模具鋼材的基本性能及工藝性能
㈠模具鋼材的基本性能
進行模具鋼材選擇時，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，應可以在一定程度上決定其應用范圍。當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時，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生粘附、焊接招致工件表面擦傷，又能減少模具表面進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。模具鋼材的化學成分、晶粒度、碳化物、夾雜物的組成數量、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最佳配合，以適應模具的需要，是模具鋼材的重要發展的途徑。
⒊硬度和紅硬性
硬度是模具鋼材的主要技術性能指標，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。另外，還要根據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，對壓鑄模具應考慮其耐融熔金屬的沖蝕性能；對于重載荷型腔模具應注意其等向性；對于高溫工作的熱作模具應考慮其在工作溫度下的抗氧化性能；對于在腐蝕介質工作的模具，應注意其抗腐蝕性能；對在高載荷下工作的模具應考慮其抗壓強度、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雜模具，模具材料費往往只占總成本的10%～20%，有時甚至低于10%；而機械加工、熱處理、表面處理、裝配、管理等費用要占成本的80%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，經常要考慮的有以下幾種。
⒈可加工性
模具鋼材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，在生產過程中，必須嚴格地控制熱加工和冷加工的工藝參數，以避免產生缺陷和廢品，另一方面還必須通過改善鋼的純凈度，減少有害的雜質，改善鋼的組織狀態，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。為了改善模具鋼材的切削性和磨削性，從20世紀30年代開始，研究向鋼中加入適量的硫、鉛、鈣、稀土金屬等元素或導致模具鋼中碳的石墨化的元素，發展了各種易切削模具鋼。以后發現有些易切削元素加入以后，會在模具鋼中生產一些有害的夾雜物（如硫化鐵等），會使鋼的力學性能，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，抑制了硫對鋼的力學性能的不利影響，保留和發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一步地發展。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，可以使鋼中的碳化物細小、均勻，完全消除了普通工藝生產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鋼材，這類鋼種往往要采用電渣重熔或真空電弧重熔等工藝進行精煉，得到高純凈度的鋼材，以適應鏡面拋光的要求。
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，為了生產這些制品，就要求在壓制這些制品的模具表面加工出相應的清晰的花紋、圖案來。而加工這些圖案、皮紋一般是采用化學蝕刻工藝，要求模具材料要能適應這種化學蝕刻工藝，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：為了簡化生產工藝，國內外近年來致力于發展采用鑄造工藝直接生產出接近成品模具形狀的鑄造毛坯。如我國已經研究采用鑄造工藝生產一部分冷作模具、熱作模具和玻璃成形模具。相應地發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最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行修復后重新使用。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熱和焊后處理工藝，更好地適應焊接工藝的需要，相尖地發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，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，難以精確地測量和控制溫度，就要求模具鋼能適應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格，應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成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態。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。另外對于形狀復雜、要求精度高又容易產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（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鋼材，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，如果產生氧化、脫碳現象，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用，直到熱處理工藝裝備發展以后，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，才順利得到推廣應用。鉬基合金雖然具有極為優秀的高溫性能，但是由于在高溫下極易氧化，嚴重地限制了其應用范圍。
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