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模具鋼的性能
[添加時間] 2015-6-29 [訪問量] 877 [返回]
(1)冶金質量冶金質量對模具鋼的性能有很大的影響,隻有具有良好的冶金質量,才能充分發揮模具鋼的各種性能。冶金質量一般包括以下幾方麵:冶煉質量,軋製、鍛造工藝性能,熱處理和精加工性能,導熱性及精料和製品化程度。     模具鋼一般用量不大,品種規格很多,為了便於市場采購和備料,應該考慮材料的通用性,除了特殊要求以外,盡可能采用大量的通用型模具鋼,這是因為通用型模具鋼應用起來技術比較成熟。選用高質量、高性能、高精度的模具鋼精料和製品,高效率、高速度、低成本生產高質量的模具,已經成為當前工業發達國家模具製造業的主要發展趨勢。   (2)可加工性能模具鋼的可加工性能包括:模具的冷加工性能,如切削、磨削、拋光、冷擠壓、冷拉工藝性,而熱加工性能包括熱塑性和熱加工範圍溫度等。良好的可加工性能是選用模具鋼的重要條件之一。   (3)淬火溫度範圍和淬火變形要求模具鋼具有較寬的淬火溫度範圍,以及較小的淬火變形。  (4)淬透性和淬硬性淬硬性取決於鋼的含碳量,淬透性主要取決於鋼的化學成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態。大部分要求高硬度的冷作模具,對淬硬性要求較高;而大部分熱作模具和塑料模具,對於硬度的要求則相對較低,往往很注重淬透性;特別是對於一些大截麵深型腔模具,為了使模具的心部也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。   (5)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,就會改變模具的表麵形狀和性能,影響模具的硬度、耐磨性和使用壽命,導致模具早期失效。通過真空熱處理等特殊熱處理工藝,可避免氧化脫碳。   (6)硬度硬度是模具鋼的主要技術性能指標,為了保持模具形狀尺寸穩定不變,模具在高應方的作用時,必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般應將硬度保持在60HRC左右,熱作模具鋼根據其工作條件,一般要求保持硬度在40~55HRc範圍。對於同一鋼種而言在一定的硬度值範圍,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。     鋼的硬度與化學成分和金相組織具有密切關係,通過熱處理,可以獲得很寬的硬度變化範圍。模具鋼的硬度主要取決於馬氏體中溶解的含碳量或含氮量。如新型模具鋼012A1和CG2,可分別采用低溫回火處理後硬度為60~62HRC,采用高溫回火處理後硬度為50~52HRC,因此,可用來製作硬度要求不同的冷作或熱作模具。     (7)紅硬性在高溫狀態下工作的熱作模具,要求保持其組織和性能的穩定性,從而保持足夠高的硬度,這種性能稱為紅硬性。紅硬性也是保持其硬度和組織穩定性,抵抗軟化的能力,是熱作模具鋼和部分重載荷冷作模具鋼的重要性能指標。碳素工具鑼、低合金工具鋼通常能在180~250~C的溫度範圍內保持這種性能,鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃的溫度範圍內保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決於鋼的化學成分和所采取的熱處理工藝。     (8)強度強度是指鋼在服役過程中,抵抗變形和斷裂的能力。對於模具來說,則是整個成型麵或各個部位在服役過程中抵抗拉伸力、壓縮力、彎曲力、扭轉力或綜合力的能力。     衡量鋼材強度常用的方法是進行拉伸試驗。對於在壓縮條件下工作的模具,還經常給m杭壓強度。對於模具鋼,特別是含碳量高的冷作模具鋼,因為塑性很差,一般不用抗拉強度而是以抗彎強度作為實用指標。彎曲試驗產生的應力狀態與許多模具工作表麵產生粵粵力狀態極相似,能比較精確地反映出材料的成分及組織因素對性能的影響。抗彎試驗甚至對極脆的材料也能反映出一定的塑性。     在拉伸曲線圖上有一個特殊點,當拉力到達這一點時,試棒在拉力不增加或有所下降情況下發生明顯伸長變形,這種現象稱為屈服。這時的應力稱為這種材料的屈服點。 而當外力去除後不能恢複原狀的變形,這部分變形被保留下來的變形,稱為塑性事形。屈服點是衡量模具鋼塑性變形抗力的指標,也是最常用的強度指標。對模具材料要求具有高的屈服強度,模具產生塑性變形,就意味著失效。     (9)塑性淬硬後模具鋼的塑性較差,尤其是冷變形模具鋼,在很小的塑性變形時即發生脆斷。衡量模具鋼塑性好壞,通常采用斷後伸長率和斷麵收縮率兩個指標表示。     斷後伸長率是指拉伸試樣拉斷以後長度增加的相對百分數,以ψ表示。斷後伸長率ψ數值越大,表明鋼材塑性越好。熱模鋼的塑性明顯高於冷模鋼。     斷麵收縮率是指拉伸試棒經拉伸變形和拉斷以後,斷裂部分截麵的縮小量與原始截麵之比,以ψ表示。塑性材料拉斷以後有明顯的縮頸,所以驢值較大。而脆性材料拉斷後,截麵幾乎沒有縮小,即沒有縮頸產生,ψ值很小,說明塑性很差。     (10)韌性韌性是模具鋼的一種重要性能指標,韌性決定了材料在衝擊試驗力作用下對破裂的抗斷能力。材料的韌性越高,脆斷的危險性越小-抗熱疲勞強度也越高。對於衡量模具脆斷傾向,衝擊韌性試驗具有重要意義。     模具鋼的化學成分、晶粒度、純淨度、碳化物和夾雜物等的數量、形貌、尺寸大小及分布情況,以及模具鋼的熱處理製度和熱處理後得到的金相組織等因素,都對鋼的韌性帶來很大的影響。特別是鋼的純淨度和熱加工變形情況對於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,通過合理地選擇鋼的化學成分並且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝,可以使模具材料的耐磨性、強度和韌性達到最佳的配合。     對於受強烈衝擊載荷的模具,如冷作模具的衝頭、錘用熱鍛模具、冷鐓模具、熱鍛模具等,模具鋼的韌性是十分重要的考慮因素;對於在高溫下工作的模具,還必須考慮其在高溫下的高溫韌性;而對於多向承受衝擊載荷作用的模具,還必須考慮其各向I司性的影響。     衝擊韌性是表征材料在一次衝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,常規的衝擊韌性不能全麵地反映模具   鋼的斷裂性能。小能量多次衝擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽命等試驗技術正在被采用。     衝擊韌性是指衝擊試樣缺口處截麵積上的衝擊吸收功,而衝擊吸收功是指規定形狀和尺寸的試樣在衝擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功。衝擊試驗有夏比U形缺口衝擊試驗(試樣開成U形缺口)、夏比V形缺口衝擊試驗(試樣開成v形缺口)以及艾氏衝擊試驗。 影響衝擊韌性的因素很多。不同材質的模具鋼衝擊韌性相差很大,即使同一種材料,因組織狀態不同、晶粒大小不同、內應力狀態不同,衝擊韌性也不相同。通常是晶粒越粗大,碳化物偏析越嚴重(帶狀、網狀等)、馬氏體組織越粗大等,這些都會促使鋼材變脆。一般情況是溫度越高衝擊韌性值越高,而有的鋼常溫下韌性很好,當溫度下降到一20~一40℃時會變成脆性鋼。     (11)熱穩定性熱穩定性表征鋼在受熱過程中保持金相組織和性能的穩定能力。通常,鋼的熱穩定性用回火保溫4h、硬度降到45HRC時的最高加熱溫度表示。這種方法與材料的原始硬度有關,有資料將達到預定強度級別的鋼加熱,保溫2h,使硬度降到一般熱鍛模失效硬度35HRC的最高加熱溫度定為該鋼熱穩定性指標。對於因耐熱性不足而堆積塌陷失效的熱作模具,可以根據熱穩定性預測模具的壽命水平。     (12)回火穩定性回火穩定性指鋼隨回火溫度升高,材料的強度和硬度下降快慢的程度,也稱回火抗力或抗回火軟化能力。通常以鋼的回火溫度一硬度曲線來表示,硬度下降慢,則表示回火穩定性高或回火抗力大。回火穩定性也是與回火時組織變化相聯係的,它與鋼的熱穩定性共同表征鋼在高溫下的組織穩定性程度,表征模具在高溫下的變形抗力。     (13)高溫磨損與抗氧化性能  高溫磨損是熱作模具主要失效形式之一,正常情況下,絕大多數錘鍛模及壓力機模具都因磨損而失效。抗熱磨損是對熱作模具的使用性能的要求,是多種高溫力學性能的綜合體現。現在國內已有單位在自製的熱磨損機上進行模具熱磨損試驗,收到較理想的試驗效果。     實際使用表明,模具材料抗氧化性能的優劣,對模具使用壽命影響很大。因氧化會加劇模具工作過程中的磨損,導致模具型腔尺寸超差而報廢。氧化還會使模具表麵產生腐蝕溝,成為熱疲勞裂紋起源,加劇模具熱疲勞裂紋的萌生與擴展。因此,要求模具具備一定的抗氧化性能。     (14)抗咬合能力  咬合抗力實際就是發生“冷焊”時的抵抗力。該性能對於模具材料較為重要。試驗時通常在幹摩擦條件下,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)進行恒速對偶摩擦運動,以一定的速度逐漸增大載荷,此時,轉矩也相應增大,該載荷稱為“咬合臨界載荷”。臨界載荷越高,標誌著咬合抗力越強。     (15)抗軟化能力抗軟化能力表征了模具在承載時,因鋼的溫度升高對硬度、耐磨性的抵抗能力。    ,     (16)抗壓屈服強度和抗壓彎曲強度模具在使用過程中經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具有一定的抗壓強度和抗彎強度。在很多情況下,進行抗壓試驗和抗彎試驗的條件接近於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衝頭工作時所表現出來的變形抗力較為吻合。抗彎試驗的優點是應變量的絕對值大,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下變形抗力的差別。     (17)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。模具在工作中承受相當大的壓應力和摩擦力,要求模具能夠在強烈摩擦狀況下仍保持其尺寸精度。模具的磨損形式主要有機械磨損、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。對於重載、高速磨損條件下服役的模具,要求模具鋼表麵能形成薄而致密、黏附性好的氧化膜,保持潤滑作用,減少模具和工件之間產生粘咬、焊合等熔融磨損,又能減少模具表麵進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。     耐磨性可采用模擬的試驗方法,測出相對的耐磨指數e,作為表征不同化學成分及組織狀態下的耐磨性水平的參數。以呈現規定毛刺高度前的壽命,反映各種鋼的耐磨水 平;試驗是以Crl2MoV鋼為基準(e一1)進行對比,反映工模具鋼在磨粒磨損條件下的耐磨性水平。     (18)抗熱疲勞能力及斷裂韌性熱疲勞抗力表征了材料熱疲勞裂紋萌生前的工作壽命和萌生後的擴展速率。熱疲勞抗力通常以20~750℃條件下反複加熱冷卻時,所發生裂紋的循環次數或當循環一定次數後測定裂紋長度來確定。熱疲勞抗力高的材料不易發生熱疲勞裂紋,或當裂紋萌生後,擴展量小、擴展緩慢。斷裂韌性則表征了裂紋失穩擴展抗力,斷裂韌性高,則裂紋不易發生失穩擴展。     除常規力學性能如衝擊韌性、抗壓強度、抗彎強度等一次性斷裂抗力指標外,小能量多次衝擊斷裂抗力更符合冷作模具實際使用狀態性能,作為模具材料的性能指標還包 括抗壓疲勞強度、接觸疲勞強度等。這種疲勞斷裂抗力指標是由在一定循環應力下測得的斷裂循環次數,或在一定循環次數下導致斷裂的載荷來表征的,是否把斷裂韌性作為冷作模具材料的一項重要性能指標,尚待研究和探討。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,它包括抗熱疲勞性能、機械疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性三個方麵。     抗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次數較多;機械疲勞裂紋擴展速率反映材料在熱疲勞裂紋萌生之後,在鍛壓力的作用下裂紋向內部擴展時,每一應力循環的擴展量;斷裂韌性反映材料對已存在的裂紋發生失穩擴展的抗力。斷裂韌性高的材料,其裂紋如要發生失穩擴展,必須在裂紋尖端具有足夠高的應力強度因子,也就是必須有較大的裂紋長度。在應力恒定的前提下,在一種模具中已經存在一條疲勞裂紋,如果模具材料的斷裂韌性值較高,則裂紋必須擴展得更深,才能發生失穩擴展。     因此,抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命;而機械疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性,可以決定當裂紋萌生後發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,模具材料應具備高的抗熱疲勞性能、低的機械疲勞裂紋擴展速率和高的斷裂韌性值。抗熱疲勞性能的指標既可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環次數表示,也可以用經過一定的熱循環後所出現的疲勞裂紋的條數及平均的深度或長度來衡量。   1.2模具鋼的選用   模具鋼在選用時大致要滿足工作條件要求、工藝性能要求和經濟性要求等。   1.2.1工作條件要求   (1)耐磨性坯料在模具型腔中塑性變形時,沿型腔表麵產生流動和滑動,使模具型腔表麵與坯料間產生劇烈的摩擦,從而導致模具因磨損而失效。所以耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。     硬度是影響耐磨性的主要因素。一般情況下,模具零件的硬度越高,磨損量越小,耐磨性也越好。另外,耐磨性還與材料中碳化物的種類、數量、形態、大小及分布有關。     (2)強韌性一般情況下,模具的工作條件十分惡劣,有時會承受較大的衝擊負荷,從而導致脆性斷裂。為防止模具零件在工作時突然脆斷,模具要具有較高的強度和韌性。模具的韌性主要取決於材料的含碳量、晶粒度及組織狀態。     (3)疲勞斷裂性能模具工作過程中,在循環應力的長期作用下,往往導致疲勞斷裂。其形式有小能量多次衝擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂、接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。模具的疲勞斷裂性能主要取決於其強度、韌性、硬度以及材料中夾雜物的含量。     (4)高溫性能  當模具的工作溫度較高時,會導致鋼的硬度和強度下降,導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因此,模具材料應具有較高的抗回火穩定性,以保證模具在工作溫度下,具有較高的硬度和強度。     (5)耐冷熱疲勞性能有些模具在工作過程中處於反複加熱和冷卻的狀態,使型腔表麵受拉力、壓力、交變應力的作用,引起表麵龜裂和剝落,增大摩擦力,阻礙塑性變形,降低了尺寸精度,從而導致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一,這類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。     (6)耐蝕性有些模具如塑料模,由於在工作時塑料中存在氯、氟等元素,受熱後會分解析出HCl、HF等強侵蝕性氣體,侵蝕模具型腔表麵,加大其表麵粗糙度,加劇磨損失效。     1.2.2工藝性能要求     模具的製造過程一般要經過鍛造、切削加工、熱處理等多道工序。為保證模具的製造質量,降低生產成本,模具材料不僅應具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性,而且還應具有較小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。     (1)可鍛性具有較低的熱鍛變形抗力,塑性好,鍛造溫度範圍寬,鍛裂冷裂及析出網狀碳化物傾向低。     (2)退火工藝性球化退火溫度範圍寬,退火硬度低且波動範圍小,球化率高。     (3)切削加工性切削用量大,刀具損耗低,加工表麵粗糙度低。
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