模具鋼材性能技術(shù)參數(shù)

2013-06-12 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

使用性能

A 強(qiáng)度性能

(1)硬度硬度是模具鋼的主要技術(shù)指標(biāo),模具在高應(yīng)力的作用下欲保持其形狀尺寸不變,必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般硬度保持在HRC60左右,熱作模具鋼根據(jù)其工作條件,一般要求保持在HRC40~55范圍。對于同一鋼種而言,在一定的硬度值范圍內(nèi),硬度與變形抗力成正比;但具有同一硬度值而成分及組織不同的鋼種之間,其塑性變形抗力可能有明顯的差別。

(2)紅硬性在高溫狀態(tài)下工作的熱作模具,要求保持其組織和性能的穩(wěn)定,從而保持足夠高的硬度,這種性能稱為紅硬性。碳素工具鋼、低合金工具鋼通常能在180~250℃的溫度范圍內(nèi)保持這種性能,鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃的溫度范圍內(nèi)保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學(xué)成分和熱處理工藝。

(3)抗壓屈服強(qiáng)度和抗壓彎曲強(qiáng)度模具在使用過程中經(jīng)常受到強(qiáng)度較高的壓力和彎曲的作用,因此要求模具材料應(yīng)具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。在很多情況下,進(jìn)行抗壓試驗和抗彎試驗的條件接近于模具的實際工作條件(例如,所測得的模具鋼的抗壓屈服強(qiáng)度與沖頭工作時所表現(xiàn)出來的變形抗力較為吻合)。抗彎試驗的另一個優(yōu)點是應(yīng)變量的絕對值大,能較靈敏地反映出不同鋼種之間以及在不同熱處理和組織狀態(tài)下變形抗力的差別。

B 韌性

在工作過程中,模具承受著沖擊載荷,為了減少在使用過程中的折斷、崩刃等形式的損壞,要求模具鋼具有一定的韌性。

模具鋼的化學(xué)成分,晶粒度,純凈度,碳化物和夾雜物等的數(shù)量、形貌、尺寸大小及分布情況,以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素都對鋼的韌性帶來很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對于其橫向韌性的影響更為明顯。鋼的韌性、強(qiáng)度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此,要合理地選擇鋼的化學(xué)成分并且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝,以使模具材料的耐磨性、強(qiáng)度和韌性達(dá)到最佳的配合。

沖擊韌性系表特征材料在一次沖擊過程中試樣在整個斷裂過程中吸收的總能量。但是很多工具是在不同工作條件下疲勞斷裂的,因此,常規(guī)的沖擊韌性不能全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次沖擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽命等試驗技術(shù)正在被采用。

C 耐磨性

決定模具使用壽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當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力,要求模具能夠在強(qiáng)烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨損主要是機(jī)械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類型。為了改善模具鋼的耐磨性,就要既保持模具鋼具有高的硬度,又要保證鋼中碳化物或其他硬化相的組成、形貌和分布比較合理。對于重載、高速磨損條件下服役的模具,要求模具鋼表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜,保持潤滑作用,減少模具和工件之間產(chǎn)生粘咬、焊合等熔融磨損,又能減少模具表面進(jìn)行氧化造成氧化磨損。所以模具的工作條件對鋼的磨損有較大的影響。

耐磨性可用模擬的試驗方法,測出相對的耐磨指數(shù)?,作為表征不同化學(xué)成分及組織狀態(tài)下的耐磨性水平的參數(shù)。以呈現(xiàn)規(guī)定毛刺高度前的壽命,反映各種鋼種的耐磨水平;試驗是以Cr12MoV鋼為基準(zhǔn)(?=1)進(jìn)行對比。圖1-2-3是標(biāo)準(zhǔn)磨具進(jìn)行耐磨性試驗的結(jié)果,較好地反映工模具鋼在磨粒磨損條件下的耐磨性水平。

D 抗熱疲勞能力

熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化之外,還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用,因此,評價熱作模具鋼的斷裂抗力應(yīng)重視材料的熱機(jī)械疲勞斷裂性能。熱機(jī)械疲勞是一種綜合性能的指標(biāo),它包括熱疲勞性能、機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性三個方面。

熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命,抗熱疲勞性能高的材料,萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)次數(shù)較多;機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率反映材料在熱疲勞裂紋萌生之后,在鍛壓力的作用下裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展時,每一應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展量;斷裂韌性反映材料對已存在的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的抗力。斷裂韌性高的材料,其中的裂紋如要發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展,必須在裂紋尖端具有足夠高的應(yīng)力強(qiáng)度因子,也就是必須有較大的裂紋長度。在應(yīng)力恒定的前提下,在一種模具中已經(jīng)存在一條疲勞裂紋,如果模具材料的斷裂韌性值較高,則裂紋必須擴(kuò)展得更深,才能發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。

也就是說,抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命;而裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性,可以決定當(dāng)裂紋萌生后發(fā)生亞臨界擴(kuò)展的那部分壽命。因此,熱作模具如要獲得高的壽命,模具材料應(yīng)具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴(kuò)展速率和高的斷裂韌性值。

抗熱疲勞性能的指標(biāo)可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)數(shù),也可以用經(jīng)過一定的熱循環(huán)后所出現(xiàn)的疲勞裂紋的條數(shù)及平均的深度或長度來衡量。

E 咬合抗力

咬合抗力實際就是發(fā)生“冷焊”時的抵抗力。該性能對于模具材料較為重要。試驗時通常在干摩擦條件下,把被試驗的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料(如奧氏體鋼)進(jìn)行恒速對偶摩擦運動,以一定的速度逐漸增大載荷,此時,轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大,該載荷稱為“咬合臨界載荷”,臨界載荷愈高,標(biāo)志著咬合抗力愈強(qiáng)。

工藝性能

在模具生產(chǎn)成本中,材料費用一般占10%~20%,而機(jī)械加工、熱處理、裝配和管理費用占80%以上,所以模具的工藝性能是影響模具的生產(chǎn)成本和制造難易的主要因素之一。

A 可加工性

——熱加工性能,指熱塑性、加工溫度范圍等;

——冷加工性能,指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。

冷作模具鋼大多屬于過共析鋼和萊氏體鋼,熱加工和冷加工性能都不太好,因此必須嚴(yán)格控制熱加工和冷加工的工藝參數(shù),以避免產(chǎn)生缺陷和廢品。另一方面,通過提高鋼的純凈度,減少有害雜質(zhì)的含量,改善鋼的組織狀態(tài),以改善鋼的熱加工和冷加工性能,從而降低模具的生產(chǎn)成本。

為改善模具鋼的冷加工性能,自20世紀(jì)30年代開始,研究向模具鋼中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或?qū)е履＞咪撝刑嫉氖脑?發(fā)展了各種易切削模具鋼,以進(jìn)一步改善其切削性能和磨削性能,減少刀具磨料消耗、降低成本。

B 淬透性和淬硬性

淬透性主要取決于鋼的化學(xué)成分和淬火前的原始組織狀態(tài);淬硬性則主要取決于鋼中的含碳量。對于大部分的冷作模具鋼,淬硬性往往是主要的考慮因素之一。對于熱作模具鋼和塑料模具鋼,一般模具尺寸較大,尤其是制造大型模具,其淬透性更為重要。另外,對于形狀復(fù)雜容易產(chǎn)生熱處理變形的各種模具,為了減少淬火變形,往往盡可能采用冷卻能力較弱的淬火介質(zhì),如空冷、油冷或鹽浴冷卻,為了得到要求的硬度和淬硬層深度,就需要采用淬透性較好的模具鋼。

C 淬火溫度和熱處理變形

為了便于生產(chǎn),要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些,特別是當(dāng)模具采用火焰加熱局部淬火時,由于難于準(zhǔn)確地測量和控制溫度,就要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。

模具在熱處理時,尤其是在淬火過程中,要產(chǎn)生體積變化、形狀翹曲、畸變等,為保證模具質(zhì)量,要求模具鋼的熱處理變形小,特別是對于形狀復(fù)雜的精密模具,淬火后難以修整,對于熱處理變形程度的要求更為苛刻,應(yīng)該選用微變形模具鋼制造。

D 氧化、脫碳敏感性

模具在加熱過程中,如果發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象,就會使其硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低;因此,要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對于含鉬量較高的模具鋼,由于氧化、脫碳敏感性強(qiáng),需采用特種熱處理,如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。

其他因素

在選擇模具鋼時,除了必須考慮使用性能和工藝性能之外,還必須考慮模具鋼的通用性和鋼材的價格。模具鋼一般用量不大,為了便于備料,應(yīng)盡可能地考慮鋼的通用性,盡量利用大量生產(chǎn)的通用型模具鋼,以便于采購、備料和材料管理。另外還必須從經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合分析,考慮模具的制造費用、工件的生產(chǎn)批量和分?jǐn)偟矫恳粋€工件上的模具費用。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面全面分析,以最終選定合理的模具材料。

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