如何选择最佳的模具材料？

一般应根据模具加工能力和模具的工作条件,结合模具材料的性能和其他因素,来选择符合要求的模具材料。对于某一种类的模具,很多材料从基本性能上看都能符合要求,然而必须根据所制成模具的使用寿命、生产率、模具制造工艺的难易程度及成本高低来做出综合评价。这就必须同时考虑模具材料的使用性能、工艺性能和生产成本等因素。

1.模具材料的使用性能

各种模具的工作条件不同,对模具材料的性能要求也不相同。通常要根据模具的工作条件和使用寿命要求,合理地选用模具材料及热处理工艺,使之达到主要性能最优,其他性能损失最小的最佳状态。对各类模具材料提出的使用性能要求主要包括硬度、强度、塑性、韧性等。

(1)硬度和热硬性 硬度是衡量材料软硬程度的性能指标。作为成形用的模具应具有足够高的硬度,这样才能确保使用性能和使用寿命。如冷作模具一般硬度在52～60HRC范围内,而热作模具的硬度一般在40～52HRC范围内。

硬度实际上是一种综合的力学性能,通过硬度可以间接地反映零件的强度、塑性、韧性、疲劳抗力和耐磨性等力学性能指标。因此,模具材料的各种性能要求在图样上只通过标注硬度来表示。

热硬性是指模具在受热或高温条件下保持高硬度的能力。多数热作模具和某些冷作模具应具有一定的热硬性才能满足模具的工作要求。

钢的硬度和热硬性主要取决于钢的化学成分、热处理工艺以及钢的表面处理工艺。

(2)耐磨性 模具在工作中承受很大的摩擦,从而导致模具磨损。所以,耐磨性是衡量模具使用寿命的重要指标。

模具的磨损形式很复杂,主要有磨粒磨损、黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损等。如冷作模具的磨损形式通常是磨粒磨损和黏着磨损,而热作模具的磨损形式主要是氧化磨损。磨损形式不同,影响耐磨性的因素也各不相同。一般情况下,主要的影响因素是硬度和组织。当冲击载荷较小时,耐磨性与硬度成正比关系；当冲击载荷较大时,并非表面硬度越高耐磨性越好,超过一定的硬度值之后耐磨性反而下降。钢的组织中,铁素体的耐磨性最差、马氏体的耐磨性较好、下贝氏体的耐磨性最好。另外,碳化物的性质、数量和分布状态对耐磨性也有显著的影响。

(3)强度和韧性 强度是衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标。

评价冷作模具材料塑性变形抗力的性能指标主要是常温下的屈服强度。评价热作模具材料变形抗力的指标为高温屈服强度。当模具的工作应力超过模具材料的相应屈服强度时,模具就会产生过量塑性变形而失效。

反映冷作模具材料的断裂抗力的性能指标是室温下的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。反映热作模具材料的断裂抗力的性能指标除了抗拉强度等之外,还包括断裂韧度(即反映裂纹扩展的抗力指标),因为大多数热作模具的断裂属于表面热疲劳裂纹扩展所造成的断裂。(www.xing528.com)

韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的一种特性,反映了模具的脆断抗力,常用冲击韧度a_K来评定。冷作模具材料多在高硬度状态下使用,在此状态下a_K值很小,很难相互比较,因而常根据静弯曲挠度的大小来比较其韧性的高低。对于工作时承受巨大冲击载荷的模具,必须把冲击韧度作为一项重要的性能指标。

影响强度和韧性的主要因素有:材料的化学成分、冶金质量、晶粒大小、组织类型以及碳化物的形状、数量、大小及分布。所以,根据模具的工作条件和性能要求,合理地选择模具钢的化学成分、组织状态及热处理工艺,就能够得到最佳的强韧性配合。

(4)疲劳抗力 疲劳抗力是反映材料在交变载荷作用下抵抗疲劳破坏的性能指标。根据不同的应用场合,有疲劳强度和小能量多冲抗力等。热作模具大多数在急冷急热条件下工作,必然发生不同程度的冷热疲劳,因此还要把冷热疲劳抗力作为热作模具材料的一项重要性能指标。

2.模具材料的工艺性能

在模具生产成本中,材料费用只占15%左右,而机械加工、热处理、装配和管理等费用占80%以上。所以,模具材料的工艺性能就成为影响模具生产成本和制造难易的主要因素之一。模具材料的工艺性能主要有如下几种。

(1)可加工性 钢材的可加工性主要包括切削、磨削、抛光、冷拔和锻压等加工性。模具钢大多属于过共析钢和奥氏体钢,热加工性能和冷加工性能都不太好,必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数。近年来为改善钢的切削加工性,在钢中加入易切削元素或改变钢中夹杂物的分布状态,从而提高模具的表面质量和减少刀具的磨损。

随着电子技术的发展,数控机床和加工中心乃至计算机控制技术的广泛运用,模具钢除应具有良好的切削加工性外,还要有良好的镜面抛光性能、电加工性能以及压印模加工性能等。

(2)淬硬性和淬透性 淬硬性主要取决于钢的碳含量,淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前钢的原始组织。模具对这两种性能的要求根据其使用条件不同各有侧重,对于要求整个截面有均匀一致性能的模具,如热作模具、塑料模具,则高的淬透性显得更重要些；而对于只要求有高硬度的小型冷作模具,如冲裁落料模具,则更偏重于高的淬硬性。

(3)淬火温度和热处理变形 为了便于生产,要求模具钢的淬火温度范围尽可能宽些,特别是当模具采用火焰淬火时,要求模具钢有更宽的淬火温度范围。除部分采用预硬钢制作的模具外,绝大多数模具是在切削加工后,通过热处理而获得所需的组织和性能。因此要求淬火时尺寸变化小,各向具有相近似的变化,且组织稳定。

(4)脱碳敏感性 模具钢在锻造、退火或淬火时,若在无保护气氛下加热,其表面层会产生脱碳等缺陷,而使模具的寿命缩短。脱碳敏感性主要取决于钢的化学成分,特别是碳含量。