什么质量的模具钢符合高质量模具钢的标准？_

模具在现代制造业中越来越重要，尤其是汽车和电气制造业70%以上的零件都是用模具制造加工的。然而，目前我国高质量模具大多依赖进口。分析其主要原因不仅在于我们的优质钢炼钢水平，还在于没有意识到整个模具钢质量的提高是一个系统控制过程。除冶金质量外，锻压加工、预备热处理、机械加工和更终热处理都会影响模具的内部组织和应力状态，从而决定模具的更终使用性能。在模具制造过程中，模具的使用寿命和制造精度、质量和表面性能不仅与模具的设计、制造精度、机床和操作条件有关，还与模具材料及其热处理工艺密切相关。据相关统计，模具的早期故障约占材料选择不当和内部缺陷造成的10%，约占热处理不当造成的50%。因此，正确选择具有优良的热处理和冶金质量的热处理具有重要意义。

    1.模具钢对工作性能的要求

    ①硬度

    模具在工作过程中的应力状态很复杂。例如，热作模具通常在交换温度场下承受交变应力，因此应具有良好的抗软化或塑性变形状态，并能在长期工作环境中保持模具的形状和尺寸精度。硬度是模具钢的主要性能之一。冷作模具的硬度一般为58HRC热作模具，特别是对抗热疲劳性能要求高的模具，通常硬度为45HRC左右。对于普通塑料模具，一般硬度要求为35HRC左右。

    ②强度与韧性

    零件的成型使模具承受巨大的冲击、扭曲负荷，特别是现代高速冲压、高速精密锻造和液体成型技术和成型技术的发展，模具承受更大的负荷，往往由于钢的强度和韧性不足，导致腔边缘或局部坍塌、坍塌或断裂，因此模具热处理后应具有较高的硬度和韧性。

    ③耐磨性

    零件形成时，材料与模具腔表面相对移动，导致腔表面磨损，从而改变模具的尺寸精度、形状和表面粗糙度。磨损是一个复杂的过程，影响因素很多。除了作用于模具的外部条件外，它还在很大程度上取决于钢的化学成分不均匀性、组织状态和力学性能。

    ④疲劳性能

    模具在工作过程中承受着机械冲击和热冲击的交变应力。在工作过程中，热交变应力更明显地导致模具的热裂纹。裂纹是由应力和温度梯度引起的，通常在型腔表面形成浅而薄的裂纹，其快速传播和扩展导致模具故障。此外，钢的化学成分和组织不均匀，非金属夹杂物、气孔、微裂纹等冶金缺陷可导致钢的疲劳强度降低，因为在交变应力的作用下，疲劳裂纹首先发展为疲劳损伤。

    ⑤粘着性

    由于两个金属原子的相互作用或单相扩散，工模零件的表面经常被加工金属粘附，特别是一些切割、剪切工具和冲压工具的表面会产生粘附或疤痕，影响刃口的锋利性和局部组织和化学成分的变化，使刃口部分开裂或粘附金属脱落划痕模具，使工件表面粗糙。因此，良好的抗粘性也非常重要。

    ⑥抛光和蚀刻性能

    随着模具的广泛应用，特别是塑料模具，低表面粗糙度值（有时甚至镜子的程度）是非常必要的。低表面粗糙度值影响模具的使用寿命、生产效率和产品质量。高表面质量可以减少腐蚀（特别是局部点腐蚀）；为了降低开裂的风险，抛光钢的化学成分、组织结构、硬度和碳化物分布必须均匀。大碳化物，特别是当它们被分析并形成带状时，对表面抛光非常有害。特别重要的是，钢不能含有大的氧化物混合或偏析，因此必须严格控制冶炼和脱氧过程。真空电弧再熔，电渣再熔效果好，该工艺已成为先进塑料模具钢的主要生产模式。即使是简单的真空脱气也有助于消除大氧化物的混合物。这些冶炼过程不仅可以降低氧化物的含量，还可以使氧化物更小、更均匀，控制冶炼和脱氧过程，还可以改变混合物的类型，软化和具有良好的塑性韧性，提高抛光性能。

    钢中任何未关闭的孔都会影响其抛光性能，因此有必要通过现代成型加工技术来实现热加工中的冶金缺陷，如压缩松散和保持组织致密。例如，反复提升技术、旋转锻造技术、高温等静压抑可以细化原始铸造组织、分支晶体间隙。电渣重熔和真空电弧重熔精炼工艺也非常有利于钢的均匀性。热处理或表面硬化引起的缺陷应尽量避免硬度不均匀的脱碳。模具大师： 这些措施，加上合理的成分设计和控制，可以生产出镜面加工优良的钢。

    此外，根据模具的工作条件和环境差异，所用模具钢应具有良好的导热性、耐腐蚀性、抗氧化性和导磁性。

    2.模具钢工艺性能要求

    ①可加工性

    钢的可加工性主要包括切割加工和冷热塑性变形，这取决于钢的化学成分、热处理组织和冶金生产的内部质量。近年来，为了提高钢的可加工性，在部分钢中添加易切割元素或改变钢中夹杂物的分布状态，以提高模具钢的表面质量，减少模具的磨损。在热加工过程中，对于一些高碳高合金模具钢，特别是提高碳化物的形态和分布、晶粒尺寸和奥氏体合金化程度非常重要。

    除具有良好的可加工性外，还具有良好的电加工性和压印翻模加工性。

    ②淬透性和淬硬性

    根据不同的工作条件，模具对这两种性能的要求各有侧重点。对于锤锻模钢等要求整个截面硬度均匀性高的模具，其高淬透性更为重要，而对于只需要高硬度的小模具，如冲裁模钢，则更注重高淬硬度。

    ③变形热处理

    模具零件在热处理时，要求变形小，各个方向要有相近的变化，且组织稳定。淬火变形小，除与淬火温度]时间和冷却介质等因素有关外，它主要取决于钢的成分均匀、冶金质量和组织稳定性。

    ④脱碳敏感性

    锻造、退火或淬火时，模具钢在无保护气氛中加热，其表面会产生氧化脱碳等缺陷，从而降低模具的耐久性。

  脱碳除了与热处理工艺、设备有关外，就材料本身而言，主要取决于钢的化学成分、特别是碳含量，在含有较高的硅、钼等元素时，也会加剧脱碳。

    此外，根据模具的使用条件，应考虑镜面抛光、磨削和电化学性能。

    3.模具钢冶金质量要求

    高冶金质量可以发挥钢的基本特性。模具钢的内部冶金质量与其基本性能具有同等的意义。在研究性能时，必须研究影响冶金质量的因素。模具钢的内外质量问题一般如下：

    ①化学成分的均匀性

    模具钢通常是一种含有多元素的合金钢。当钢锭模具中的钢从液体凝固时，由于晶体的选择，钢液中的各种元素在凝固结构中分布不均匀，导致组织和性能的差异，这是影响钢质量的重要因素之一。降低钢的偏差可以有效地提高钢的性能。近年来，国内外许多冶金厂都致力于研究生产成分均匀、组织细化的钢材。

    ②含有有害元素

    硫和磷在钢凝固过程中形成磷化物和硫化物，在晶界沉淀，产生晶间脆性，降低钢的塑性，过高S、P含量会使钢锭在轧制过程中容易开裂，大大降低钢的力学性能。日本松田幸纪研究S、P含量对含W（Cr）5%热作模具钢（H13）的韧性和热疲劳性能影响结果表明，如将W（S、P）的含量从0.025%和0.010%降到W（P）0.005%和W（S）0.热疲劳裂纹的长度和数量将减少001%。日立金属公司将SKD61钢中的W（P）含量从0.03%降到0.001%时，可使钢45HRC冲击韧性为39.2J/cm2提高到127.5J/cm2.此外，减少钢中S、P还能有效提高钢的等向性。

    ③钢中的非金属夹杂物

    优质钢不仅化学成分应符合技术标准，而且钢中非金属夹杂物的含量应尽可能少，因为非金属夹杂物杂物在钢中的体积很小，但对钢的性能有很大的影响。减少钢中的非金属夹杂物是炼钢的主要任务之一。钢中的非金属夹杂物通常是指铁和其他合金元素与氧、硫、氮等作用形成的化合物，如FeO、MnO、Al2O3、SiO2、FeS、MnS、AlN、VN以及炼钢和浇注时带来的耐火材料，后者的成分主要是Si、Al、Fe、Cr、Ca、Mg等待氧化物。钢中的非金属夹杂物可分为内夹杂物和外夹杂物。仙女夹杂物是钢在液体和凝固过程中形成的化合物。

    在基本意义上，钢中的非金属夹杂物被视为一定尺寸的裂纹。它破坏了金属的连续性，导致应力集中。在外部应力的作用下，裂纹延伸容易发展和扩大，导致性能下降。随着锻造和轧制过程的延伸和变形，塑料夹杂物的存在导致钢的各向异性。同时，夹杂物抛光过程中的剥落提高了模具的表面粗糙度。因此，模具大师： 对于大型和重要的模具来说，提高钢的纯度是非常重要的。

    4、白点

    白点是热轧钢坯和大型锻件中常见的缺陷，是钢内部破裂的一种。

  白点的存在对钢的性能有极其不利的影响，主要表现为降低钢的力学性能，使锻件在热处理过程中淬火开裂，或在使用过程中发展成更严重的损坏事故。因此，在任何情况下都不能使用带白点的锻件。不同的钢对白点有不同的敏感性。一般认为易发生白点的钢包括铬钢、铬钼钢、锰钼钢、铬镍钼钢、铬钨钢等，其中包括W（C）大于0.30%、W（Cr）大于1%、W（Ni）大地2.5%的马氏体铬镍钢和铬镍钼钢对白点更敏感。白点形成的原因是钢中氢的脱溶沉淀聚集，在钢的纵截面上形成银亮白色粗晶圆形或椭圆形斑点。它经常使锻件和坯料内部开裂。模具钢5CrNiMo、5CrMnMo如果增加碳化物元素，更容易出现白点Cr、Mo和V之后可以降低白点的敏感性。这种钢在生产过程中必须注意脱气加强锻件 冷或去氢退火。

    5、氧含量

    对模具钢一般都未规定钢中的允许的气体含量。随着氧含量的增加，氧化物的颗粒和数量都随之增加，钢的疲劳性能降低，热裂纹也容易产生。有人曾对4Cr5MoSiV1钢进行过试验，氧含量更好不超过1.5*10-5，哪日本山阳特殊钢公司规定高纯净度钢氧含量不大于1.0*10-5。因此，近年来，为了提高模具的制造质量。国内外的模具钢逐渐在向低氧含量的方向发展。

    6、碳化物的不均匀度

    碳化物是绝大多数模具钢的必需组分，除可溶于奥氏体的碳化物外，还会有部分不能溶于奥氏体的残留碳化物。碳化物的尺寸、形态、分布对模具钢的使用性能等有十分重要的影响。关于碳化物的尺寸、形状和分布是与钢的冶炼方法、钢锭的凝固条件以及热加工变形条件等有关。过共析钢的碳化物可能在晶界形成风状碳化物或是在加工变形中碳化物被拉长而形成带状碳化物或者二者兼有，莱氏体模具钢中，存在一次碳化物和二次碳化物，在热变形的过程中，网状的共晶碳化物大多可以破碎，碳化物先沿变形方向延伸，产生带状，随着变形程度的增加，碳化物变得均匀、细小。碳化物的不均匀性对淬火变形、开裂、钢材的力学性能的影响较大。

    7、偏析

    偏析即钢的成分与组织不均匀性的表现，这是在模具钢的低倍组织的检验中常存在的一种缺陷。是钢锭在凝固过程中形成的，与钢的化学成分和浇注温度等有关。一般分为树枝状的偏析、方形偏析、点状偏析等。由于树枝状的偏析的存在，使负然各个不同的方向的力学性能表现出明显的差异。方形偏析是由于铸锭结晶时，在柱状晶的末端与锭心等轴晶区间，聚集了较多的杂质和孔隙而形成的。严重的方形偏析，对钢材的质量的影响是显著的，特别是切削加工量很大的零件或心部受力的模具零件。偏析除了影响模具钢力学性能的等向性外，对模具的抛光性能也有一定的影响。因此，国外相关的标准中有严格的规定。

    疏松是钢的不致密性的表现。疏松多数出现在钢锭的上部及中部，在这些地方因为集中了较多的杂质和气体造成的。由于疏松缺陷的存在，降低了钢的强度和韧性，也严重地影响了加工后的表面的粗糙度，在一般的模具钢中的影响不是特别大，但如冷轧辊、大型的模块、冲头和塑料成形模具零件等都有较严格的要求。如深型腔的锻模和冲头要求疏松不超过1级或2级，用于表盘或透光件等的塑料模具用钢，要求疏松不超过1级。

来源：模具人杂志

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