模具鋼的力學(xué)性能要求

        模具材料的成分和熱處理后的組織決定了模具材料的性能。

        模具鋼的基本組織：馬氏體基體以及在基體上分布著的碳化物和金屬間化合物等構(gòu)成。

        模具鋼的性能應(yīng)該滿足某種模具完成額定工作量所具備的性能，但因各類模具使用條件及所完成的額定工作量指標均不相同，故對模具性能要求也不同。又因為不同鋼的化學(xué)成分和組織對各種性能的影響不同，即使同一牌號的鋼也不可能同時獲得各種性能的最佳值，一般某些性能的改善會損失其他的性能。因而，模具工作者常根據(jù)模具工作條件及工作定額要求選用模具鋼及最佳處理工藝，使之達到主要性能最優(yōu)，而其他性能損失最小的目的。

        模具鋼的力學(xué)性能要求主要有以下幾點：

        【硬度】

        硬度表征了鋼對變形和接觸應(yīng)力的抗力。測硬度的試樣易于制備，車間、試驗室一般都配備有硬度計，因此，硬度是很容易測定的一種性能，而且硬度與強度也有一定關(guān)系，可通過硬度強度換算關(guān)系得到材料硬度值。按硬度范圍劃定的模具類別，如高硬度(52～60HRC)，一般用于冷作模具，中等硬度(40～52HRC)，一般用于熱作模具。

        鋼的硬度與成分和組織均有密切關(guān)系，通過熱處理，可以獲得很寬的硬度變化范圍。

        模具鋼中除馬氏體基體外，還存在更高硬度的其他相，如碳化物、金屬間化合物等。

        模具鋼的硬度主要取決于馬氏體中溶解的碳量(或含氮量)，馬氏體中的含碳量取決于奧氏體化溫度和時間。當溫度和時間增加時，馬氏體中的含碳量增多馬氏體硬度會增加，但淬火加熱溫度過高會使奧氏體晶粒增大，淬火后殘留奧氏體量增多，又會導(dǎo)致硬度下降。因此，為選擇最佳淬火溫度，通常要先作出該鋼的淬火溫度—晶粒度—硬度關(guān)系曲線。

        馬氏體中的含碳量在一定程度上與鋼的合金化程度有關(guān)，尤其當回火時表現(xiàn)更明顯。隨回火溫度的增高，馬氏體中的含碳量在減少，但當鋼中合金含量越高時，由于獼散的合金碳化物折出及殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，所發(fā)生的二次硬化效應(yīng)越明顯，硬化峰值越高。

        常用硬度測量方法有以下幾種：

        1、洛氏硬度(HR)是最常用的一種硬度測量法，測量簡便、迅速，數(shù)值可以從表盤上直接選出。洛氏硬度常用三種刻度，即HRC、HRA、HRB。

        2、布氏硬度(HB)用淬火鋼球作硬度頭，加上一定試驗力壓人工件表面，試驗力卸掉以后測量壓痕直徑大小，再查表或計算，使得出相應(yīng)的布氏硬度值HB。

        布氏硬度測試主要用于退火、正火、調(diào)質(zhì)等模具鋼的硬度測定。

        3、維氏硬度(HV)采用的壓頭是具有正方形底面的金剛石角錐體，錐體相對兩面間的夾角為136°，硬度值等于試驗力F與壓痕表面積之比值。

 此法可以測試任何金屬材料的硬度，但最常用于測定顯微硬度，即金屬內(nèi)部不同組織的硬度。

        【強度】

        強度即鋼材在服役過程中，抵抗變形和斷裂的能力。對于模具來說則是整個型面或各個部位在服役過程中抵抗拉伸力、壓縮力、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力或綜合力的能力。

        衡量鋼材強度常用的方法是進行拉伸試驗。拉伸試驗是在拉伸試驗機上進行的，試棒需按規(guī)定的標準制備，拉伸過程中在記錄紙上繪出拉伸力F與伸長量ΔL之間的關(guān)系圖，即所謂的拉伸曲線圖，分析拉伸曲線圖就可以得出金屬的強度指標。對于在壓縮條件下工作的模具，還經(jīng)常給出抗壓強度。

        對于模具鋼，特別是含碳量高的冷作模具鋼，因塑性很差，一般不用抗拉強度而是以抗彎強度作為實用指標。抗彎試驗甚至對極脆的材料也能反映出一定的塑性。而且，彎曲試驗產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)與許多模具工作表面產(chǎn)生的應(yīng)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性能的影響。

        在拉伸曲線圖上有一個特殊點，當拉力到達這一點時，試棒在拉力不增加或有所下降情況下發(fā)生明顯伸長變形，這種現(xiàn)象稱為屈服。這時的應(yīng)力稱為這種材料的屈服點。而當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，成為永久變形，稱為塑性變形。屈服點是衡量模具鋼塑性變形抗力的指標，也是最常用的強度指標。對模具材料要求具有高的屈服強度，如果模具產(chǎn)生了塑性變形，那么模具加工出來的零件尺寸和形狀就會發(fā)生變化，產(chǎn)生廢品，模具也就失效了。

        【塑性】

        淬硬的模具鋼塑性較差，尤其是冷變形模具鋼，在很小的塑性變形時即發(fā)生脆斷。衡量模具鋼塑性好壞，通常采用斷后伸長率和斷面收縮率兩個指標表示。

        斷后伸長率是指拉伸試樣拉斷以后長度增加的相對百分數(shù)，以δ表示。斷后伸長率δ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ψ值較大。而脆性材料拉斷后，截面幾乎沒有縮小，即沒有縮頸產(chǎn)生，ψ值很小，說明塑性很差。

        【韌性】

        韌性是模具鋼的一種重要性能指標，韌性決定了材料在沖擊試驗力作用下對破裂的抗斷能力。材料的韌性越高，脆斷的危險性越小，熱疲勞強度也越高。對于衡量模具脆斷傾向，沖擊韌度試驗具有重要意義。

        沖擊韌度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力一次作用下折斷時所吸收的功。沖擊試驗有夏比U形缺口沖擊試驗(試樣開成U形缺口)、夏比V形缺口沖擊試驗(試樣開成V形缺口)以及艾式?jīng)_擊試驗。

        影響沖擊韌度的因素很多。不同材質(zhì)的模具鋼沖擊韌度相差很大，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)不同沖擊韌度也不相同。通常是晶粒越粗大，碳化物偏析越嚴重(帶狀、網(wǎng)狀等)，馬氏體組織越粗大等都會促使鋼材變脆。溫度不同，沖擊韌度也不相同。一般情況是溫度越高沖擊韌度值越高，而有的鋼常溫下韌性很好，當溫度下降到零下20～40℃時會變成脆性鋼。

        為了提高鋼的韌性，必須采取合理的鍛造及熱處理工藝。鍛造時應(yīng)使碳化物盡量打碎，并減少或消除碳化物偏析，熱處理淬火時防止晶粒過于長大，冷卻速度不要過高，以防內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。模具使用前或使用過程中應(yīng)采取一些措施減少內(nèi)應(yīng)力。

        【特殊性能要求】

        由于模具種類繁多，工作條件差別很大，因此模具的常規(guī)性能及相互配合要求也各不相同，而且某種模具實際性能與試樣在特定條件下測得的數(shù)據(jù)也不一致。所以，除測定材料的常規(guī)性能外，還必須根據(jù)所模擬的實際工況條件，對模具使用特性進行測量，并對模具的特殊性能提出要求，建立起正確評價模具性能的體系。

        對熱作模具必須測試在高溫條件下的硬度、強度和沖擊韌度。因為熱作模具是在某一特定溫度下服役，在室溫下測定的性能數(shù)據(jù)，當溫度升高時要發(fā)生變化。性能變化趨勢和速率相差也很大，如A種材料在室溫下硬度雖比材料B高，但隨溫度上升，硬度下降顯著，到達—定溫度后，硬度值反而會低于材料B。那么，當在較高溫度工作條件下要求耐磨性高時，就不能選用A種材料，而需選用室溫下硬度值雖較低但隨溫度上升，硬度下降緩慢的材料B。

        對熱作模具除要求室主高溫條件下的硬度、強度、韌性外，還要求具有某些特殊性能。

        【熱穩(wěn)定性】

        熱穩(wěn)定性表征鋼在受熱過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)，有資料將達到預(yù)定強度級別的鋼加熱，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穩(wěn)定性指標。對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)測模具的壽命水平。

        【回火穩(wěn)定性】

        回火穩(wěn)定性指隨回火溫度升高，材料的強度和硬度下降快慢的程度，也稱回火抗力或抗回火軟化能力。通常以鋼的回火溫度-硬度曲線來表示，硬度下降慢則表示回火穩(wěn)定性高或回火抗力大。回火穩(wěn)定性也是與回火時組織變化相聯(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。

        【熱疲勞抗力及斷裂韌度】

        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展速率。熱疲勞通常以20℃—750℃條件下反復(fù)加熱冷卻時所發(fā)生裂紋的循環(huán)次數(shù)或當循環(huán)一定次數(shù)后測定裂紋長度來確定。熱疲勞抗力高的材料不易發(fā)生熱疲勞裂紋，或當裂紋萌生后，擴展量小、擴展緩慢。斷裂韌度則表征了裂紋失穩(wěn)擴展抗力，斷裂韌度高，則裂紋不易發(fā)生失穩(wěn)擴展。

        【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)錘鍛模及壓力機模具都因磨損而失效。抗熱磨損是對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)在國內(nèi)已有單位在自制的熱磨損機上進行模具熱磨損試驗，收到較理想的試驗效果。

        實際使用表明，模具材料抗氧化性能的優(yōu)劣，對模具使用壽命影響很大。因氧化會加劇模具工作過程中的磨損，導(dǎo)致模具型腔尺寸超差而報廢。氧化還會使模具表面產(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展。因此，要求模具具備一定的抗氧化性能。

        對冷作模具鋼除常規(guī)力學(xué)性能外，還常要求具有下列性能：

        耐磨性能，斷裂抗力，抗咬合計抗氧化能力。

        【耐磨損性能】

        冷作模具服役時，被成形的坯料會沿著模具表面既滑動又流動，在模具與坯料間產(chǎn)生很大摩擦力。這種摩擦力使模具表面受到切應(yīng)力作用，在其表面劃刻出凹凸痕跡，這些痕跡與坯料不平整表面相咬合，逐漸在模具表面造成機械破損即磨損。冷作模具，特別是正常失效的冷作模具，多數(shù)因磨損而報廢。因此，對冷作模具最基本的要求之一就是耐磨性。一般條件下材料硬度越高，耐磨性越好。但耐磨性與在軟基體上存在的硬質(zhì)點的形狀、分布也有很大關(guān)系。

        冷作模具的磨損包括磨料磨損、粘著磨損、腐蝕磨損與疲勞磨損。

        【斷裂抗力】

        除常規(guī)力學(xué)性能如沖擊韌度、抗壓強度、抗彎強度等一次性斷裂抗力指標外，小能量多次沖擊斷裂抗力更切合冷作模具實際使用狀態(tài)性能。作為模具材料性能指標還包括抗壓疲勞強度、接觸疲勞強度等。這種疲勞斷裂抗力指標是由在一定循環(huán)應(yīng)力下測得的斷裂循環(huán)次數(shù)，或在一定循環(huán)次數(shù)下導(dǎo)致斷裂的載荷來表征的。關(guān)于是否把斷裂韌度作為冷作模具材料的一項重要處能指標，尚待研究和探討。

        【抗咬合能力及抗軟化能力】

        抗咬合及抗軟化能力分別表征了模具對發(fā)生“冷焊”及承載時因溫度升高對硬度、耐磨性助抵抗能力。

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