體鋼材中，中心部位鋼的共晶碳化物不均勻度會比表面部位高出2～3級。還有模具的主要承受載荷的方向***能選擇與鋼材的變形方向相一致，以減少鋼材的各向異性對模具的不利影響。
⒋導熱性導熱性也是模具鋼材，特別是有些熱作模具鋼材和塑料模具鋼材的主要性能指標之一。導熱性好的模具鋼材，能把加工中產生的熱量和加工工件傳來的熱量迅速傳出，避免模具工作表面產生過熱現象改善模具的工作條件。對一些熱塑性塑料成形用的模具和一些壓鑄模具，為了加快生產節奏希望壓制的工件迅速降溫脫模，以提高生產率，為了解決這一問題，有時選用一些比鋼鐵導熱性更好的模具材料，如高強度銅合金、高強度鋁合金等。
⒌精料和制品化為了縮短了模具的制造周期，模具制造部門在選購模具鋼材時，應可能選用精料和制品，如經過剝皮，冷拔或磨削加工的精品鋼材，經過粗加工、精加工、甚至精加工淬火回火的模塊。模具制造部門利用這些精料和制品稍進行加工即可與標準模架裝配使用。既可以有效地縮短模具制造周期，適應模具使用部門的需要，又因為前一階段精料和制品的生產是在冶金廠高效率大批量生產的，可以降低生產費用，提高材料利用率。㈣合理選擇模具鋼材應考慮的其他因素在進行模具鋼材選擇時，根據模具的使用條件和要求，除了必須考慮以上各種因素，特別是模具鋼材的主要性能必須與模具的使用條件要求相適應外，還需要考慮選用的模具鋼材的價格和通用性。一般情況下，當生產的工件批量很大，模具的尺寸較小時，模具鋼材在模具制造費用中所占的份額很小，模具鋼材的價格可不作為主要考慮的指標，可以盡量選擇比較***的適用的模具鋼材。而對于大型或特大型形狀較簡單的模具，由于模具鋼材的費用將在模具總的成本中占較大的份額，所以可以根據生產工件的批量，選用價格較低的模具鋼材，或者模具本體選用價格低的模具鋼材，而在模具的關鍵工作部位，如型腔或刃口處，采用鑲塊或堆焊的方法將***的模具鋼材鑲上去或堆焊上去，既能提高模具的使用壽命，又能降低材料費用。模具鋼材的通用性，也是選用模具鋼材時必須考慮的因素。模具鋼材一般用量不大，品種、規格很多，為了便于在市場上采購和備料，應該考慮材料的通用性。除了特殊要求以外，盡可能采用大量生產的通用型模具鋼材，由于通用型模具鋼材技術比較成熟，積累的生產工藝和使用經驗較多，性能數據也比較完整，便于在設計和制造過程中參考。另外選用通用型模具鋼材，可以便于采購、備料和材料管理工作。