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做模具钢的你需要了解这18种性能

点击次数:824  更新时间:2023-07-05

1、冶金质量


冶金质量对模具钢的性能有很大的影响,只有具有良好的冶金质量,才能充分发挥模具钢的各种性能。冶金质量一般包括以下几方面:冶炼质量,轧制、锻造工艺性能,热处理和精加工性能,导热性及精料和制品化程度。


模具钢一般用量不大,品种规格很多,为了便于市场采购和备料,应该考虑材料的通用性,除了特殊要求以外,尽可能采用大量的通用型模具钢,这是因为通用型模具钢应用起来技术比较成熟。选用高质量、高性能、高精度的模具钢精料和制品,高效率、高速度、低成本生产高质量的模具,已经成为当前工业发达国家模具制造业的主要发展趋势。


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2、可加工性能


模具钢的可加工性能包括:模具的冷加工性能,如切削、磨削、抛光、冷挤压、冷拉工艺性,而热加工性能包括热塑性和热加工范围温度等。良好的可加工性能是选用模具钢的重要条件之一。


3、淬火温度范围和淬火变形要求


模具钢具有较宽的淬火温度范围,以及较小的淬火变形。


4、淬透性和淬硬性


淬硬性取决于钢的含碳量,淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。大部分要求高硬度的冷作模具,对淬硬性要求较高;而大部分热作模具和塑料模具,对于硬度的要求则相对较低,往往很注重淬透性;特别是对于一些大截面深型腔模具,为了使模具的心部也得到良好的组织和均匀的硬度,就要求选用淬透性好的模具钢。


5、氧化脱碳敏感性


模具在加热过程中,如果产生氧化脱碳现象,就会改变模具的表面形状和性能,影响模具的硬度、耐磨性和使用寿命,导致模具早期失效。通过真空热处理等特殊热处理工艺,可避免氧化脱碳。


6、硬度


硬度是模具钢的主要技术性能指标,为了保持模具形状尺寸稳定不变,模具在高应方的作用时,必须具有足够高的硬度。冷作模具钢在室温条件下一般应将硬度保持在60HRC左右,热作模具钢根据其工作条件,一般要求保持硬度在40~55HRc范围。对于同一钢种而言在一定的硬度值范围,硬度与变形抗力成正比;但具有同一硬度值而成分及组织不同的钢种之间,其塑性变形抗力可能有明显的差别。


钢的硬度与化学成分和金相组织具有密切关系,通过热处理,可以获得很宽的硬度变化范围。模具钢的硬度主要取决于马氏体中溶解的含碳量或含氮量。如新型模具钢012A1和CG2,可分别采用低温回火处理后硬度为60~62HRC,采用高温回火处理后硬度为50~52HRC,因此,可用来制作硬度要求不同的冷作或热作模具。


7、红硬性


在高温状态下工作的热作模具,要求保持其组织和性能的稳定性,从而保持足够高的硬度,这种性能称为红硬性。红硬性也是保持其硬度和组织稳定性,抵抗软化的能力,是热作模具钢和部分重载荷冷作模具钢的重要性能指标。碳素工具锣、低合金工具钢通常能在180~250~C的温度范围内保持这种性能,铬钼热作模具钢一般在550~600℃的温度范围内保持这种性能。钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和所采取的热处理工艺。


8、强度


强度是指钢在服役过程中,抵抗变形和断裂的能力。对于模具来说,则是整个成型面或各个部位在服役过程中抵抗拉伸力、压缩力、弯曲力、扭转力或综合力的能力。


衡量钢材强度常用的方法是进行拉伸试验。对于在压缩条件下工作的模具,还经常给m杭压强度。对于模具钢,特别是含碳量高的冷作模具钢,因为塑性很差,一般不用抗拉强度而是以抗弯强度作为实用指标。弯曲试验产生的应力状态与许多模具工作表面产生粤粤力状态极相似,能比较精确地反映出材料的成分及组织因素对性能的影响。抗弯试验甚至对极脆的材料也能反映出一定的塑性。


在拉伸曲线图上有一个特殊点,当拉力到达这一点时,试棒在拉力不增加或有所下降情况下发生明显伸长变形,这种现象称为屈服。这时的应力称为这种材料的屈服点。


而当外力去除后不能恢复原状的变形,这部分变形被保留下来的变形,称为塑性事形。屈服点是衡量模具钢塑性变形抗力的指标。对模具材料要求具有高的屈服强度,模具产生塑性变形,就意味着失效。


9、塑性


淬硬后模具钢的塑性较差,尤其是冷变形模具钢,在很小的塑性变形时即发生脆断。衡量模具钢塑性好坏,通常采用断后伸长率和断面收缩率两个指标表示。


断后伸长率是指拉伸试样拉断以后长度增加的相对百分数,以ψ表示。断后伸长率ψ数值越大,表明钢材塑性越好。热模钢的塑性明显高于冷模钢。


断面收缩率是指拉伸试棒经拉伸变形和拉断以后,断裂部分截面的缩小量与原始截面之比,以ψ表示。塑性材料拉断以后有明显的缩颈,所以驴值较大。而脆性材料拉断后,截面几乎没有缩小,即没有缩颈产生,ψ值很小,说明塑性很差。


10、韧性


韧性是模具钢的一种重要性能指标,韧性决定了材料在冲击试验力作用下对破裂的抗断能力。材料的韧性越高,脆断的危险性越小-抗热疲劳强度也越高。对于衡量模具脆断倾向,冲击韧性试验具有重要意义。


模具钢的化学成分、晶粒度、纯净度、碳化物和夹杂物等的数量、形貌、尺寸大小及分布情况,以及模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素,都对钢的韧性带来很大的影响。特别是钢的纯净度和热加工变形情况对于其横向韧性的影响更为明显,钢的韧性、强度和耐磨性往往是相互矛盾的,通过合理地选择钢的化学成分并且采用合理的精炼、热加工和热处理工艺,可以使模具材料的耐磨性、强度和韧性达到最佳的配合。


对于受强烈冲击载荷的模具,如冷作模具的冲头、锤用热锻模具、冷镦模具、热锻模具等,模具钢的韧性是十分重要的考虑因素;对于在高温下工作的模具,还必须考虑其在高温下的高温韧性;而对于多向承受冲击载荷作用的模具,还必须考虑其各向I司性的影响。


冲击韧性是表征材料在一次冲击过程中试样在整个断裂过程中吸收的总能量。但是很多工具是在不同工作条件下疲劳断裂的,因此,常规的冲击韧性不能全面地反映模具钢的断裂性能。小能量多次冲击断裂功或多次断裂寿命和疲劳寿命等试验技术正在被采用。


冲击韧性是指冲击试样缺口处截面积上的冲击吸收功,而冲击吸收功是指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。冲击试验有夏比U形缺口冲击试验(试样开成U形缺口)、夏比V形缺口冲击试验(试样开成v形缺口)以及艾氏冲击试验。


影响冲击韧性的因素很多。不同材质的模具钢冲击韧性相差很大,即使同一种材料,因组织状态不同、晶粒大小不同、内应力状态不同,冲击韧性也不相同。通常是晶粒越粗大,碳化物偏析越严重(带状、网状等)、马氏体组织越粗大等,这些都会促使钢材变脆。一般情况是温度越高冲击韧性值越高,而有的钢常温下韧性很好,当温度下降到一20~一40℃时会变成脆性钢。


11、热稳定性


热稳定性表征钢在受热过程中保持金相组织和性能的稳定能力。通常,钢的热稳定性用回火保温4h、硬度降到45HRC时的最高加热温度表示。这种方法与材料的原始硬度有关,有资料将达到预定强度级别的钢加热,保温2h,使硬度降到一般热锻模失效硬度35HRC的最高加热温度定为该钢热稳定性指标。对于因耐热性不足而堆积塌陷失效的热作模具,可以根据热稳定性预测模具的寿命水平。


12、回火稳定性


回火稳定性指钢随回火温度升高,材料的强度和硬度下降快慢的程度,也称回火抗力或抗回火软化能力。通常以钢的回火温度一硬度曲线来表示,硬度下降慢,则表示回火稳定性高或回火抗力大。回火稳定性也是与回火时组织变化相联系的,它与钢的热稳定性共同表征钢在高温下的组织稳定性程度,表征模具在高温下的变形抗力。


13、高温磨损与抗氧化性能


高温磨损是热作模具主要失效形式之一,正常情况下,绝大多数锤锻模及压力机模具都因磨损而失效。抗热磨损是对热作模具的使用性能的要求,是多种高温力学性能的综合体现。现在国内已有单位在自制的热磨损机上进行模具热磨损试验,收到较理想的试验效果。

实际使用表明,模具材料抗氧化性能的优劣,对模具使用寿命影响很大。因氧化会加剧模具工作过程中的磨损,导致模具型腔尺寸超差而报废。氧化还会使模具表面产生腐蚀沟,成为热疲劳裂纹起源,加剧模具热疲劳裂纹的萌生与扩展。因此,要求模具具备一定的抗氧化性能。


14、抗咬合能力


咬合抗力实际就是发生“冷焊"时的抵抗力。该性能对于模具材料较为重要。试验时通常在干摩擦条件下,把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料(如奥氏体钢)进行恒速对偶摩擦运动,以一定的速度逐渐增大载荷,此时,转矩也相应增大,该载荷称为“咬合临界载荷"。临界载荷越高,标志着咬合抗力越强。


15、抗软化能力


抗软化能力表征了模具在承载时,因钢的温度升高对硬度、耐磨性的抵抗能力。


16、抗压屈服强度和抗压弯曲强度


模具在使用过程中经常受到强度较高的压力和弯曲的作用,因此要求模具材料应具有一定的抗压强度和抗弯强度。在很多情况下,进行抗压试验和抗弯试验的条件接近于模具的实际工作条件。例如,所测得的模具钢的抗压屈服强度与冲头工作时所表现出来的变形抗力较为吻合。抗弯试验的优点是应变量的绝对值大,能较灵敏地反映出不同钢种之间以及在不同热处理和组织状态下变形抗力的差别。


17、耐磨性


模具使用寿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当大的压应力和摩擦力,要求模具能够在强烈摩擦状况下仍保持其尺寸精度。模具的磨损形式主要有机械磨损、氧化磨损和熔融磨损三种类型。为了改善模具钢的耐磨性,就要既保持模具钢具有高的硬度,又要保证钢中碳化物或其他硬化相的组成、形貌和分布比较合理。对于重载、高速磨损条件下服役的模具,要求模具钢表面能形成薄而致密、黏附性好的氧化膜,保持润滑作用,减少模具和工件之间产生粘咬、焊合等熔融磨损,又能减少模具表面进行氧化造成氧化磨损。所以模具的工作条件对钢的磨损有较大的影响。


耐磨性可采用模拟的试验方法,测出相对的耐磨指数e,作为表征不同化学成分及组织状态下的耐磨性水平的参数。以呈现规定毛刺高度前的寿命,反映各种钢的耐磨水平;试验是以Crl2MoV钢为基准(e一1)进行对比,反映工模具钢在磨粒磨损条件下的耐磨性水平。


18、抗热疲劳能力及断裂韧性


热疲劳抗力表征了材料热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生后的扩展速率。热疲劳抗力通常以20~750℃条件下反复加热冷却时,所发生裂纹的循环次数或当循环一定次数后测定裂纹长度来确定。热疲劳抗力高的材料不易发生热疲劳裂纹,或当裂纹萌生后,扩展量小、扩展缓慢。断裂韧性则表征了裂纹失稳扩展抗力,断裂韧性高,则裂纹不易发生失稳扩展。除常规力学性能如冲击韧性、抗压强度、抗弯强度等一次性断裂抗力指标外,小能量多次冲击断裂抗力更符合冷作模具实际使用状态性能,作为模具材料的性能指标还包括抗压疲劳强度、接触疲劳强度等。这种疲劳断裂抗力指标是由在一定循环应力下测得的断裂循环次数,或在一定循环次数下导致断裂的载荷来表征的,是否把断裂韧性作为冷作模具材料的一项重要性能指标,尚待研究和探讨。热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外,还受到高温及周期性的急冷急热的作用,因此,评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标,它包括抗热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。


抗热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命,抗热疲劳性能高的材料,萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多;机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后,在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时,每一应力循环的扩展量;断裂韧性反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的材料,其裂纹如要发生失稳扩展,必须在裂纹具有足够高的应力强度因子,也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下,在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹,如果模具材料的断裂韧性值较高,则裂纹必须扩展得更深,才能发生失稳扩展。


因此,抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的那部分寿命;而机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性,可以决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。因此,热作模具如要获得高的寿命,模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的机械疲劳裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。抗热疲劳性能的指标既可以用萌生热疲劳裂纹的热循环次数表示,也可以用经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均的深度或长度来衡量。

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