模具材料的选用及其性能优化

模具材料定选用及其性能优化

模具成型技术所具有的高效率、高一致性是其他成型工艺所不能比拟的，模具已成为现代工业生产关键的工艺装备，而模具材料及其先进制备技术又是完成高质量高寿命模具产品的最基础、最关键、最核心的保障，是推动先进净成型技术发展的重要支撑技术。由于对生产制备技术控制、材料选用合理性及配套改性技术研究不深入，使我国的模具制造水平提高缓慢，很难满足制造业的发展需求。

一、模具材料选用的基本原则

1、模具的工况要求

模具的工作温度、冷却方式和受力状态不同，对模具材料的性能要求也不尽相同。

（1）工作温度冷状态（室温）条件下工作的模具，应具有良好的耐磨性、强度、韧性、硬度及可加工性，通常选用冷作模具钢；高温状态下工作的模具，应选择合适的热作模具钢，它与炙热金属经常接触，型腔表面温度可达400~600℃，受到应力及金属剧烈流动的作用，材料表面容易剧烈磨损，因此它必须具有高的回火稳定性。此外，还应具有满足服役条件的力学性能、热稳定性、抗氧化性、抗疲劳性、耐热磨损和热熔损及良好的工艺性能；对于塑料制品加工，需选用专用塑料模具钢。

（2）冷却方式热作模具的使用寿命与冷却条件密切相关，若采用冷却方式、介质不当，模具容易失效，大大缩短使用寿命，如钨含量较高的热作模具，若采用喷水冷却，容易出现早期热疲劳开裂，应以油水雾和通水内冷为宜。采用冷却剂进行冷却的热作模具，反复受到冷热交替作用，极宜引起龟裂现象（即热疲劳）。因此，选用的热作模具钢必须具有良好的抗热疲劳的能力。

（3）受力状态模具（尤其是热作模具）在工作中承受压应力、拉应力、弯曲应力及冲击应力，还经历强烈摩擦，因此，选择的模具钢应具有强度和韧性的良好配合，同时还应有足够的硬度和耐磨性。锤锻模具比压力机模具受到更高的冲击应力，要求有较高的韧性，而压力机模具则要求有更高的抗热磨损性能。

2．模具的性能要求

各类模具钢的工作性能主要包括硬度、强度及韧性、耐磨性、疲劳性能、粘着性、抗腐蚀性和抗氧化性等。

模具种类很多，工作条件差别很大，对模具材料的性能要求也各不相同。没有任何一种材料可以同时保持多种性能的最佳状态。因此，模具材料选用时，常需协调这些性能，争取最佳的性能组合。突出主要性能，兼顾次要性能，达到材料性能与模具工作要求圆满匹配，获得最高的模具使用寿命。某些极端工况条件，往往对模具某一方面的性能有更苛刻的要求，这就要求模具材料有与之相适应的特殊性能，以保证较长的模具寿命和较高的产品质量。

总之，根据模具工作条件选用性能特点相匹配的模具材料，如冷作模具钢可选用耐磨性良好的高碳高合金材料，压铸模具具有注重热疲劳性能好的材料，连杆精锻模具要选择热强性高、耐磨性好的材料，避免在选用材料时出现原则性失误。

3．模具的寿命要求

模具材料的选用与所需要的模具寿命密切。如产品试制阶段的模具寿命就不作要求，只考虑产品成型的精度，因此，在选用材料时，只需要选择一般性的材料。而大批量的产品加工就要考虑选用较好的模具材料。模具寿命还与产品精度要求及复杂程度密切相关，因此在选材时应考虑相关因素合理安排模具材料的使用。

（1）产品批量大小实际选材时，应根据生产加工产品的批量大小和生产方式来选

材，小批量选择一般性的材料，大批量选择高性能的材料。

（2）产品精度要求产品精度要求高，模具精度要求相应提高，因此要获得理想的模具使用寿命，就必须选择综合性能良好的模具材料，如热精锻模具、冷精冲模具；低精度产品成型可选用一般性材料，如齿坯热成型、大型热锻件模具等。

（3）产品的复杂程度产品的复杂程度直接关系到模具结构的复杂程度。通常，结果复杂的模具比简单结构的模具对模具材料的要求高，尤其是大型、复杂模具的关键部件，因其工况条件相对恶劣，为满足生产需要，必须选择相对优质的材料来制造，如汽车发动机压铸模具、高速级进模具。

二、模具材料的实现保障

1．冶炼质量控制

（1）冶炼工艺控制不同的冶炼方法，对模具材料成分的影响也不同。通常采用的冶炼方法有电弧炉冶炼、电渣重熔、中频炉冶炼及炉外精炼等。

电弧炉冶炼采用的主要技术手段为“供氧、造渣、升温、加脱氧剂、合金化操作”。电弧炉冶炼热效率高，冶金过程容易控制，可以冶炼多种合金钢且设备简单、投产快。

电渣重熔过程中，金属的熔化、浇注和凝固在一个较纯净的环境中实现，减少了钢液的污染。由于有良好的动力学条件，电渣重熔过程中钢渣能进行充分接触，同时由于电磁力的搅拌作用，强化了冶金效应，促进了有害杂质和非金属夹杂物的去除。此外，电渣重熔冶炼方法所得钢锭组织均匀致密且表明粗糙度低。

中频炉重熔属间断熔炼，融化金属受到电磁力作用产生强烈搅拌，这是中频炉的一个重要特点，液态金属流动（搅拌）从熔池的中央开始，向线圈两端移动。由于金属受炉底和炉壁的约束，因而最终的运动总是向上，在炉池的顶部形成一个驼峰。

炉外精炼过程中，通过钢液搅拌可加速扩散，充分脱硫并去处夹杂。通过喂丝机向钢包内喂入脱硫、脱氧及微调成分的粉剂（如Ca-Si粉），或直接微入铝线。碳线等对钢液进行深脱硫、钙处理以及微调钢中碳和铝等充分的方法。它还具有清洁钢液、改善非金属夹杂物的功能。

（2）夹杂物控制导致夹杂物增多的原因很多，如脱氧、二次氧化、夹渣及化学反应。研究证实，钢包处理过程中，工模具钢中非金属夹杂主要来源于钢包釉面。因此，合理控制钢包使用次数与控制钢液温度、渣的成分、脱氧方式及搅拌条件等方面同等重要。把产生产品缺陷的夹杂物消灭在钢液进入结晶器之前。

二次精炼和连铸工艺操作是生产洁净钢的关键。在炼钢-精炼-连铸工艺流程生产洁净钢要控制好四点：转炉降低终点[O]熔，这是产生夹杂物的源头；精炼要促使原生的脱氧产物大量上浮；连铸要减轻或杜绝钢液二次氧化，防止生成新的夹杂物；防止再污染，浇铸过程要防止经炉外精炼的“干净”钢液受外来夹杂再污染。

（3）S、P含量控制当模具高温工作时，晶界上偏析出的FeS离异共晶熔点低，极易导致模具开裂（热脆现象）。此外，含硫量高的钢铸件在铸造应力作用下易产生热裂纹，焊接时产生SO2气体使焊缝产生气孔和疏松。磷一般固溶于钢中。具有很强的固溶强化作用，但带来的弊端就是剧烈降低钢的韧性，称为冷脆。此外，磷有严重的偏析倾向，且它在γ-Fe和α-Fe中扩散速度很小，很难通过热处理方式消除。

S、P是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中的杂质，生产中应注意精选炼钢所用矿石和燃料，严格控制S、P含量。对于S可通过向钢中加入适量的锰来防止热脆。因为加入锰后，MnS替代FeS存在于钢中，其熔点（1600℃）高于热加工温度，且在高温下有一定的塑性。工业生产中。一般控制锰含量为含硫量的5~10倍。

（4）有害气体元素含量控制钢中氮元素的有害作用，主要是通过淬火时效和应变时效造成的。可向钢中加入足够数量的铝，与氮结合成AlN，减弱或完全消除时效现象并起到细化晶粒的作用。