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(fù)雜的系統(tǒng)工程，但也是模具制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是關(guān)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(zhì)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(jìn)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(yīng)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(yīng)可以在一定程度上決定其應(yīng)用范圍。當(dāng)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(chǎn)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?xí)r，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(chǎn)生粘附、焊接招致工件表面擦傷，又能減少模具表面進(jìn)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(chǎn)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(dāng)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(xué)成分、晶粒度、碳化物、夾雜物的組成數(shù)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(chǎn)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(jù)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(yīng)模具的需要，是模具鋼材的重要發(fā)展的途徑。
⒊硬度和紅硬性硬度是模具鋼材的主要技術(shù)性能指標(biāo)，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(wěn)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(biāo)。另外，還要根據(jù)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(yīng)考慮其耐融熔金屬的沖蝕性能；對于重載荷型腔模具應(yīng)注意其等向性；對于高溫工作的熱作模具應(yīng)考慮其在工作溫度下的抗氧化性能；對于在腐蝕介質(zhì)工作的模具，應(yīng)注意其抗腐蝕性能；對在高載荷下工作的模具應(yīng)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(fù)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)過程中，必須嚴(yán)格地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，另一方面還必須通過改善鋼的純凈度，減少有害的雜質(zhì)，改善鋼的組織狀態(tài)，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(jì)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?qū)е履＞咪撝刑嫉氖脑?，發(fā)展了各種易切削模具鋼。以后發(fā)現(xiàn)有些易切削元素加入以后，會在模具鋼中生產(chǎn)一些有害的夾雜物（如硫化鐵等），會使鋼的力學(xué)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(jìn)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?qū)︿摰牧W(xué)性能的不利影響，保留和發(fā)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(jìn)一步地發(fā)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(chǎn)，可以使鋼中的碳化物細(xì)小、均勻，完全消除了普通工藝生產(chǎn)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(yīng)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(jìn)行精煉，得到高純凈度的鋼材，以適應(yīng)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(chǎn)這些制品，就要求在壓制這些制品的模具表面加工出相應(yīng)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(xué)蝕刻工藝，要求模具材料要能適應(yīng)這種化學(xué)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(chǎn)工藝，國內(nèi)外近年來致力于發(fā)展采用鑄造工藝直接生產(chǎn)出接近成品模具形狀的鑄造毛坯。如我國已經(jīng)研究采用鑄造工藝生產(chǎn)一部分冷作模具、熱作模具和玻璃成形模具。相應(yīng)地發(fā)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(jìn)行修復(fù)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(yù)熱和焊后處理工藝，更好地適應(yīng)焊接工藝的需要，相尖地發(fā)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(chǎn)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(chǎn)，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(yīng)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(fù)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(yán)格，應(yīng)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(xué)成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態(tài)。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(fù)雜、要求精度高又容易產(chǎn)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(zhì)（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(chǎn)生氧化、脫碳現(xiàn)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(yīng)用，直到熱處理工藝裝備發(fā)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(yīng)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(yán)重地限制了其應(yīng)用范圍。
㈢模具鋼材的冶金質(zhì)量冶金質(zhì)量也對模具鋼材的性能有很大的影響，只有具有***的冶金質(zhì)量，才能充分發(fā)揮模具鋼材的各種性能。因此對于生產(chǎn)精密、復(fù)雜、長壽命的模具，必須選用冶金質(zhì)量***的適宜的材料。國內(nèi)外主要冶金生產(chǎn)部門也千方百計致力于模具鋼材冶金質(zhì)量的提高。主要有以下幾個方面：
⒈冶煉質(zhì)量對于高質(zhì)量的模具鋼材，國內(nèi)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(jìn)行化學(xué)成分和澆注溫度的微調(diào)。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(nèi)一些生產(chǎn)廠的試驗說明電弧爐生產(chǎn)的4Cr5MoSiV1鋼的橫向沖擊韌度值只相當(dāng)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(dāng)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(chǎn)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(chǔ)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(chǎn)，提供高精度的鋼材適應(yīng)模具制造的需要。
⒊熱處理和精加工鍛、軋材的熱處理，應(yīng)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(yīng)由冶金部門進(jìn)行預(yù)硬處理。對有些要求高的熱作模具材料應(yīng)由冶金部門預(yù)先進(jìn)行組織細(xì)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(xì)小、均勻分布的碳化物組織，以進(jìn)一步改善鋼的各種性能，特別是等向性。根據(jù)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(xì)化處理，生產(chǎn)出高質(zhì)量高等向性的模具鋼，其橫向的沖擊韌度值可以相當(dāng)于縱向的9***以上。不少鋼廠對這種工藝生產(chǎn)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(yè)公司的MICROFINE等，我國不少冶金生產(chǎn)部門也在致力于這項工作。另外從鋼材各部位的冶金質(zhì)量考慮，制造模具時應(yīng)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(qū)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(dǎo)熱性導(dǎo)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(biāo)之一。導(dǎo)熱性好的模具鋼材，能把加工中產(chǎn)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(chǎn)生過熱現(xiàn)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(chǎn)節(jié)奏希望壓制的工件迅速降溫脫模，以提高生產(chǎn)率，為了解決這一問題，有時選用一些比鋼鐵導(dǎo)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(yīng)可能選用精料和制品，如經(jīng)過剝皮，冷拔或磨削加工的精品鋼材，經(jīng)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(jìn)行加工即可與標(biāo)準(zhǔn)模架裝配使用。既可以有效地縮短模具制造周期，適應(yīng)模具使用部門的需要，又因為前一階段精料和制品的生產(chǎn)是在冶金廠高效率大批量生產(chǎn)的，可以降低生產(chǎn)費用，提高材料利用率。㈣合理選擇模具鋼材應(yīng)考慮的其他因素在進(jìn)行模具鋼材選擇時，根據(jù)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(yīng)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(dāng)生產(chǎn)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(biāo)，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(jù)生產(chǎn)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(guān)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(guī)格很多，為了便于在市場上采購和備料，應(yīng)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(chǎn)的通用型模具鋼材，由于通用型模具鋼材技術(shù)比較成熟，積累的生產(chǎn)工藝和使用經(jīng)驗較多，性能數(shù)據(jù)也比較完整，便于在設(shè)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。