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模具鋼基本知識
簡介
模具鋼是用來制造冷沖模、熱鍛模壓鑄模等模具的鋼種。模具是機械制造、無線電儀表、電機、電器等工業部門中制造零件的主要加工工具。模具的質量直接影響著壓力加工工藝的質量、產品的精度產量和生產成本、而模具的質量與使用壽命除了靠合理的結構設計和加工精度外，主要受模具材料和熱處理的影響。
模具鋼大致可分為（冷作模具鋼）、（熱作模具鋼）和（塑料模具鋼）3類，用于鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。由于各種模具用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。由于這類用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼的性能要求也不同。
冷作模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲模、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具有鋼，按其所制造具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性、足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用于這類用途的合金工具用鋼一般屬于高碳合金鋼，碳質量分數在0.80%以上，鉻是這類鋼的重要合金元素，其質量分數通常不大于5%。但對于一些耐磨性要求很高，淬火后變形很小模具用鋼，最高鉻質量分數可達13%，并且為了形成大量碳化物，鋼中碳質量分數也很高，最高可達2.0%~2.3%。冷作模具鋼的碳含量較高，其組織大部分屬于過共析鋼或萊氏體鋼。常用的鋼類有高碳低合金鋼、高碳高鉻鋼、鉻鉬鋼、中碳鉻鎢釧鋼等。
熱作模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型，包括熱鍛模、壓力機鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具在工作中除要承受巨大的機械應力外，還要承受反復受熱和冷卻的做用，而引起很大的熱應力。熱作模具鋼除應具有高的硬度、強度、紅硬性、耐磨性和韌性外，還應具有良好的高溫強度、熱疲勞穩定性、導熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個截面具有一致的力學性能。對于壓鑄模用鋼，還應具有表面層經反復受熱和冷卻不產生裂紋，以及經受液模具鋼態金屬流的沖擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬于中碳合金鋼，碳質量分數在0.30%~0.60%，屬于亞共析鋼，也有一部分鋼由于加入較多的合金元素（如鎢、鉬、釩等）而成為共析或過共析鋼。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。 塑料模具包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐蝕性等性能。此外，還要求具有良好的工藝性，如熱處理變小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度高、導熱性好和工作條件尺寸和形狀穩定等。一般情況下，注射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼；熱固性成形和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。
《模具行業“十二五”發展規劃》提出發展總目標，“十二五”期間我國模具工業總額銷售要達到1740億元左右，其中出口額占15%（即達到40億美元，在5年內實現翻一番）；國產模具自配率達85%以上，中高檔模具自配率占40%以上;模具生產周期提高20%-30%；使用壽命提高20%-30%。前瞻產業研究院中國模具鋼行業研究小組表示，上述目標的實現，無疑將對我國的模具材料，特別是模具鋼提出更高、更嚴格的要求，同時也為我國模具鋼行業提供了更廣闊的的發展空間。
在模具生產成本中，材料費用一般占10%~20%，而機械加工、熱處理、裝配和管理費用占80%以上，所以模具材料的工藝性能是影響模具的生產成本和制造難易的主要因素之一。
冷作模具鋼大多屬于過共析鋼和萊氏體鋼，熱加工和冷加工性能都不太好，因此必須嚴格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，通過提高鋼的純凈度，減少有害雜質的含量，改善鋼的組織狀態，以改善鋼的熱加工和冷加工性能，從而降低模具的生產成本。
為改善模具鋼的冷加工性能，自20世紀30年代開始，研究向模具鋼中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工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，以進一步改善其切削性能和磨削性能，減少刀具磨料消耗、降低成本。
淬透性主要取決于鋼的化學成分和淬火前的原始組織狀態；淬硬性則主要取決于鋼中的含碳量。對于大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素之一。對于熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是制造大型模具，其淬透性更為重要。另外，對于形狀復雜容易產生熱處理變形的各種模具，為了減少淬火變形，往往盡可能采用冷卻能力較弱的淬火介質，如空冷、油冷或鹽浴冷卻，為了得到要求的硬度和淬硬層深度，就需要采用淬透性較好的模具鋼。
為了便于生產，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些，特別是當模具采用火焰加熱局部淬火時，由于難于準確地測量和控制溫度，就要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。
模具在熱處理時，尤其是在淬火過程中，要產生體積變化、形狀翹曲、畸變等，為保證模具質量，要求模具鋼的熱處理變形小，特別是對于形狀復雜的精密模具，淬火后難以修整，對于熱處理變形程度的要求更為苛刻，應該選用微變形模具鋼制造。
模具在加熱過程中，如果發生氧化、脫碳現象，就會使其硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低；因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對于含鉬量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強，需采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。
在選擇模具鋼時，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具鋼的通用性和鋼材的價格。模具鋼一般用量不大，為了便于備料，應盡可能地考慮鋼的通用性，盡量利用大量生產的通用型模具鋼，以便于采購、備料和材料管理。另外還必須從經濟上進行綜合分析，考慮模具的制造費用、工件的生產批量和分攤到每一個工件上的模具費用。從技術、經濟方面全面分析，以最終選定合理的模具材料。
（1）硬度硬度是模具鋼的主要技術指標，模具在高應力的作用下欲保持其形狀尺寸不變，必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般硬度保持在HRC60左右，熱作模具鋼根據其工作條件，一般要求保持在HRC40~55范圍。對于同一鋼種而言，在一定的硬度值范圍內，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。
（2）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，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱為紅硬性。碳素工具鋼、低合金工具鋼通常能在180~250℃的溫度范圍內保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃的溫度范圍內保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學成分和熱處理工藝。
（3）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于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沖頭工作時所表現出來的變形抗力較為吻合）。抗彎試驗的另一個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。
在工作過程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、崩刃等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。
模具鋼的化學成分，晶粒度，純凈度，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制度和熱處理后得到的金相組織等因素都對鋼的韌性帶來很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對于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。因此，要合理地選擇鋼的化學成分并且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，以使模具材料的耐磨性、強度和韌性達到最佳的配合。
沖擊韌性系表特征材料在一次沖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技術正在被采用。
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下仍保持其尺寸精度。模具的磨損主要是機械磨損、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粘附性好的氧化膜，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，又能減少模具表面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。
耐磨性可用模擬的試驗方法，測出相對的耐磨指數，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，反映各種鋼種的耐磨水平；試驗是以Cr12MoV鋼為基準進行對比。
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，它包括熱疲勞性能、機械疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性三個方面。
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后，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，其中的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。也就是說，抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命；而裂紋擴展速率和斷裂韌性，可以決定當裂紋萌生后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、低的裂紋擴展速率和高的斷裂韌性值。
抗熱疲勞性能的指標可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環數，也可以用經過一定的熱循環后所出現的疲勞裂紋的條數及平均的深度或長度來衡量。
咬合抗力實際就是發生“冷焊”時的抵抗力。該性能對于模具材料較為重要。試驗時通常在干摩擦條件下，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”，臨界載荷愈高，標志著咬合抗力愈強。
◆作為塑料模具的使用情況，有種種的不同條件，模具用鋼大致應滿足如下的要求：
（1）機械加工性能優良：塑料模具型腔的幾何形狀非常復雜，往往有深孔、深溝槽、窄縫等加工部位。鋼材必須具有易切削的性能。
（2）拋光性能優良：無論何種塑料模具， 其型腔的允許表面粗糙度極小，幾乎都要求能做到鏡面光澤。而要達到鏡面光澤，主要的一點是鋼材必須具有不低于38HRC的硬度，最好為40～46HRC，而達到55HRC為最佳。要達到鏡面光澤，首先鋼材中的夾雜物要盡量少，而且不能有氣泡存在， 并且纖維組織均勻。在大量生產中的模具，為了減少磨損，除了型腔的表面硬度以外，表面粗糙度也是重要條件。
（3）有良好的表面腐蝕加工性：有很多模具要求成形的塑件表面為各種其他物質的花紋。如皮革紋、綢紋、布紋、精細圖案等。這就要求鋼材的質地細而均勻，否則表面腐蝕的效果不佳。
（4）既要耐磨損，而且又有韌性：塑料模具是長期承受熱交變負荷的，而且又是長期經受摩擦的。如果僅考慮耐摩擦的一面而不考慮其受熱交變負荷的一面，若使用冷沖模具用的高碳高合金鋼制造時，必然出現韌性不足而引起開裂。
（5）淬火性能好，變形小：塑料模具特別是熱固性塑料模具的型腔部分大都必須進行熱處理。這就要求鋼材具有較好的淬透性和很小的變形。一般熱塑性塑料成形用模具，采用調質、預硬化等處理即可。而熱固性塑料成形用模具則必須淬硬。
（6）電火花加工性好：塑料模的凹型腔時常采用放電加工，放電加工后表面的硬化層要淺，以便于拋光。拋光在塑料模的型腔加工中是最耗時間的。時間長則增加成本。目前對自動拋光的技術尚未達到實用階段，仍然以手工拋光為主。硬化層厚則拋光工時增大。
（7）有耐腐蝕性：有些塑料，例如聚氯乙烯在成形時能產生鹽酸氣體，對型腔有腐蝕性。所以對于用于有腐蝕氣體的塑料模，必須考慮鋼材的耐腐蝕性。
（8）焊接性好：在型腔加工中，有時難免要補焊。因此模具鋼必須有很好地焊接性能。
◆在選擇塑膠模具鋼材時，要依以下條件而逐次考慮之，最后作出決定。
（1）塑件的生產批量：模具是高效率的生產工具。每一付模具的使用壽命，直接關系到制件的成本。設計模具時，除了按產量考慮每模的型腔數之外，就要考慮其使用壽命。批量小，則對鋼材的要求可以低些；而批量大時，必須選擇優質鋼材，以保證使用壽命而盡量避免重復制作模具。
（2）塑件的尺寸精度：塑件的尺寸精度，很大程度上取決于模具的制造精度，它又決定制件的合格率。對于要求高精度（SJ/T10628－95的3、4級精度）以及超高精度（SJ/T50628－95的1、2級精度）的塑件，應選用優質模具鋼。
（3）制件的復雜程度：制件越復雜，型腔的加工就越困難，因而必須選用切削性能好的鋼材。制件復雜程度高，則尺寸量大，加工部位多。因而加工的應力變形必須考慮。
（4）制件的體積大小：制件越大，型腔的切削量也越大。用大吃刀量切削時，切削應力也大。因此對于大制件的模具最好選用易切削鋼。制件小時，型腔體積小，所用的刀具（主要是銑刀）強度低，切削量很小。選擇鋼材時應選用質地均勻，合金碳化物分布細而勻稱的鋼材。小模具多先作預硬化處理然后加工，要考慮加工的可能性。
（5）制件的外觀要求：塑件如為外觀裝飾件，則表面的質量好壞能很大程度上影響產品的銷售。凡對塑件外觀有高要求的塑件，最好選用真空熔煉或電渣熔煉鋼，以達到最好的型腔拋光效果。
◆鋼材的拋光性
生產透明塑料制品，尤其是光學儀器，對于成型模具的拋光性（即鏡面加工性）要求很高。
影響鏡面加工性能的因素有：
（1）鋼材冶金質量：不得采用易削鋼。采用VAD、VAR、ESR等工藝，可提高鋼的純凈度，從而提高拋光性能。
（2）組織不均勻度：即顯微偏析的影響。措施是必須掌握好出鋼后的澆注技術和鋼錠的結晶質量；充分鍛造，以保證致密度；均熱化處理或ESR。
（3）硬度：高硬度有利于鏡面拋光。熱處理后的表面滲碳或脫碳導致表面質量惡化，影響拋光性能。
（4）拋光技術：要避免拋光過程中表面接觸應力過高。否則較軟的基體會被沖蝕，使碳化物游離出來，隨后在鋼材表面留下缺陷。
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