模具鋼工藝性能與用途

1、模具鋼模具鋼是用來制造冷沖模、熱鍛模壓鑄模等模具的鋼種。模具是機械制造、無線電儀表、電機電器等工業(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)計和加工精度外，主要受模具材料和熱處理的影響。簡介模具鋼大致可分為（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，因此對模具用鋼的性能要求也不

2、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、冷鍛模和冷擠壓模等。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，銘是這類鋼的重要合金元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常不大于5%。但對于一些耐磨性要求很高，淬火后變形很小模具用鋼，最高銘質(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、高碳高銘鋼、銘鋁鋼、中碳銘鴇釧鋼等。熱

3、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、強度、紅硬性、耐磨性和韌性外，還應(yīng)具有良好的高溫強度、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，以保證整個截面具有一致的力學(xué)性能。對于壓鑄模用鋼，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（如鴇、鑰、鈾等）而成為共

4、析或過共析鋼。常用的鋼類有銘鉆鋼、銘鍥鋼、銘鴇鋼等。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度、硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性和耐蝕性等性能。止匕外，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、高強度的模具可選用冷作模具鋼。分類美國按模具服役條件將模具鋼分為三大類，美國金屬學(xué)會工具鋼委員會列出了：冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三大類。其中，冷作模具鋼又分出12小類，熱作模具鋼9小類，塑料模具鋼2小類。

5、每個小類的選材又取決于三個主要因素： 尺寸大小和形狀的復(fù)雜性， 被加工的材料， 耐久性要求或設(shè)計壽命。1 .冷作模具鋼 1）分為五組：W組、O組、A組、D組、S組。 W組即水淬工具鋼，有11個鋼種，7個碳素工具鋼，含碳量從0.7%-1.3%。 O組即油淬冷作模具鋼（俗稱油鋼），有4個鋼種，含碳量在0.85%-1.55%, A組即空淬中合金冷作模具鋼，有9個鋼種，含碳量從0.5%-2.25%。 D組即高碳高銘冷作模具鋼，有7個鋼種，含碳量0.9%-2.5%。 S組即耐沖擊工具鋼，有7個鋼種，含碳量0.4%-0.6%。用于冷作模具還有高速鋼（HSS組）和超高速鋼（SHSS組），鉆基硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬

6、質(zhì)合金（HA組），粉末鋼和工程陶瓷（PIM組），碳鴇工具鋼（F組），特殊用途工具鋼（L組）。（2）冷作模具鋼的選用冷作模具鋼的主系列是高硬冷作類，主要用于要求高抗壓和耐磨為主的模具，硬度高于HRC60-62。對于要求耐沖擊、韌性高的模具，硬度低于HRC60-62,主要用S類和部份A類和最普通的調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、熱作模具或基體鋼。對于大型沖壓模，如汽車外型沖壓件，主要用鑄鐵類。簡易或壽命數(shù)量少的用鋅基合金或高分子復(fù)合材料。高速鋼和超高速鋼在冷作模具中的應(yīng)用迅速增長。主要是有高的"抗壓強度/硬度"比值。且硬度可在HRC60-70之間選擇。粉末模具鋼有優(yōu)良的耐磨壽命，硬度不大高HR

7、C60-62,應(yīng)用相當(dāng)多。碳素工具鋼在壽命10萬件的沖頭或軟材料沖壓模仍有一定的應(yīng)用范圍。2 .熱作模具鋼美國熱作模具鋼分二大類：熱作模具鋼，和超級熱強合金。熱作模具由于在有溫度的條件下工作，要求材料具有熱強性和熱耐磨性，為了保證模具的使用壽命模具要冷卻，熱冷交替模具會出現(xiàn)龜裂，即熱疲勞裂紋，所以材料又要求有抗裂紋能力和抗熱疲勞性能。按熱強性排列的主系列進(jìn)行選材：低合金調(diào)質(zhì)模具鋼(6G,6F2,6F3)-中銘熱作模具鋼(H11、H12、H13)-鴇熱作模具鋼(H21,H22)。非標(biāo)準(zhǔn)的熱作模具鋼：例如熱鍛鍛模具用時效硬化型的6H4。使用H11、H12、H13出現(xiàn)了不能滿足熱耐磨性時，可以選擇6

8、H1,6H2。當(dāng)要求模具以熱作耐磨性為主時，可以選擇D2,D4fM2,M4粉末鋼。鋼結(jié)硬質(zhì)合金、鉆基硬質(zhì)合金的高溫耐磨性是很高的，但其熱疲勞性(即冷熱抗疲勞裂紋)很差，不能在急冷急熱狀態(tài)下使用。3 .塑料模具鋼美國是最早在工具鋼中列出塑料模具專用鋼的國家，以P來表示為主，共分為五類。 滲碳型塑料模具鋼：P1,P2,P3,P4,P5,P6。這類鋼含碳量很低，主要是美國早期及用擠壓成型制模法，要求冷塑性好，有高的擠壓性能，成型后表面滲碳淬火提高表面硬度，使用壽命長。芯部超低碳可使淬火時變形量最小。 調(diào)質(zhì)型塑料模具：P20,P21。目前塑料模具中P20的用量很大，已成為主體，大多數(shù)在預(yù)硬狀態(tài)時使用。

9、 中碳合金工具鋼用于熱固性塑料模。鋼號有H13,而L2和S7,O1和A2也有應(yīng)用。這一類的特點是:(1)基本屬二次硬化金鋼，500-600OC時的熱強性好。(2)含銘較高，大氣腐蝕性好。(3)淬透性極好，適用于大模塊。不銹鋼用于耐蝕性要求高的塑料模，主要鋼號有420,414L,440,416。時效鋼是經(jīng)過時效處理而獲得高的使用性能。有兩種，一種是P21低碳Ni-A1時效鋼；另一類是18Ni馬氏體時效鋼。后者是用于宇航工業(yè)的無碳高純度、高強度、高韌性的材料。用于力學(xué)性能、尺寸精度、光潔度和耐蝕性都要求高的塑料模具中。塑料模具鋼的選用薄壁的塑料箱體，生產(chǎn)批量在小于10萬件時，用P20,P21預(yù)硬態(tài)

10、(HB250300),腐蝕性較強時用414L。高壽命的普通塑料模，用P6或P20,經(jīng)滲碳一淬火后硬度在HRC54-58;塑料件不太大時，可用O1,S7。腐蝕性較強時用420。非高溫的熱固性模用P6,P20經(jīng)滲碳淬火后使用。腐蝕性強用420。高溫?zé)峁绦运芰夏Ｓ肏13和S7或滲碳鋼P4。這些含銘較高有好的抗回火性和抗高溫氧化性。模具鋼工藝性能可加工性熱加工性能，指熱塑性、加工溫度范圍等；一一冷加工性能，指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。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

11、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，減少磨料消耗、降低成本。淬透性和淬硬性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，對于形狀復(fù)雜容易產(chǎn)生熱處理變形的各種模具，為了減

12、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。淬火溫度和熱處理變形為了便于生產(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，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，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，特別是對于形狀復(fù)雜的精密模具，淬火后難以修整，對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。氧化、脫碳敏感性模具在加熱過程中，如果發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，就會使其硬度、耐

13、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。對于含鋁量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強，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。其他因素在選擇模具鋼時，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)濟上進(jìn)行綜合分析，考慮模具的制造費用、工件的生產(chǎn)批量和分?jǐn)偟矫恳粋€工件上的模具費用。從技術(shù)、經(jīng)濟方面全面分析，以最終選定合理的模具材料。性能要求1 .強度性能(1)硬度硬度是模具鋼的主要技術(shù)

14、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HR055范圍。對于同一鋼種而言，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180250c的溫度范圍內(nèi)保持這種性能，銘鑰熱作模具鋼一般在550600C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

15、藝(3)抗壓屈服強度和抗壓彎曲強度模具在使用過程中經(jīng)常受到強度較高的壓力和彎曲的作用，因此要求模具材料應(yīng)具有一定的抗壓強度和抗彎強度。在很多情況下，進(jìn)行抗壓試驗和抗彎試驗的條件接近于模具的實際工作條件(例如，所測得的模具鋼的抗壓屈服強度與沖頭工作時所表現(xiàn)出來的變形抗力較為吻合)?？箯澰囼灥牧硪粋€優(yōu)點是應(yīng)變量的絕對值大，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。2 .韌性在工作過程中，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

16、鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素都對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于其橫向韌性的影響更為明顯。鋼的韌性、強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技術(shù)正在被采用。3 .耐磨性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

17、受相當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力，要求模具能夠在強烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨損主要是機械磨損、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鋼的磨損有較大的影響。耐磨性可用模擬的試驗方法，測出相對的耐磨指數(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

18、平；試驗是以Cr12MoV鋼為基準(zhǔn)進(jìn)行對比。4 .抗熱疲勞能力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，評價熱作模具鋼的斷裂抗力應(yīng)重視材料的熱機械疲勞斷裂性能。熱機械疲勞是一種綜合性能的指標(biāo)，它包括熱疲勞性能、機械疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性三個方面。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；機械疲勞裂紋擴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)部擴展時，每一應(yīng)力循環(huán)的擴展量；斷裂韌性反映材料對已存在的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展的抗力。斷裂韌性高的材料，其中的裂紋如要發(fā)生失

19、穩(wěn)擴展，必須在裂紋尖端具有足夠高的應(yīng)力強度因子，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，則裂紋必須擴展得更深，才能發(fā)生失穩(wěn)擴展。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。5 .咬合抗力咬合抗力實際就是發(fā)生冷焊”時的抵抗

20、力。該性能對于模具材料較為重要。試驗時通常在干摩擦條件下，把被試驗的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料(如奧氏體鋼)進(jìn)行恒速對偶摩擦運動，以一定的速度逐漸增大載荷，此時，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。在模具生產(chǎn)成本中，材料費用一般占10%20%,而機械加工、熱處理、裝配和管理費用占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。1 .可加工性(1)熱加工性能，指熱塑性、加工溫度范圍等；(2)冷加工性能，指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。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

21、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?，發(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，減少磨料消耗、降低成本。2 .淬透性和淬硬性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

22、大型模具，其淬透性更為重要。另外，對于形狀復(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。3 .淬火溫度和熱處理變形為了便于生產(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，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，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，特別是對于形狀復(fù)雜的精密模具，淬火后難以修整，對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。4 .氧化、脫碳敏感性模具在加熱過程中，如果發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，就會使其硬度、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。對于含鋁量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強，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。5 .其他因素在選擇模具鋼時，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