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判斷模具鋼質(zhì)量的要求和依據(jù)是什么？
根據(jù)模具的不同使用條件、環(huán)境和條件，應(yīng)選擇不同特性的模具鋼。在模具制造過程中，模具的使用壽命、精度、質(zhì)量和表面性能不僅與模具設(shè)計、制造精度、機(jī)床和操作條件有關(guān)，還與模具材料和熱處理工藝密切相關(guān)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，約10%的模具早期失效是由于材料選擇不當(dāng)和內(nèi)部缺陷造成的，約50%是由于熱處理不當(dāng)造成的。因此，正確選擇優(yōu)質(zhì)模具鋼并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砭哂兄匾饬x。模具鋼的特性主要包括使用性能、工藝性能和冶金質(zhì)量。
1.模具鋼對工作性能的要求
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模具在工作過程中的應(yīng)力狀態(tài)是復(fù)雜的。例如，熱加工模具在交換溫度場下通常承受交變應(yīng)力，因此它應(yīng)具有良好的抗軟化或塑性變形能力，并且在長期工作環(huán)境下仍能保持模具的形狀和尺寸精度。硬度是模具鋼的基本性能之一。冷加工模具的硬度通常選擇在58HRC以上，而熱加工模具的硬度，尤其是那些需要高抗熱疲勞性的模具，通常約為45HRC。對于常用的塑料模具，一般硬度約為35HRC。
②強(qiáng)度和韌性
在零件成形過程中，模具承受著巨大的沖擊、變形等載荷。特別是隨著現(xiàn)代高速沖壓、高速精密鍛造、液態(tài)成形和一次成形技術(shù)的發(fā)展，模具承受的載荷越來越大，這往往導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度和韌性不足而導(dǎo)致早期失效，導(dǎo)致型腔邊緣或局部塌陷、邊緣塌陷或斷裂。因此，熱處理后的模具應(yīng)具有較高的硬度和韌性。
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當(dāng)零件成形時，材料和模腔表面之間的相對運(yùn)動導(dǎo)致模腔表面的磨損，這使得模具的尺寸精度、形狀和表面粗糙度發(fā)生變化并失效。磨損是一個復(fù)雜的過程，有許多影響因素，這些因素不僅取決于作用在模具上的外部條件，還取決于所用鋼的化學(xué)成分不均勻性、顯微組織和機(jī)械性能。
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模具工作時，承受機(jī)械沖擊和熱沖擊的交變應(yīng)力。在熱作模具工作過程中，熱交變應(yīng)力明顯導(dǎo)致模具熱裂。由應(yīng)力和溫度梯度引起的裂紋通常在型腔表面形成淺而薄的裂紋，裂紋的快速擴(kuò)展導(dǎo)致模具失效。此外，鋼的化學(xué)成分和顯微組織的不均勻、鋼中非金屬夾雜物、氣孔和微裂紋等冶金缺陷會導(dǎo)致鋼的疲勞強(qiáng)度降低，因為在交變應(yīng)力的作用下，疲勞裂紋首先出現(xiàn)在這些薄弱區(qū)域并發(fā)展成疲勞失效。
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由于兩個金屬原子的相互作用或單相擴(kuò)散，一些被加工的金屬經(jīng)常粘附在工具和模具的表面，特別是一些切削工具、剪切工具和沖壓工具的表面會被粘附或結(jié)疤，這將影響切削刃的鋒利度以及局部組織和化學(xué)成分的變化，并導(dǎo)致切削刃部分開裂或粘附金屬脫落和擦傷模具，從而使工件表面粗糙。因此，良好的附著力也非常重要。
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隨著模具，特別是塑料模具的廣泛使用，需要具有低的表面粗糙度值(有時甚至是鏡面的程度)，這影響模具的壽命和生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量。高表面質(zhì)量可以減少腐蝕(尤其是局部點(diǎn)蝕)；為了降低開裂風(fēng)險，拋光鋼的化學(xué)成分、顯微組織、硬度和碳化物分布必須均勻。大的碳化物，特別是當(dāng)它們被分離和帶狀時，對表面拋光極其有害。尤其重要的是，鋼不應(yīng)含有大量氧化物夾雜或偏析而不變形，因此必須嚴(yán)格控制熔煉和脫氧過程。真空電弧重熔和電渣重熔效果良好，已成為目前塑料模具鋼的主要生產(chǎn)方式。即使簡單的真空脫氣也有助于消除大的氧化物夾雜。這些熔煉過程不僅可以降低氧化物的含量，還可以使它們更細(xì)、更均勻。同時，可以控制熔煉和脫氧過程，改變夾雜物的類型以軟化它們，并具有更好的塑性韌性以改善拋光性能。
鋼中任何未閉合的空洞都會影響其拋光性能，因此在熱加工中有必要壓縮氣孔等冶金缺陷并保持組織致密，這可以通過現(xiàn)代成形技術(shù)來實現(xiàn)。例如，反復(fù)鐓粗和拉拔技術(shù)、旋轉(zhuǎn)鍛造技術(shù)、高溫等靜壓等可以細(xì)化原始鑄態(tài)組織和枝晶空洞。電渣重熔和真空電弧重熔精煉工藝也非常有利于鋼產(chǎn)品的均勻性。對于熱處理或表面硬化引起的缺陷，應(yīng)盡可能避免硬度不均勻的脫碳。這些措施，加上合理的成分設(shè)計和控制，可以生產(chǎn)出具有優(yōu)良鏡面加工性能的鋼。
此外，根據(jù)模具工作條件和環(huán)境的不同，應(yīng)考慮所用模具鋼應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、抗氧化性和導(dǎo)磁率。
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可加工性
鋼的可加工性主要包括可加工性和冷熱塑性變形，這取決于化學(xué)成分、熱處理后的顯微組織和冶金生產(chǎn)的內(nèi)在質(zhì)量。近年來，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夾雜物的分布狀態(tài)，從而改善模具鋼的表面質(zhì)量并減少模具的磨損。在熱加工過程中，對一些高碳高合金模具鋼來說，改善碳化物的形狀和分布、晶粒度和奧氏體合金化程度是非常重要的。
除了良好的可加工性，它還應(yīng)該具有良好的電加工性、沖壓和模具車削加工性等。
淬透性和硬化能力
根據(jù)不同的工作條件，模具對這兩種性能的要求是不同的。對于要求斷面具有高硬度均勻性的模具，如錘鍛模具鋼，具有高淬透性更重要，而對于僅要求高硬度的小模具，如沖裁模具鋼，具有高淬透性更重要。
熱處理變形能力
在熱處理過程中，模具零件應(yīng)具有較小的變形，所sus630密度有方向的變化相似，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。淬火變形小，除了淬火溫度、時間和冷卻介質(zhì)等因素外，主要取決于鋼的成分均勻性、冶金質(zhì)量和組織穩(wěn)定性。
脫碳敏感性
當(dāng)鍛造、退火或淬火模具鋼在無保護(hù)氣氛中加熱時，表面會出現(xiàn)氧化和脫碳等缺陷，從而降低模具的耐用性。脫碳不僅與熱處理工藝和設(shè)備有關(guān)，還取決于鋼的化學(xué)成分，尤其是碳含量。當(dāng)含有較高的元素如硅和鉬時，脫碳將會加劇。
此外，根據(jù)模具的使用條件，應(yīng)考慮模具的鏡面拋光、研磨和電化學(xué)性能。
3.模具鋼對冶金質(zhì)量的要求
高冶金質(zhì)量可以充分發(fā)揮鋼的基本性能。模具鋼的內(nèi)部冶金質(zhì)量與其基本性能同等重要。在研究性能的同時，有必要研究冶金質(zhì)量的影響因素。一般來說，模具鋼的內(nèi)部和外部質(zhì)量問題如下:
化學(xué)成分的均勻性
模具鋼通常是含有多種元素的合金鋼。當(dāng)鋼在鋼錠模中從液態(tài)凝固時，鋼水中的各種元素在凝固組織中不均勻分布，并由于選擇性結(jié)晶而形成偏析。這種化學(xué)成分的偏析會導(dǎo)致組織和性能的差異，這是影響鋼質(zhì)量的重要因素之一。降低鋼的偏析程度可以有效改善鋼的性能。近年來，國內(nèi)外許多冶金廠都致力于研究和生產(chǎn)成分均勻、組織細(xì)小的鋼。
有害元素含量
在鋼的凝固過程中，硫和磷形成磷化物和硫化物，并在晶界沉淀，導(dǎo)致晶間脆性，這降低了鋼的塑性。過量的硫和磷會使鋼錠在軋制過程中容易開裂，大大降低鋼的力學(xué)性能。硫和磷含量對熱作模具鋼(“/-3-185-181”)韌性和熱疲勞性能的影響> H13)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)鎢(硫)和磷的含量從0.025%和0.010%降低到0.000%時，日立金屬公司將SKD61鋼中的鎢(磷)含量從0.03%降低到0.001%，可使鋼在45℃下的沖擊韌性從39.2J/cm2提高到127.5 sus630是什么標(biāo)準(zhǔn) J/cm2。此外，降低鋼中硫和磷的含量也能有效改善鋼的各向同性。
鋼中的非金屬夾雜物
優(yōu)質(zhì)鋼不僅要滿足化學(xué)成分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，還要含有盡可能少的非金屬夾雜物，因為鋼中非金屬夾雜物的體積很小，但它對鋼的性能有很大的影響。減少鋼中非金屬夾雜物是煉鋼的主要任務(wù)之一。一般來說，鋼中的非金屬夾雜物主要是指鐵和其他合金元素與氧、硫和氮相互作用形成的化合物，如氧化亞鐵、氧化錳、氧化鋁、二氧化硅、硫化亞鐵、硫化錳、氮化鋁、氮化釩等。以及煉鋼和澆注過程中引入的耐火材料，后者的成分主要是硅、鋁、鐵、鉻、鈣、鎂等的氧化物。鋼中的非金屬夾雜物按其來源可分為內(nèi)部夾雜物和外部夾雜物，現(xiàn)有夾雜物是鋼在液態(tài)和凝固過程中形成的化合物。
鋼中的非金屬夾雜物基本上被認(rèn)為是一定尺寸的裂紋，它破壞了金屬的連續(xù)性并引起應(yīng)力集中。在外部應(yīng)力的作用下，裂紋擴(kuò)展容易發(fā)展和擴(kuò)展，導(dǎo)致性能退化。塑性夾雜物的存在以及鍛造和軋制過程導(dǎo)致鋼的各向異性。同時，拋光過程中夾雜物的剝落改善了模具的表面粗糙度。因此，提高大型重要模具用鋼的純凈度非常重要。
4.白色斑點(diǎn)
白點(diǎn)是熱軋鋼坯和大型鍛件中常見的缺陷，是一種鋼的內(nèi)部斷裂。白點(diǎn)的存在對鋼的性能有非常不利的影響，主要表現(xiàn)為鋼的力學(xué)性能降低，鍛件在熱處理過程中淬火開裂，或在使用過程中發(fā)展成為更嚴(yán)重的損傷事故，因此在任何情況下都不能使用帶有白點(diǎn)的鍛件。不同的鋼材對白點(diǎn)的敏感度不同。一般認(rèn)為易產(chǎn)生白點(diǎn)的鋼包括鉻鋼、鉻鉬鋼、錳鋼、錳鉬鋼、鉻鎳鉬鋼、鉻鎢鋼等。馬氏體鉻鎳鋼和含0.30%以上鎢(碳)、1%以上鎢(鉻)和2.5%以上鎢(鎳)的鉻鎳鉬鋼對白點(diǎn)更敏感。形成白點(diǎn)的原因是鋼中氫的沉淀和聚集，在鋼的縱截面上形成銀白色的粗晶圓形或橢圓形斑點(diǎn)。它通常會導(dǎo)致鍛件和毛坯出現(xiàn)裂紋。模具鋼5CrNiMo、5CrMnMo等。容易出現(xiàn)白斑。如果加入碳化物東莞sus630壓合鋼板元素鉻、鉬和釩，會降低白點(diǎn)的靈敏度。在這種鋼的生產(chǎn)中，必須注意對鍛造后的大鍛件進(jìn)行脫氣和強(qiáng)化緩慢冷卻或脫氫退火。
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通常，模具鋼中允許的氣體含量沒有規(guī)定。隨著氧含量的增加，氧化物的顆粒和數(shù)量增加，鋼的疲勞性能下降，容易產(chǎn)生熱裂紋。有些人測試了“/-3-185-181”> 4Cr5MoSiV1鋼，且氧含量不應(yīng)超過1.5×10-5。日本楊珊特殊鋼公司規(guī)定高純鋼的氧含量不應(yīng)超過1.0×10-5。因此，近年來，為了提高模具的制造質(zhì)量。國內(nèi)外模具鋼正逐步向低氧含量發(fā)展。
6.碳化物的不均勻性
碳化物是大多數(shù)模具鋼的基本成分。除了可溶于奧氏體的碳化物外，還有一些不溶于奧氏體的殘余碳化物。碳化物的尺寸、形狀和分布對模具鋼的使用性能有很大影響。碳化物的大小、形狀和分布與鋼的冶煉方法、鋼錠的凝固條件和熱加工變形條件有關(guān)。過共析鋼的碳化物可在晶界形成風(fēng)狀碳化物，或在加工變形過程中拉長形成帶狀碳化物，或兩者兼有。萊氏體模具鋼中有一次碳化物和二次碳化物。在熱變形過程中，大部分網(wǎng)狀共晶碳化物被破壞，碳化物首先沿變形方向延伸，形成帶狀碳化物。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鋼的淬火變形、開裂和力學(xué)性能有很大影響。表2-1顯示萊氏體鋼的尺寸越大，碳化物的不均勻性越嚴(yán)重，淬火后的力學(xué)性能越差，其中橫向性能下降更多，彎曲強(qiáng)度為縱向強(qiáng)度的1/2。表2-1顯示了Cr12碳化物不均勻性對沖擊韌性的影響。碳化物偏析嚴(yán)重，對重型和尖齒模具的壽命有很大影響。用Cr12MoV制造滾絲板，如果碳化物不均勻性為5~6級，使用壽命很短。
碳化物不均勻性等級:無缺口沖擊韌性/(J/cm2)
αk的平均值
2級24.5 35.8 37.2 32.5
4級sus630不銹鐵27.0 30.5 31.9 29.6
6級19.9 20.2 20.2 20.7
⒎偏析分析
偏析是鋼的成分和組織不均勻性的表現(xiàn)，是模具鋼宏觀組織檢驗中經(jīng)常存在的一種缺陷。它是在鋼錠凝固過程中形成的，與鋼的化學(xué)成分和澆注溫度有關(guān)。一般分為樹枝狀偏析、方形偏析、點(diǎn)狀偏析等。由于枝晶偏析的存在，不同方向的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的差異。方形偏析是由于晶錠結(jié)晶過程中，柱狀晶末端和晶錠中心之間的等軸區(qū)積累了更多的雜質(zhì)和孔隙。嚴(yán)重的方形偏析對鋼的質(zhì)量有很大影響，特別是對于加工能力大的零件或中心有應(yīng)力的模具零件。偏析不僅影響模具鋼力學(xué)性能的各向同性，還影響模具的拋光性能。因此，國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)格的規(guī)定。
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松散是鋼不緊密的表現(xiàn)。疏松主要發(fā)生在鋼錠的上部和中部，那里集中了更多的雜質(zhì)和氣體。由于疏松缺陷的存在，鋼的強(qiáng)度和韌性降低，加工表面的粗糙度也受到嚴(yán)重影響，這在普通模具鋼中并不特別重要，但對冷軋輥、大模塊、沖頭和塑料成型模具零件有嚴(yán)格的要求。例如，深型腔中的鍛模和沖頭的松動度不應(yīng)超過1級或2級，用于塑料模具(如刻度盤或透明零件)的鋼的松動度不應(yīng)超過1級。
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