鋼材的純凈度對模具性能有怎樣的影響

        模具行業(yè)被稱為“制造業(yè)之母”，過去三十幾年間，在中國逐漸發(fā)展成為全球制造業(yè)中心的過程中，模具行業(yè)在國內(nèi)得以蓬勃發(fā)展。當(dāng)下隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級，高端模具制造成為國內(nèi)眾多模具制造公司的發(fā)展方向。對于高端模具制造從業(yè)者來說，其中重要的一環(huán)是選擇高品質(zhì)的模具鋼做為原材料以獲得模具設(shè)計性能。然而對于大多數(shù)模具從業(yè)人員來說，如何研判一種模具材料品質(zhì)的高低是一項專業(yè)且復(fù)雜的工作。本文力圖通過對模具鋼材料一項最常用的指標(biāo)“純凈度指標(biāo)”的分析，淺談模具材料的品質(zhì)對模具性能的影響。

        什么是鋼材的純凈度

        鋼材的純凈度主要描述鋼材內(nèi)部所含非金屬夾雜物的數(shù)量、類型、形貌、尺寸及分布等有關(guān)信息。“非金屬夾雜物”通常指殘留在模具鋼中的氧、硫、磷、氫、氮等有害雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素的含量在單位體積內(nèi)百分比數(shù)值越小，則模具鋼的純凈度越高。

        純凈度對模具性能的影響

        模具鋼的純凈度(非金屬夾雜物含量)對鋼材的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、切削、疲勞、熱脆以及耐蝕等性能都有很大影響。實驗表明夾雜物的成分、數(shù)量、形狀、分布以及在基體中的空間分布等都直接影響模具鋼的物理特性，進(jìn)而對模具的使用性能和壽命產(chǎn)生直接影響。

        在經(jīng)過相同熱處理和機(jī)加工后，牌號(化學(xué)成分)相同的模具鋼材料，由于鋼材本身純凈度不同，其生產(chǎn)出的模具在同樣的工況條件下會表現(xiàn)出不同的使用性能。

        強(qiáng)度：模具鋼材中的夾雜物顆粒越大、模具的強(qiáng)度越差，產(chǎn)生踏角、刮花的可能性越高。

        拋光：非金屬夾雜物尤其是氧化物夾雜會明顯影響模具型腔表面的光潔度，影響到拋光的等級，甚至導(dǎo)致整套模具經(jīng)過完整加工后在拋光時發(fā)現(xiàn)不得不報廢。

        塑性：帶狀夾雜物(主要以硫化物為主)的增加會導(dǎo)致橫向斷面收縮率明顯降低。

        韌性：硫化物的含量增加會降低鋼的各種韌性指標(biāo)，鋼的斷裂韌性隨著夾雜物數(shù)量或長度的增加而下降，會導(dǎo)致模具韌性下降，在設(shè)計模次內(nèi)發(fā)生開裂、斷裂或崩裂。

        抗疲勞性：夾雜物會使模具的抗疲勞性能下降，通常來說脆性夾雜物(A類)和大尺寸外來氧化物夾雜影響更加明顯，導(dǎo)致模具提前報廢失效。

        焊接性能：硫化物夾雜和大尺寸氧化物夾雜都會使模具的焊接性能下降。

        抗腐蝕性：復(fù)合夾雜物的存在會使模具產(chǎn)生點(diǎn)狀銹蝕。

        切削性能：氧化鋁、氧化鈣、氧化錳和鈣鋁酸鹽類氧化物夾雜，會在很大程度上降低鋼材的切削性能。

        如何評測鋼材的純凈度

        模具鋼中常見的非金屬夾雜物：依其性質(zhì)、形態(tài)、變形特征和對材料性能的影響主要分為幾個大類：

        (1) A硫化物 (2) B氧化鋁 (3)硅酸鹽 (4)球狀氧化物 (5)氮化物

        根據(jù)這些夾雜物的數(shù)量和分布來評定鋼的純凈度，成為評定模具鋼品質(zhì)的一個重要指標(biāo)。通常鋼廠在模具鋼生產(chǎn)完畢后，會對其進(jìn)行純凈度檢測，主要采用的檢測方法為：

        標(biāo)準(zhǔn)評級圖法：

        目前國內(nèi)外模具鋼材料行業(yè)最廣泛使用的評級方法為：AISI E45標(biāo)準(zhǔn)

        其對夾雜物的類別分為4類： A類：硫化物B類：氧化鋁 C類： 硅酸鹽 D類：球狀氧化物。每類夾雜物按其厚度或直徑的不同，又分為粗系和細(xì)系兩個系列，每個系列由表示夾雜物含量遞增的5級(1級至5級)圖片組成。評定夾雜物級別時，允許評半級，如0.5級、1.5級等。

        綜上所述，模具鋼材的純凈度直接對模具后期的各項使用性能有顯著影響，那么國內(nèi)外鋼廠是如何努力提高模具鋼材料的純凈度，且其實際產(chǎn)品的夾雜物控制水平和效果又如何呢？在回答這些問題前，先讓我們介紹下模具鋼基體中夾雜物的組成和分類。模具鋼中的夾雜物按照化學(xué)成分不同可以分為氧化物、硫化物、(碳)氮化物，磷化物等；按夾雜物可塑性可分為：塑性夾雜物；脆性夾雜物和點(diǎn)狀不變形夾雜物等；按照夾雜物尺寸大小亦可分為顯微夾雜和宏觀夾雜；按夾雜物的來源可分為：外來夾雜(如耐火材料、熔渣、電渣或其反應(yīng)產(chǎn)物)和內(nèi)生夾雜(如在冶煉、澆注、凝固過程中固體鋼內(nèi)進(jìn)行物化反應(yīng)時來不及排出而殘存的氧、硫、氮等反應(yīng)生成物)。

        根據(jù)以上分類我們不難理解，模具鋼材的純凈度和夾雜物控制水平會受到如下因素的影響：

        化學(xué)成分(合金成分的配比及合金含量都會影響非金屬夾雜物的水平)冶煉工藝(除渣、除氣、除雜等)二次冶煉(ESR：電渣重熔)煉鋼設(shè)備的維護(hù)及清潔生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和質(zhì)量控制體系等   國內(nèi)目前模具材料行業(yè)中流行的說法“材料的純凈度與是否使用過二次冶煉(電渣重熔)技術(shù)有關(guān)”，是不正確的，其實影響材料純凈度的因素要復(fù)雜得多。舉例來說：國內(nèi)外很多使用電渣重熔ESR工藝的材料，其純凈度并沒有達(dá)到一個很高的水平，有些時候甚至?xí)捎陔娫械碾s質(zhì)混入降低了鋼材的純凈度，在歐洲大部分鋼廠并沒有使用二次冶煉，仍能生產(chǎn)出純凈度極高的模具鋼材。

        在模具鋼生產(chǎn)和制造領(lǐng)域，瑞典的模具鋼在全世界范圍內(nèi)都有很好的口碑，其中一個重要的原因：瑞典是全世界最早將“高純凈度”做為生產(chǎn)鋼材中追求的最重要指標(biāo)，且不斷加以深入研究和探索的國家。在過去300多年的歷史中，瑞典一直將這一優(yōu)勢保持，即使是微小差距也足以使其產(chǎn)品質(zhì)量明顯優(yōu)于其他國家的特鋼產(chǎn)品。瑞典的幾個鋼廠(伍德霍姆、斯堪納鋼鐵集團(tuán)、瑞鋼集團(tuán))在國內(nèi)的品牌無不主打“超純凈熔煉”或者“超純凈鋼”的概念，以突出其產(chǎn)品優(yōu)勢。瑞典鋼廠提供的模具鋼(以：2738為例)其A.B.C.D四類夾雜物，在精煉級別加上超純凈熔煉技術(shù)下生產(chǎn)出的鋼材，實測夾雜物都可以控制在(0.5/0.5/1/1)以內(nèi)，這個指標(biāo)遠(yuǎn)高于歐洲的通用標(biāo)準(zhǔn)(1.5/1.5/2.0/2.0)。瑞典斯堪納鋼廠更是在超純凈熔煉的基礎(chǔ)上推出了VIP技術(shù)，在鋼鐵制造中利用對非金屬夾雜物數(shù)量、尺寸和形態(tài)的控制，進(jìn)一步提高模具鋼的純凈度水平(據(jù)悉已達(dá)到P級的ESR水平)并同時改善了材料的等向性。在臺灣市場，不少專業(yè)且聰明的模具鋼供應(yīng)商更是利用瑞典材料高純凈度這一特性，以瑞典生產(chǎn)的2311向客戶推薦替代部分進(jìn)口2738的應(yīng)用，其拋光性能完全達(dá)到2738的水平，贏得了客戶的滿意度且為客戶降低了成本。

        大道至簡，看似模具鋼一個簡單的“純凈度”指標(biāo)，卻對模具的使用性能有著深遠(yuǎn)的影響。筆者僅以此文祝愿國內(nèi)更多有遠(yuǎn)見的鋼廠，秉承精益求精的精神在高端模具鋼領(lǐng)域為客戶帶來穩(wěn)定的高品質(zhì)模具鋼材料，在提升國產(chǎn)品牌的同時創(chuàng)造更多的價值。

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