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做模具鋼的你需要了解這18種性能
1、冶金質(zhì)量
冶金質(zhì)量對(duì)模具鋼的性能有很大的影響，只有具有良好的冶金質(zhì)量，才能充分發(fā)揮模具鋼的各種性能。冶金質(zhì)量一般包括以下幾方面：冶煉質(zhì)量，軋制、鍛造工藝性能，熱處理和精加工性能，導(dǎo)熱性及精料和制品化程度。
模具鋼一般用量不大，品種規(guī)格很多，為了便于市場(chǎng)采購(gòu)和備料，應(yīng)該考慮材料的通用性，除了特殊要求以外，盡可能采用大量的通用型模具鋼，這是因?yàn)橥ㄓ眯湍＞咪搼?yīng)用起來(lái)技術(shù)比較成熟。選用高質(zhì)量、高性能、高精度的模具鋼精料和制品，高效率、高速度、低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的模具，已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家模具制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。
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范圍溫度等。良好的可加工性能是選用模具鋼的重要條件之一。
3、淬火溫度范圍和淬火變形要求
模具鋼具有較寬的淬火溫度范圍，以及較小的淬火變形。
4、淬透性和淬硬性
淬硬性取決于鋼的含碳量，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)。大部分要求高硬度的冷作模具，對(duì)淬硬性要求較高；而大部分熱作模具和塑料模具，對(duì)于硬度的要求則相對(duì)較低，往往很注重淬透性；特別是對(duì)于一些大截面深型腔模具，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(guò)程中，如果產(chǎn)生氧化脫碳現(xiàn)象，就會(huì)改變模具的表面形狀和性能，影響模具的硬度、耐磨性和使用壽命，導(dǎo)致模具早期失效。通過(guò)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(shù)性能指標(biāo)，為了保持模具形狀尺寸穩(wěn)定不變，模具在高應(yīng)方的作用時(shí)，必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般應(yīng)將硬度保持在60HRC左右，熱作模具鋼根據(jù)其工作條件，一般要求保持硬度在40～55HRc范圍。對(duì)于同一鋼種而言在一定的硬度值范圍，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(xué)成分和金相組織具有密切關(guān)系，通過(guò)熱處理，可以獲得很寬的硬度變化范圍。模具鋼的硬度主要取決于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后硬度為60～62HRC，采用高溫回火處理后硬度為50～52HRC，因此，可用來(lái)制作硬度要求不同的冷作或熱作模具。
7、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)定性，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱(chēng)為紅硬性。紅硬性也是保持其硬度和組織穩(wěn)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(biāo)。碳素工具鑼、低合金工具鋼通常能在180～250~C的溫度范圍內(nèi)保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550～600℃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)成分和所采取的熱處理工藝。
8、強(qiáng)度
強(qiáng)度是指鋼在服役過(guò)程中，抵抗變形和斷裂的能力。對(duì)于模具來(lái)說(shuō)，則是整個(gè)成型面或各個(gè)部位在服役過(guò)程中抵抗拉伸力、壓縮力、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力或綜合力的能力。
衡量鋼材強(qiáng)度常用的方法是進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。對(duì)于在壓縮條件下工作的模具，還經(jīng)常給m杭?jí)簭?qiáng)度。對(duì)于模具鋼，特別是含碳量高的冷作模具鋼，因?yàn)樗苄院懿?，一般不用抗拉?qiáng)度而是以抗彎強(qiáng)度作為實(shí)用指標(biāo)。彎曲試驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)與許多模具工作表面產(chǎn)生粵粵力狀態(tài)極相似，能比較精確地反映出材料的成分及組織因素對(duì)性能的影響?？箯澰囼?yàn)甚至對(duì)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(gè)特殊點(diǎn)，當(dāng)拉力到達(dá)這一點(diǎn)時(shí)，試棒在拉力不增加或有所下降情況下發(fā)生明顯伸長(zhǎng)變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。這時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為這種材料的屈服點(diǎn)。
而當(dāng)外力去除后不能恢復(fù)原狀的變形，這部分變形被保留下來(lái)的變形，稱(chēng)為塑性事形。屈服點(diǎn)是衡量模具鋼塑性變形抗力的指標(biāo)。對(duì)模具材料要求具有高的屈服強(qiáng)度，模具產(chǎn)生塑性變形，就意味著失效。
9、塑性
淬硬后模具鋼的塑性較差，尤其是冷變形模具鋼，在很小的塑性變形時(shí)即發(fā)生脆斷。衡量模具鋼塑性好壞，通常采用斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率兩個(gè)指標(biāo)表示。
斷后伸長(zhǎng)率是指拉伸試樣拉斷以后長(zhǎng)度增加的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，以ψ表示。斷后伸長(zhǎng)率ψ數(shù)值越大，表明鋼材塑性越好。熱模鋼的塑性明顯高于冷模鋼。
斷面收縮率是指拉伸試棒經(jīng)拉伸變形和拉斷以后，斷裂部分截面的縮小量與原始截面之比，以ψ表示。塑性材料拉斷以后有明顯的縮頸，所以驢值較大。而脆性材料拉斷后，截面幾乎沒(méi)有縮小，即沒(méi)有縮頸產(chǎn)生，ψ值很小，說(shuō)明塑性很差。
10、韌性
韌性是模具鋼的一種重要性能指標(biāo)，韌性決定了材料在沖擊試驗(yàn)力作用下對(duì)破裂的抗斷能力。材料的韌性越高，脆斷的危險(xiǎn)性越小-抗熱疲勞強(qiáng)度也越高。對(duì)于衡量模具脆斷傾向，沖擊韌性試驗(yàn)具有重要意義。
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，以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素，都對(duì)鋼的韌性帶來(lái)很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對(duì)于其橫向韌性的影響更為明顯，鋼的韌性、強(qiáng)度和耐磨性往往是相互矛盾的，通過(guò)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，可以使模具材料的耐磨性、強(qiáng)度和韌性達(dá)到最佳的配合。
對(duì)于受強(qiáng)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、熱鍛模具等，模具鋼的韌性是十分重要的考慮因素；對(duì)于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(duì)于多向承受沖擊載荷作用的模具，還必須考慮其各向I司性的影響。
沖擊韌性是表征材料在一次沖擊過(guò)程中試樣在整個(gè)斷裂過(guò)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(yàn)技術(shù)正在被采用。
沖擊韌性是指沖擊試樣缺口處截面積上的沖擊吸收功，而沖擊吸收功是指規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功。沖擊試驗(yàn)有夏比U形缺口沖擊試驗(yàn)(試樣開(kāi)成U形缺口)、夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)(試樣開(kāi)成v形缺口)以及艾氏沖擊試驗(yàn)。
影響沖擊韌性的因素很多。不同材質(zhì)的模具鋼沖擊韌性相差很大，即使同一種材料，因組織狀態(tài)不同、晶粒大小不同、內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不同，沖擊韌性也不相同。通常是晶粒越粗大，碳化物偏析越嚴(yán)重(帶狀、網(wǎng)狀等)、馬氏體組織越粗大等，這些都會(huì)促使鋼材變脆。一般情況是溫度越高沖擊韌性值越高，而有的鋼常溫下韌性很好，當(dāng)溫度下降到一20～一40℃時(shí)會(huì)變成脆性鋼。
11、熱穩(wěn)定性
熱穩(wěn)定性表征鋼在受熱過(guò)程中保持金相組織和性能的穩(wěn)定能力。通常，鋼的熱穩(wěn)定性用回火保溫4h、硬度降到45HRC時(shí)的最高加熱溫度表示。這種方法與材料的原始硬度有關(guān)，有資料將達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度級(jí)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(wěn)定性指標(biāo)。對(duì)于因耐熱性不足而堆積塌陷失效的熱作模具，可以根據(jù)熱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模具的壽命水平。
12、回火穩(wěn)定性
回火穩(wěn)定性指鋼隨回火溫度升高，材料的強(qiáng)度和硬度下降快慢的程度，也稱(chēng)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(lái)表示，硬度下降慢，則表示回火穩(wěn)定性高或回火抗力大?；鼗鸱€(wěn)定性也是與回火時(shí)組織變化相聯(lián)系的，它與鋼的熱穩(wěn)定性共同表征鋼在高溫下的組織穩(wěn)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(shù)錘鍛模及壓力機(jī)模具都因磨損而失效?？篃崮p是對(duì)熱作模具的使用性能的要求，是多種高溫力學(xué)性能的綜合體現(xiàn)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有單位在自制的熱磨損機(jī)上進(jìn)行模具熱磨損試驗(yàn)，收到較理想的試驗(yàn)效果。
實(shí)際使用表明，模具材料抗氧化性能的優(yōu)劣，對(duì)模具使用壽命影響很大。因氧化會(huì)加劇模具工作過(guò)程中的磨損，導(dǎo)致模具型腔尺寸超差而報(bào)廢。氧化還會(huì)使模具表面產(chǎn)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(kuò)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(shí)際就是發(fā)生“冷焊"時(shí)的抵抗力。該性能對(duì)于模具材料較為重要。試驗(yàn)時(shí)通常在干摩擦條件下，把被試驗(yàn)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(duì)偶摩擦運(yùn)動(dòng)，以一定的速度逐漸增大載荷，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，該載荷稱(chēng)為“咬合臨界載荷"。臨界載荷越高，標(biāo)志著咬合抗力越強(qiáng)。
15、抗軟化能力
抗軟化能力表征了模具在承載時(shí)，因鋼的溫度升高對(duì)硬度、耐磨性的抵抗能力。
16、抗壓屈服強(qiáng)度和抗壓彎曲強(qiáng)度
模具在使用過(guò)程中經(jīng)常受到強(qiáng)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(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。在很多情況下，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和抗彎試驗(yàn)的條件接近于模具的實(shí)際工作條件。例如，所測(cè)得的模具鋼的抗壓屈服強(qiáng)度與沖頭工作時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的變形抗力較為吻合?？箯澰囼?yàn)的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變量的絕對(duì)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。
17、耐磨性
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(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力，要求模具能夠在強(qiáng)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(jī)械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類(lèi)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(duì)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、黏附性好的氧化膜，保持潤(rùn)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(duì)鋼的磨損有較大的影響。
耐磨性可采用模擬的試驗(yàn)方法，測(cè)出相對(duì)的耐磨指數(shù)e，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，反映各種鋼的耐磨水平；試驗(yàn)是以Crl2MoV鋼為基準(zhǔn)(e一1)進(jìn)行對(duì)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后的擴(kuò)展速率。熱疲勞抗力通常以20～750℃條件下反復(fù)加熱冷卻時(shí)，所發(fā)生裂紋的循環(huán)次數(shù)或當(dāng)循環(huán)一定次數(shù)后測(cè)定裂紋長(zhǎng)度來(lái)確定。熱疲勞抗力高的材料不易發(fā)生熱疲勞裂紋，或當(dāng)裂紋萌生后，擴(kuò)展量小、擴(kuò)展緩慢。斷裂韌性則表征了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展抗力，斷裂韌性高，則裂紋不易發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。除常規(guī)力學(xué)性能如沖擊韌性、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等一次性斷裂抗力指標(biāo)外，小能量多次沖擊斷裂抗力更符合冷作模具實(shí)際使用狀態(tài)性能，作為模具材料的性能指標(biāo)還包括抗壓疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度等。這種疲勞斷裂抗力指標(biāo)是由在一定循環(huán)應(yīng)力下測(cè)得的斷裂循環(huán)次數(shù)，或在一定循環(huán)次數(shù)下導(dǎo)致斷裂的載荷來(lái)表征的，是否把斷裂韌性作為冷作模具材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，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(píng)價(jià)熱作模具鋼的斷裂抗力應(yīng)重視材料的熱機(jī)械疲勞斷裂性能。熱機(jī)械疲勞是一種綜合性能的指標(biāo)，它包括抗熱疲勞性能、機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性三個(gè)方面。
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(huán)次數(shù)較多；機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展時(shí)，每一應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展量；斷裂韌性反映材料對(duì)已存在的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的抗力。斷裂韌性高的材料，其裂紋如要發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，必須在裂紋具有足夠高的應(yīng)力強(qiáng)度因子，也就是必須有較大的裂紋長(zhǎng)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(kuò)展得更深，才能發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)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(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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、低的機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率和高的斷裂韌性值。抗熱疲勞性能的指標(biāo)既可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)次數(shù)表示，也可以用經(jīng)過(guò)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(zhǎng)度來(lái)衡量。