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如何合理选择模具钢材?

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如何合理选择模具钢材?如何合理选择模具钢材,是一个比较复杂的系统工程,但也是模具制造的关键环节,是关系到模具寿命和成本的一项重要工作,下面从模具钢材的基本性能、工艺性能、冶金质量、通用性及使用要求等因素来分析。㈠模具钢材的基本性能进行模具钢材选择时,必须首先考虑模具钢材的某些基本性能必须能适应所制造的模具的需要,在一般情况下,其中三种性能是主要的,即钢的耐磨性、韧性、硬度和红硬性。这三种性能可以比较全面地反映模具钢材的综合性能,应可以在一定程度上决定其应用范围。当然对于一种模具的要求来说,可能其中的一种或两种是主要的,而另外的一种或两种是次要的。⒈模具钢材的耐磨性模具工作时,表面往往要与工件产生多次强烈的摩擦,模具必须在此情况下仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度,不致于早期失效。要求模具钢材既能承受机械磨损,而且在承受重载和高速摩擦时,模具被摩擦表面能够形成薄而致密附着的氧化模,保持润滑作用,防止模具和被加工工件的表面之间产生粘附、焊接招致工件表面擦伤,又能减少模具表面进一步氧化造成的损伤。为了改善模具钢材的耐磨性,就要采取合理的生产工艺和处理工艺,使模具钢材既具有高硬度又使模具钢中的碳化物等硬化相的组成、形貌和分布合理,当然模具工作过程中的润滑情况和模具钢材的表面处理,也对改善模具的耐磨性能有良好的影响。⒉模具钢材的韧性对于受强烈冲击载荷的模具,如冷作模具的冲头,锤用热锻模具、冷镦模具、热镦锻模具等,模具钢材的韧性是十分重要的考虑因素,对于在高温下工作的模具,还必须考虑其在工作温度下的高温韧性。对于多向受冲击载荷的模具,还必须考虑其等向性。模具钢材的化学成分、晶粒度、碳化物、夹杂物的组成数量、形貌、尺寸和分布情况:金相组织、微观偏析等,都会对模具钢材的韧性带来影响。钢的纯净度、锻轧变形的方向会对横向性能产生很大的影响。模具材料的韧性往往和耐磨性、硬度是互相矛盾的。因之根据模具的具体工作情况,选择合理的模具材料,并采用合理的精炼、热加工和热处理、表面处理工艺使模具钢材得到耐磨性和韧性等综合性能的最佳配合,以适应模具的需要,是模具钢材的重要发展的途径。⒊硬度和红硬性硬度是模具钢材的主要技术性能指标,模具在工作时必须具有高的硬度和强度,才能保持其原来的形状和尺寸,一般冷作模具钢,要求其淬回火硬度为HRC60左右,而热作模具钢为HRC45~50左右,并且要求热作模具钢材在其工作温度下仍保持一定的硬度。红硬性是指模具钢材在一定温度下保持其硬度和组织稳定性抗软化的能力,对于热作模具钢和部分重载荷冷作模具钢,是重要的性能指标。另外,还要根据不同模具的实际工作条件,分别考虑其实际要求的性能,如对热作模具钢要考虑其抗冷热疲劳性能,对压铸模具应考虑其耐融熔金属的冲蚀性能;对于重载荷型腔模具应注意其等向性;对于高温工作的热作模具应考虑其在工作温度下的抗氧化性能;对于在腐蚀介质工作的模具,应注意其抗腐蚀性能;对在高载荷下工作的模具应考虑其抗压强度、抗拉强度和抗弯强度、疲劳强度及断裂韧度等。㈡模具钢材的工艺性能在模具总的制造成本中,特别是对于小型精密复杂模具,模具材料费往往只占总成本的10%~20%,有时甚至低于10%;而机械加工、热处理、表面处理、装配、管理等费用要占成本的80%以上。所以模具材料的工艺性能就成为影响模具成本的一个重要因素,改善模具的工艺性能,不仅可以使模具生产工艺简单,易于制造,而且可以有效地降低模具制造费用。模具材料的工艺性能,经常要考虑的有以下几种。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、抛光、冷挤压、冷拉工艺性,热加工性能包括热塑性和热加温度范围等。模具钢主要属于过共析钢和莱氏体钢,冷加工和热加工性能一般都不太好,在生产过程中,必须严格地控制热加工和冷加工的工艺参数,以避免产生缺陷和废品,另一方面还必须通过改善钢的纯净度,减少有害的杂质,改善钢的组织状态,并采取一些措施,以改善钢的工艺性能,降低模具的制造费用。为了改善模具钢的切削性和磨削性,从20世纪30年代开始,研究向钢中加入适量的硫、铅、钙、稀土金属等元素或导致模具钢中碳的石墨化的元素,发展了各种易切削模具钢。以后发现有些易切削元素加入以后,会在模具钢中生产一些有害的夹杂物(如硫化铁等),会使钢的力学性能,特别是横向的塑性、韧性下降,于是又在精炼后期对钢水进行变性处理,通过加入变性剂(如SiCa,稀土元素等),形成富钙硫化物或稀土硫化物使硫化物球化,抑制了硫对钢的力学性能的不利影响,保留和发挥了其对钢的可加工性和磨削性的有利作用,使易切削模具钢得到进一步地发展。有些模具材料,如高钒高速钢、高钒高合金模具钢的磨削性很差、磨削比很低,不便于磨削加工,近年来改用粉末冶金生产,可以使钢中的碳化物细小、均匀,完全消除了普通工艺生产的高钒模具钢中的大颗粒碳化物,不但使这类钢的磨削性大为改善,而且改善了钢的塑性、韧性等性能,使之能在模具制造中推广应用。有些模具对表面粗糙度要求很低,如要求镜面抛光的塑料模具和一些冷作模具。就要采用抛光性能很好的模具材料,这类钢种往往要采用电渣重熔或真空电弧重熔等工艺进行精炼,得到高纯净度的钢材,以适应镜面抛光的要求。⑴皮纹加工性:有些塑料制品要求制造有皮纹、装饰性图案或文字花样的表面,为了生产这些制品,就要求在压制这些制品的模具表面加工出相应的清晰的花纹、图案来。而加工这些图案、皮纹一般是采用化学蚀刻工艺,要求模具材料要能适应这种化学蚀刻工艺,蚀刻以后,能够在模具表面得到图案清晰、纹理清楚的皮纹和图案。⑵铸造工艺性能:为了简化生产工艺,国内外近年来致力于发展采用铸造工艺直接生产出接近成品模具形状的铸造毛坯。如我国已经研究采用铸造工艺生产一部分冷作模具、热作模具和玻璃成形模具。相应地发展了一些铸造模具用钢,对这类材料要求具有良好的铸造工艺性能,如流动性、收缩率等。⑶焊接性:有些模具要求在工作条件最苛刻的部分堆焊接特种耐磨或耐蚀材料,有些模具希望在使用过程中采用堆焊工艺进行修复后重新使用。对这类模具就要求选用焊接性好的模具材料,以简化焊接工艺,可以避免或简化焊前预热和焊后处理工艺,更好地适应焊接工艺的需要,相尖地发展了一批焊接性良好的模具材料。⑷冷变形性:为了简化工艺,提高模具的制造效率,对批量生产的型腔模具,有些采用冷挤压工艺压制型腔,用淬硬的凸模将模具的型腔直接压制出来,要求模具材料具有良好的冷变形性能,如塑料模具钢中的低碳低硅钢就具有良好的冷变形性能。⒉淬火温度和淬火变形为了便于生产,希望模具材料的淬火温度范围要宽一些,特别是有些模具要求采用火焰加热局部淬火时,难以精确地测量和控制温度,就要求模具钢能适应较宽的淬火温度范围,模具在热处理时,要求其变形程度要小,特别是一些形状复杂的精密模具,淬硬以后难以修整,就对淬回火的变形程度要求更为严格,应该选用微变形模具钢制造。⒊淬透性和淬硬性淬硬性主要取决于钢的碳含量,淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。对于大部分要求高硬度的冷作模具,对淬硬性要求较高;对于大部分热作模具和塑料模具,对于硬度的要求不太高,往往更多地考虑其淬透性;特别是对于一些大截面深型腔模具,为了使模具的心部也能得到良好的组织和均匀的硬度,就要求选用淬透性好的模具钢。另外对于形状复杂、要求精度高又容易产生热处理变形的模具,为了减少其热处理变形,往往尽可能采用冷却能力弱的淬火介质(如油冷、空冷、加压淬火或盐浴淬火),就需要采用淬透性较好的模具材料,以得到满意的淬火硬度和淬硬层深度。⒋氧化脱碳敏感性模具在加热过程中,如果产生氧化、脱碳现象,就会改变模具的形状和性能,影响模具的硬度、耐磨性和使用寿命,招致模具早期失效。有些钼含量高的模具钢,由于容易氧化、脱碳,有一段时间限制了其推广应用,直到热处理工艺装备发展以后,采用特种热处理工艺(如真空热处理,可控气氛热处理、盐浴热处理等)以后,能够避免氧化、脱碳,这类模具钢,才顺利得到推广应用。钼基合金虽然具有极为优秀的高温性能,但是由于在高温下极易氧化,严重地限制了其应用范围。㈢模具钢材的冶金质量冶金质量也对模具钢材的性能有很大的影响,只有具有优秀的冶金质量,才能充分发挥模具钢材的各种性能。因此对于生产精密、复杂、长寿命的模具,必须选用冶金质量优秀的适宜的材料。国内外主要冶金生产部门也千方百计致力于模具钢材冶金质量的提高。主要有以下几个方面:⒈冶炼质量对于高质量的模具钢材,国内外广泛采用炉外精炼、真空处理、真空冶炼、喷粉处理、电渣重熔等工艺、降低钢中的有害元素、氧、氢和夹杂物的含量,进行化学成分和浇注温度的微调。通过电渣重熔还能够有效地改善钢的低倍组织和致密度,提高模具钢材的等向性。国内一些生产厂的试验说明电弧炉生产的4Cr5MoSiV1钢的横向冲击韧度值只相当于纵向的31%,通过电渣重熔以后的4Cr5MoSiV1钢,横向冲击韧度值可相当于纵向的70%,提高1倍以上。对于特殊要求的模具钢材,则采用粉末冶金工艺生产的粉末高速钢和粉末高合金模具钢,可以更好地改善钢的组织和性能。⒉锻造轧制工艺在保证一定的锻造比的基础上,尽可能采用镦粗一拔长锻造和交叉轧制工艺,以提高模具材料的等向性。为了减少加工余量,提高材料的利用率,广泛采用精锻机、快锻水压机、高精度连轧机生产,提供高精度的钢材适应模具制造的需要。⒊热处理和精加工锻、轧材的热处理,应采用可控气氛或真空热处理,避免氧化脱碳,对有些塑料模具钢和热作模具钢应由冶金部门进行预硬处理。对有些要求高的热作模具材料应由冶金部门预先进行组织细化处理,消除钢中的粗大碳化物和链状分布的碳化物,得到细小、均匀分布的碳化物组织,以进一步改善钢的各种性能,特别是等向性。根据国外的一些报道,有些热作模具钢通过电渣重熔—多向锻造(轧制)—组织细化处理,生产出高质量高等向性的模具钢,其横向的冲击韧度值可以相当于纵向的90%以上。不少钢厂对这种工艺生产的钢命名了商品牌号,如奥地利伯乐钢厂的ISODISC;日本日立金属公司的ISOTROPY,日本高周波钢业公司的MICROFINE等,我国不少冶金生产部门也在致力于这项工作。另外从钢材各部位的冶金质量考虑,制造模具时应注意使模具的主要工作面(如型腔或刃部)选择接近钢材的表面位置;因为在一般情况下钢材的表面是钢材比较清洁的部位,而钢材的心部是钢材低倍缺陷比较集中的区域;特别是在大截面莱氏体钢材中,中心部位钢的共晶碳化物不均匀度会比表面部位高出2~3级。还有模具的主要承受载荷的方向最好能选择与钢材的变形方向相一致,以减少钢材的各向异性对模具的不利影响。⒋导热性导热性也是模具钢材,特别是有些热作模具钢材和塑料模具钢材的主要性能指标之一。导热性好的模具钢材,能把加工中产生的热量和加工工件传来的热量迅速传出,避免模具工作表面产生过热现象改善模具的工作条件。对一些热塑性塑料成形用的模具和一些压铸模具,为了加快生产节奏希望压制的工件迅速降温脱模,以提高生产率,为了解决这一问题,有时选用一些比钢铁导热性更好的模具材料,如高强度铜合金、高强度铝合金等。⒌精料和制品化为了缩短了模具的制造周期,模具制造部门在选购模具钢材时,应可能选用精料和制品,如经过剥皮,冷拔或磨削加工的精品钢材,经过粗加工、精加工、甚至精加工淬火回火的模块。模具制造部门利用这些精料和制品稍进行加工即可与标准模架装配使用。既可以有效地缩短模具制造周期,适应模具使用部门的需要,又因为前一阶段精料和制品的生产是在冶金厂高效率大批量生产的,可以降低生产费用,提高材料利用率。㈣合理选择模具钢材应考虑的其他因素在进行模具钢材选择时,根据模具的使用条件和要求,除了必须考虑以上各种因素,特别是模具钢材的主要性能必须与模具的使用条件要求相适应外,还需要考虑选用的模具钢材的价格和通用性。一般情况下,当生产的工件批量很大,模具的尺寸较小时,模具钢材在模具制造费用中所占的份额很小,模具钢材的价格可不作为主要考虑的指标,可以尽量选择比较高级的适用的模具钢材。而对于大型或特大型形状较简单的模具,由于模具钢材的费用将在模具总的成本中占较大的份额,所以可以根据生产工件的批量,选用价格较低的模具钢材,或者模具本体选用价格低的模具钢材,而在模具的关键工作部位,如型腔或刃口处,采用镶块或堆焊的方法将高级的模具钢材镶上去或堆焊上去,既能提高模具的使用寿命,又能降低材料费用。模具钢材的通用性,也是选用模具钢材时必须考虑的因素。模具钢材一般用量不大,品种、规格很多,为了便于在市场上采购和备料,应该考虑材料的通用性。除了特殊要求以外,尽可能采用大量生产的通用型模具钢材,由于通用型模具钢材技术比较成熟,积累的生产工艺和使用经验较多,性能数据也比较完整,便于在设计和制造过程中参考。另外选用通用型模具钢材,可以便于采购、备料和材料管理工作。