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教你如何判定模具鋼材的優(yōu)與劣
在模具的制造過(guò)程中，模具的使用壽命和制成的精度、質(zhì)量、表面性能，除與模具的設(shè)計(jì)、制造精度以及機(jī)床和操作等條件有關(guān)外，與模具鋼材及其熱處理工藝也有密切關(guān)系。模具鋼材的內(nèi)部冶金質(zhì)量與模具的使用壽命直接相關(guān)，研究模具鋼材的冶金質(zhì)量影響因素是模具制造業(yè)的重要課題，本文宏祥精密五金著重介紹如何評(píng)定模具鋼材的冶金質(zhì)量。
⒈模具鋼材化學(xué)成分的均勻性
模具鋼通常是含有多元素的合金鋼，鋼在錠模具中從液態(tài)凝固時(shí)，由于選分結(jié)晶的緣故，鋼液中各種元素在凝固的結(jié)構(gòu)中分布不均勻而形成偏析，這種化學(xué)成分的偏析將造成組織和性能的差異，它是影響鋼材質(zhì)量的重要因素之一。降低鋼的偏析度，可以有效地提高鋼的性能。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多冶金廠都在致力研究生產(chǎn)成分均勻、組織細(xì)化的鋼材。
⒉疏松
疏松是鋼的不致密性的表現(xiàn)。疏松多數(shù)出現(xiàn)在鋼錠的上部及中部，在這些地方因?yàn)榧辛溯^多的雜質(zhì)和氣體造成的。由于疏松缺陷的存在，降低了鋼的強(qiáng)度和韌性，也嚴(yán)重地影響了加工后的表面的粗糙度，在一般的模具鋼中的影響不是特別大，但如冷軋輥、大型的模塊、沖頭和塑料成形模具零件等都有較嚴(yán)格的要求。如深型腔的鍛模和沖頭要求疏松不超過(guò)1級(jí)或2級(jí)，用于表盤(pán)或透光件等的塑料模具用鋼，要求疏松不超過(guò)1級(jí).
⒊碳化物的不均勻度
碳化物是絕大多數(shù)模具鋼的必需組分，除可溶于奧氏體的碳化物外，還會(huì)有部分不能溶于奧氏體的殘留碳化物。碳化物的尺寸、形態(tài)、分布對(duì)模具鋼的使用性能等有十分重要的影響。關(guān)于碳化物的尺寸、形狀和分布是與鋼的冶煉方法、鋼錠的凝固條件以及熱加工變形條件等有關(guān)。過(guò)共析鋼的碳化物可能在晶界形成風(fēng)狀碳化物或是在加工變形中碳化物被拉長(zhǎng)而形成帶狀碳化物或者二者兼有，萊氏體模具鋼中，存在一次碳化物和二次碳化物，在熱變形的過(guò)程中，網(wǎng)狀的共晶碳化物大多可以破碎，碳化物先沿變形方向延伸，產(chǎn)生帶狀，隨著變形程度的增加，碳化物變得均勻、細(xì)小。碳化物的不均勻性對(duì)淬火變形、開(kāi)裂、鋼材的力學(xué)性能的影響較大
⒋偏析
偏析即鋼的成分與組織不均勻性的表現(xiàn)，這是在模具鋼的低倍組織的檢驗(yàn)中常存在的一種缺陷。是鋼錠在凝固過(guò)程中形成的，與鋼的化學(xué)成分和澆注溫度等有關(guān)。一般分為樹(shù)枝狀的偏析、方形偏析、點(diǎn)狀偏析等。由于樹(shù)枝狀的偏析的存在，使負(fù)然各個(gè)不同的方向的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的差異。方形偏析是由于鑄錠結(jié)晶時(shí)，在柱狀晶的末端與錠心等軸晶區(qū)間，聚集了較多的雜質(zhì)和孔隙而形成的。嚴(yán)重的方形偏析，對(duì)鋼材的質(zhì)量的影響是顯著的，特別是切削加工量很大的零件或心部受力的模具零件。偏析除了影響模具鋼力學(xué)性能的等向性外，對(duì)模具的拋光性能也有一定的影響。因此，國(guó)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)格的規(guī)定
⒌白點(diǎn)
白點(diǎn)是熱軋鋼坯和大型鍛件中比較常見(jiàn)的缺陷，是鋼的內(nèi)部破裂的一種。白點(diǎn)的存在對(duì)鋼的性能有極為不利的影響，這種影響主要表現(xiàn)在使鋼的力學(xué)性能降低，熱處理時(shí)使鍛件淬火開(kāi)裂，或使用時(shí)發(fā)展成更為嚴(yán)重的破壞事故，所以在任何情況下，都不能使用有白點(diǎn)的鍛件。不同的鋼對(duì)白點(diǎn)的敏感程度是不同的，一般認(rèn)為容易發(fā)生白點(diǎn)的鋼有鉻鋼、鉻鉬鋼、錳鋼、錳鉬鋼、鉻鎳鉬鋼、鉻鎢鋼等。其中以含W（C）大于0.30%、W（Cr）大于1%、W（Ni）大地2.5%的馬氏體鉻鎳鋼及鉻鎳鉬鋼等對(duì)白點(diǎn)的敏感性****。白點(diǎn)的形成原因是鋼中的氫的脫溶析出聚集，在鋼的縱斷面上形成的銀亮白色粗晶狀的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)。鈞銳模具鋼材18046911918它往往使鍛件和坯材的內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。模具鋼5CrNiMo、5CrMnMo等最容易發(fā)生白點(diǎn)，若增加碳化物元素Cr、Mo和V后可以降低白點(diǎn)的敏感性。這類鋼在生產(chǎn)中一定要注意脫氣和加強(qiáng)大鍛件的鍛后緩冷或去氫退火。
⒍模具鋼材氧含量
對(duì)模具鋼一般都未規(guī)定鋼中的允許的氣體含量。隨著氧含量的增加，氧化物的顆粒和數(shù)量都隨之增加，鋼的疲勞性能降低，熱裂紋也容易產(chǎn)生。有人曾對(duì)熱作模具鋼H13(4Cr5MoSiV1)進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，氧含量最好不超過(guò)1.5*10-5，宏祥精密五金規(guī)定高純凈度鋼氧含量不大于1.0*10-5。因此，近年來(lái)，為了提高模具的制造質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外的模具鋼逐漸在向低氧含量的方向發(fā)展
⒎鋼中的非金屬夾雜物
質(zhì)量良好的鋼材不僅化學(xué)成分要符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并且鋼中的非金屬夾雜物的含量要盡可能地少，因?yàn)榉墙饘賷A雜物在鋼中所占的體積雖然很小，但對(duì)鋼材的性能影響卻很大。減少鋼中的非金屬夾雜物是煉鋼的主要任務(wù)之一。通常所指的鋼中的非金屬夾雜物，主要是指鐵及其他合金元素與氧、硫、氮等作用所形成的化合物，如FeO、MnO、Al2O3、SiO2、FeS、MnS、AlN、VN等，以及在煉鋼和澆注時(shí)帶入的耐火材料，后者的成分也主要是Si、Al、Fe、Cr、Ca、Mg等的氧化物。鋼中的非金屬夾雜物就其來(lái)源，可以分為內(nèi)在夾雜物和外來(lái)夾雜物，先在的夾雜物是鋼在液態(tài)及凝固過(guò)程中形成的化合物。鋼中的非金屬夾雜物在基本種意義上呆以看成是一定尺寸的裂紋，它破壞了金屬的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，在外界應(yīng)力的作用下，裂紋延伸很容易發(fā)展擴(kuò)大而導(dǎo)致性能降低。塑性?shī)A雜物的存在，隨著鍛軋過(guò)程延展變形，致使鋼材產(chǎn)生各向異性。同時(shí)夾雜物拋光過(guò)程中的剝落，提高了模具的表面粗糙度。因此，對(duì)于大型和重要的模具來(lái)說(shuō)，提高鋼的純凈度是十分重要的。
⒏有害元素的含量
硫和磷在鋼凝固過(guò)程中形成磷化物和硫化物而在晶界沉淀，因而產(chǎn)生晶間脆性，使鋼的塑性降低，過(guò)高的S、P含量，會(huì)使鋼錠在軋制時(shí)易產(chǎn)生裂紋，而且會(huì)大大降低鋼的力學(xué)性能。日本的松田幸紀(jì)等研究了S、P含量對(duì)含W（Cr）5%熱作模具鋼（H13）的韌性和熱疲勞性能影響結(jié)果表明，如將W（S、P）的含量從0.025%和0.010%降到W（P）0.005%和W（S）0.001%時(shí)，其熱疲勞裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量將減少一半。宏祥精密五金貨源材料將DAC鋼中的W（P）含量從0.03%降到0.001%時(shí)，可使鋼45HRC時(shí)的沖擊韌度由39.2J/cm2提高到127.5 J/cm2。此外，降低鋼中的S、P含量還可以有效地提高鋼的等向性。
模具在現(xiàn)代制造業(yè)中占有日益重要的地們，特別是汽車(chē)和電器制造業(yè)中有近70％以上的零件采用模具制造加工。但目前我國(guó)高質(zhì)量的模具大量依賴進(jìn)口，分析其主要原因，不在于我們的優(yōu)質(zhì)鋼煉鋼水平，而是沒(méi)有認(rèn)識(shí)到整個(gè)模具鋼材質(zhì)量的提高是一個(gè)系統(tǒng)控制過(guò)程。除冶金質(zhì)量外，制造過(guò)程中的鍛壓加工、預(yù)備熱處理、機(jī)械加工和最終熱處理都將影響模具的內(nèi)部組織和應(yīng)力狀態(tài)，從而決定模具的最終使用性能。
⒈模具鋼材化學(xué)成分的均勻性
模具鋼通常是含有多元素的合金鋼，鋼在錠模具中從液態(tài)凝固時(shí)，由于選分結(jié)晶的緣故，鋼液中各種元素在凝固的結(jié)構(gòu)中分布不均勻而形成偏析，這種化學(xué)成分的偏析將造成組織和性能的差異，它是影響鋼材質(zhì)量的重要因素之一。降低鋼的偏析度，可以有效地提高鋼的性能。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多冶金廠都在致力研究生產(chǎn)成分均勻、組織細(xì)化的鋼材。
⒉疏松
疏松是鋼的不致密性的表現(xiàn)。疏松多數(shù)出現(xiàn)在鋼錠的上部及中部，在這些地方因?yàn)榧辛溯^多的雜質(zhì)和氣體造成的。由于疏松缺陷的存在，降低了鋼的強(qiáng)度和韌性，也嚴(yán)重地影響了加工后的表面的粗糙度，在一般的模具鋼中的影響不是特別大，但如冷軋輥、大型的模塊、沖頭和塑料成形模具零件等都有較嚴(yán)格的要求。如深型腔的鍛模和沖頭要求疏松不超過(guò)1級(jí)或2級(jí)，用于表盤(pán)或透光件等的塑料模具用鋼，要求疏松不超過(guò)1級(jí).
⒊碳化物的不均勻度
碳化物是絕大多數(shù)模具鋼的必需組分，除可溶于奧氏體的碳化物外，還會(huì)有部分不能溶于奧氏體的殘留碳化物。碳化物的尺寸、形態(tài)、分布對(duì)模具鋼的使用性能等有十分重要的影響。關(guān)于碳化物的尺寸、形狀和分布是與鋼的冶煉方法、鋼錠的凝固條件以及熱加工變形條件等有關(guān)。過(guò)共析鋼的碳化物可能在晶界形成風(fēng)狀碳化物或是在加工變形中碳化物被拉長(zhǎng)而形成帶狀碳化物或者二者兼有，萊氏體模具鋼中，存在一次碳化物和二次碳化物，在熱變形的過(guò)程中，網(wǎng)狀的共晶碳化物大多可以破碎，碳化物先沿變形方向延伸，產(chǎn)生帶狀，隨著變形程度的增加，碳化物變得均勻、細(xì)小。碳化物的不均勻性對(duì)淬火變形、開(kāi)裂、鋼材的力學(xué)性能的影響較大
⒋偏析
偏析即鋼的成分與組織不均勻性的表現(xiàn)，這是在模具鋼的低倍組織的檢驗(yàn)中常存在的一種缺陷。是鋼錠在凝固過(guò)程中形成的，與鋼的化學(xué)成分和澆注溫度等有關(guān)。一般分為樹(shù)枝狀的偏析、方形偏析、點(diǎn)狀偏析等。由于樹(shù)枝狀的偏析的存在，使負(fù)然各個(gè)不同的方向的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的差異。方形偏析是由于鑄錠結(jié)晶時(shí)，在柱狀晶的末端與錠心等軸晶區(qū)間，聚集了較多的雜質(zhì)和孔隙而形成的。嚴(yán)重的方形偏析，對(duì)鋼材的質(zhì)量的影響是顯著的，特別是切削加工量很大的零件或心部受力的模具零件。偏析除了影響模具鋼力學(xué)性能的等向性外，對(duì)模具的拋光性能也有一定的影響。因此，國(guó)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)格的規(guī)定
⒌白點(diǎn)
白點(diǎn)是熱軋鋼坯和大型鍛件中比較常見(jiàn)的缺陷，是鋼的內(nèi)部破裂的一種。白點(diǎn)的存在對(duì)鋼的性能有極為不利的影響，這種影響主要表現(xiàn)在使鋼的力學(xué)性能降低，熱處理時(shí)使鍛件淬火開(kāi)裂，或使用時(shí)發(fā)展成更為嚴(yán)重的破壞事故，所以在任何情況下，都不能使用有白點(diǎn)的鍛件。不同的鋼對(duì)白點(diǎn)的敏感程度是不同的，一般認(rèn)為容易發(fā)生白點(diǎn)的鋼有鉻鋼、鉻鉬鋼、錳鋼、錳鉬鋼、鉻鎳鉬鋼、鉻鎢鋼等。其中以含W（C）大于0.30%、W（Cr）大于1%、W（Ni）大地2.5%的馬氏體鉻鎳鋼及鉻鎳鉬鋼等對(duì)白點(diǎn)的敏感性****。白點(diǎn)的形成原因是鋼中的氫的脫溶析出聚集，在鋼的縱斷面上形成的銀亮白色粗晶狀的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)。鈞銳模具鋼材18046911918它往往使鍛件和坯材的內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。模具鋼5CrNiMo、5CrMnMo等最容易發(fā)生白點(diǎn)，若增加碳化物元素Cr、Mo和V后可以降低白點(diǎn)的敏感性。這類鋼在生產(chǎn)中一定要注意脫氣和加強(qiáng)大鍛件的鍛后緩冷或去氫退火。
⒍模具鋼材氧含量
對(duì)模具鋼一般都未規(guī)定鋼中的允許的氣體含量。隨著氧含量的增加，氧化物的顆粒和數(shù)量都隨之增加，鋼的疲勞性能降低，熱裂紋也容易產(chǎn)生。有人曾對(duì)熱作模具鋼H13(4Cr5MoSiV1)進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，氧含量最好不超過(guò)1.5*10-5，宏祥精密五金規(guī)定高純凈度鋼氧含量不大于1.0*10-5。因此，近年來(lái)，為了提高模具的制造質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外的模具鋼逐漸在向低氧含量的方向發(fā)展
⒎鋼中的非金屬夾雜物
質(zhì)量良好的鋼材不僅化學(xué)成分要符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并且鋼中的非金屬夾雜物的含量要盡可能地少，因?yàn)榉墙饘賷A雜物在鋼中所占的體積雖然很小，但對(duì)鋼材的性能影響卻很大。減少鋼中的非金屬夾雜物是煉鋼的主要任務(wù)之一。通常所指的鋼中的非金屬夾雜物，主要是指鐵及其他合金元素與氧、硫、氮等作用所形成的化合物，如FeO、MnO、Al2O3、SiO2、FeS、MnS、AlN、VN等，以及在煉鋼和澆注時(shí)帶入的耐火材料，后者的成分也主要是Si、Al、Fe、Cr、Ca、Mg等的氧化物。鋼中的非金屬夾雜物就其來(lái)源，可以分為內(nèi)在夾雜物和外來(lái)夾雜物，先在的夾雜物是鋼在液態(tài)及凝固過(guò)程中形成的化合物。鋼中的非金屬夾雜物在基本種意義上呆以看成是一定尺寸的裂紋，它破壞了金屬的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，在外界應(yīng)力的作用下，裂紋延伸很容易發(fā)展擴(kuò)大而導(dǎo)致性能降低。塑性?shī)A雜物的存在，隨著鍛軋過(guò)程延展變形，致使鋼材產(chǎn)生各向異性。同時(shí)夾雜物拋光過(guò)程中的剝落，提高了模具的表面粗糙度。因此，對(duì)于大型和重要的模具來(lái)說(shuō)，提高鋼的純凈度是十分重要的。
⒏有害元素的含量
硫和磷在鋼凝固過(guò)程中形成磷化物和硫化物而在晶界沉淀，因而產(chǎn)生晶間脆性，使鋼的塑性降低，過(guò)高的S、P含量，會(huì)使鋼錠在軋制時(shí)易產(chǎn)生裂紋，而且會(huì)大大降低鋼的力學(xué)性能。日本的松田幸紀(jì)等研究了S、P含量對(duì)含W（Cr）5%熱作模具鋼（H13）的韌性和熱疲勞性能影響結(jié)果表明，如將W（S、P）的含量從0.025%和0.010%降到W（P）0.005%和W（S）0.001%時(shí)，其熱疲勞裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量將減少一半。宏祥精密五金貨源材料將DAC鋼中的W（P）含量從0.03%降到0.001%時(shí)，可使鋼45HRC時(shí)的沖擊韌度由39.2J/cm2提高到127.5 J/cm2。此外，降低鋼中的S、P含量還可以有效地提高鋼的等向性。
模具在現(xiàn)代制造業(yè)中占有日益重要的地們，特別是汽車(chē)和電器制造業(yè)中有近70％以上的零件采用模具制造加工。但目前我國(guó)高質(zhì)量的模具大量依賴進(jìn)口，分析其主要原因，不在于我們的優(yōu)質(zhì)鋼煉鋼水平，而是沒(méi)有認(rèn)識(shí)到整個(gè)模具鋼材質(zhì)量的提高是一個(gè)系統(tǒng)控制過(guò)程。除冶金質(zhì)量外，制造過(guò)程中的鍛壓加工、預(yù)備熱處理、機(jī)械加工和最終熱處理都將影響模具的內(nèi)部組織和應(yīng)力狀態(tài)，從而決定模具的最終使用性能。
