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罗百辉,金模网(gmold.info)CEO、深圳市金模整合营销顾问有限公司董事长、模力时代会议展览(深圳)有限公司总经理、美国格理专家团资深投资顾问、国际模具及五金塑胶产业供应商协会常务副会长兼秘书长、深圳市模具技术学会专家委员、深圳市管理咨询行业协会会员、华通咨询公司特聘培训专家、《国际模具机械产业》杂志社长,多家工业媒体专家顾问/编委、价值中国最具影响力百强专家、中国谋士联盟实战派谋士,国内“段位式”新概念管理创导者,清华大学盛景商学院MBA,制造业资深职业经理人。

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高端模具钢材的八个质量要求解析  

2011-02-10 17:38:43|  分类: 质量管理 |  标签: |举报 |字号 订阅

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模具在现代制造业中占有日益重要的地们,特别是汽车和电器制造业中70%以上的零件采用模具制造加工。但目前我国高质量的模具大量依赖进口,分析其主要原因,不在于我们的优质钢炼钢水平,而是没有认识到整个模具钢质量的提高是一个系统控制过程。除冶金质量外,制造过程中的锻压加工、预备热处理、机械加工和最终热处理都将影响模具的内部组织和应力状态,从而决定模具的最终使用性能。据罗百辉介绍,在模具的制造过程中,模具的使用寿命和制成的精度、质量、表面性能,除与模具的设计、制造精度以及机床和操作等条件有关外,与模具材料及其热处理工艺也有密切关系。据有关的统计表明,模具的早期失效因材料选择不当和内部缺陷引起的约占10%左右,由热处理不当引起的约占50%左右,因此正确选择具有优良质量的模具钢材并进行正确的热处理,具有十分重要意义。模具钢的特性主要包括使用性能、工艺性能和冶金质量等三个方面。

    1、模具钢在工作性能方面的要求
  
  ①硬度
  
  模具在工作时受力状态是复杂的,如热作模具通常在交换的温度场下承受交变应力作用,因此它应具有良好的抗软化或塑性变形状态的能力,在长期工作环境下仍能保持模具的形状和尺寸精度。硬度是模具钢的生要性能之一。对冷作模具的硬度一般选择在58HRC以上,而热作模具尤其是要求高的抗热疲劳性能的模具,通常硬度在45HRC左右。对普通使用的塑料模具,一般硬度要求在35HRC左右。
  
  ②强度与韧性
  
  零件在成形使模具承受着巨大的的冲击、扭曲等负荷,尤其是现代高速冲压、高速精密锻造和液态成形等技术以及一次成形技术的发展,模具承受着更大的负荷,往往由于钢材的强度和韧度不够,造成型腔边缘或局部塌陷、崩刃或断裂而早期失效,因此模具热处理后应具有较高的硬度和韧度。
  
  ③耐磨性
  
  零件成形时材料与模具型腔表面发生相对运动,使型腔表面产生了磨损,从而使得模具的尺寸精度、形状和表面的粗糙度发生变化而失效。磨损是一种复杂的过程,影响因素很多,除取决于作用于模具的外界条件外,还在很大程度上取决于采用钢材的化学成分不均匀性、组织状态、力学性能等。
  
  ④疲劳性能
  
  模具工作时承受着机械冲击和热冲击的交变应力,热作模具在工作的过程中,热交变应力更明显地导致模具热裂。受应力和温度梯度的影响而引起裂纹,往往是在型腔表面形成浅而细的裂纹,它的迅速传播和扩展导致模具失效。另外,钢的化学成分及组织的不均匀,钢中存在的冶金缺陷如非金属夹杂物,气孔、显微裂纹等均可导致钢的疲劳强度降低,因为在交变应力的作用下,首先在这些薄弱地区产生疲劳裂纹并发展为疲劳破坏。
  
  ⑤粘着性
  
  工模具零件的表面由于两金属原子相互摭用或单相扩散的作用,往往会有一些被加工金属粘附着,尤其是一些切削、剪切工具和冲压工具的表面会产生粘附或结疤现象,这会影响刃口的锋利程度和局部组织、化学成分的改变,使刃口部分崩裂或粘附金属的脱落划伤模具,使工件表面粗糙。因此良好的抗粘着性也是很重要的。
  
  ⑥抛光和蚀刻性能
  
  随着模具,特别是塑料模具的广泛使用,低的表面粗糙度值(有时甚至是镜面的程度)已经十分性必要,低的表面粗糙度值影响到模具的寿命和生产效率及制品的质量。高的表面质量可以减轻腐蚀(特别是局部点状腐蚀);减小开裂的危险,抛光钢材的化学成分、组织结构、硬度及碳化物分布必须均匀。大碳化物尤其是他们偏析并成带状时,对表面抛光性极为有害。特别重要的是,钢中不能含有没有发生变形的大的氧化物夹杂或偏析,因而必须严格控制冶炼和脱氧工艺。真空电弧重熔、电渣重熔效果良好,这种工艺目前已成为高级塑料模具钢的主要生产方式。即使是简单的真空脱气也有助于消除大的氧化物夹杂,这些冶炼工艺不仅能降低氧化物的含量,而且能使氧化物更细小、均匀,同时控制冶炼和脱氧过程,还可以改变夹杂物类型,使之软化并具有较好的塑韧性而提高抛光性能。
   钢材中任何未闭合的空洞都会影响其抛光性能,因而热加工中压合疏松等冶金缺陷并保持组织的致密是十分必要的,这可以通过现代化的成形加工技术来实现。例如反复镦拔技术、旋转锻造技术、高温等静压制等可细化原始铸态组织,树枝晶内空隙。电渣重熔、真空电弧重熔精炼工艺,对钢材均匀性也十分有利。由热处理或表面硬化而引起的缺陷,应尽量避免导致硬度不均匀的脱碳。这些措施加上合理的成分设计及控制,就能生产出镜面加工性优异的钢。
  
  此外,还应根据模具的工作条件和环境的差异,考虑所用模具钢应具有良好的热导性、抗腐蚀性、抗氧化性和导磁性等。
  
  2、模具钢在工艺性能方面的要求
  
  ①可加工性
  
  钢材的可加工性主要包括被切削加工性和冷热塑性变形两种,它取决于钢的化学成分、热处理后的组织和冶金生产的内部质量,近些年来,为了改善钢的可加工性,在一些钢中加入易切削元素或改变钢中的夹杂物的分布状态,从而提高模具钢的表面质量和减少模具的磨损。在热加工时,对一些高碳高合金的模具钢,特别是改善碳化物的形态和分布、晶粒大小和奥氏体合金化程度十分重要。
  
  除了应具有良好的可加工性外,还要有良好的电加工性以及压印翻模加工性等。
  
  ②淬透性和淬硬性
  
  模具对这两种性能的要求根据工作条件不同是各有侧重的,对于要求整个截面的硬度均匀性高的模具如锤锻模用钢,则其具有高的淬透性更显重要,而对只要求有高硬度的小型模具,如冲裁落料模具钢,则更偏重于高淬硬性。
  
  ③热处理变形性
  
  模具零件在热处理时,要求变形小,各个方向要有相近的变化,且组织稳定。淬火变形小,除与淬火温度]时间和冷却介质等因素有关外,它主要取决于钢的成分均匀、冶金质量和组织稳定性。
  
  ④脱碳敏感性
  
  模具钢在锻造、退火或淬火时,在无保护气氛下加热,其表面会产生氧化脱碳等缺陷,从而使模具在耐用度下降。脱碳除了与热处理工艺、设备有关外,就材料本身而言,主要取决于钢的化学成分、特别是碳含量,在含有较高的硅、钼等元素时,也会加剧脱碳。
  
  此外,应根据模具的使用条件,应考虑模具的镜面抛光性、磨削性和电化学性等性能。
  
  3、模具钢在冶金质量方面的要求
  
  高的冶金质量才能发挥钢的基体本特性,模具钢的内部冶金质量与它的基本性能有同等的重要意义,在研究性能的同时,必须研究冶金质量影响因素。一般较常遇到模具钢的内外质量问题有以下几个方面:
  
  ①化学成分的均匀性
  
  模具钢通常是含有多元素的合金钢,钢在锭模具中从液态凝固时,由于选分结晶的缘故,钢液中各种元素在凝固的结构中分布不均匀而形成偏析,这种化学成分的偏析将造成组织和性能的差异,它是影响钢材质量的重要因素之一。降低钢的偏析度,可以有效地提高钢的性能。近些年来,国内外很多冶金厂都在致力研究生产成分均匀、组织细化的钢材。
  
  ②有害元素的含量
  
  硫和磷在钢凝固过程中形成磷化物和硫化物而在晶界沉淀,因而产生晶间脆性,使钢的塑性降低,过高的S、P含量,会使钢锭在轧制时易产生裂纹,而且会大大降低钢的力学性能。日本的松田幸纪等研究了S、P含量对含W(Cr)5%热作模具钢(H13)的韧性和热疲劳性能影响结果表明,如将W(S、P)的含量从0.025%和0.010%降到W(P)0.005%和W(S)0.001%时,其热疲劳裂纹的长度和数量将减少一半。日立金属公司将SKD61钢中的W(P)含量从0.03%降到0.001%时,可使钢45HRC时的冲击韧度由39.2J/cm2提高到127.5J/cm2。此外,降低钢中的S、P含量还可以有效地提高钢的等向性。
  
  ③钢中的非金属夹杂物
  
  质量良好的钢材不仅化学成分要符合技术标准的规定,并且钢中的非金属夹杂物的含量要尽可能地少,因为非金属夹杂物在钢中所占的体积虽然很小,但对钢材的性能影响却很大。减少钢中的非金属夹杂物是炼钢的主要任务之一。通常所指的钢中的非金属夹杂物,主要是指铁及其他合金元素与氧、硫、氮等作用所形成的化合物,如FeO、MnO、Al2O3、SiO2、FeS、MnS、AlN、VN等,以及在炼钢和浇注时带入的耐火材料,后者的成分也主要是Si、Al、Fe、Cr、Ca、Mg等的氧化物。钢中的非金属夹杂物就其来源,可以分为内在夹杂物和外来夹杂物,仙在的夹杂物是钢在液态及凝固过程中形成的化合物。
  
  钢中的非金属夹杂物在基本种意义上呆以看成是一定尺寸的裂纹,它破坏了金属的连续性,引起应力集中,在外界应力的作用下,裂纹延伸很容易发展扩大而导致性能降低。塑性夹杂物的存在,随着锻轧过程延展变形,致使钢材产生各向异性。同时夹杂物抛光过程中的剥落,提高了模具的表面粗糙度。因此,对于大型和重要的模具来说,提高钢的纯净度是十分重要的。
  
  4、白点
  
  白点是热轧钢坯和大型锻件中比较常见的缺陷,是钢的内部破裂的一种。白点的存在对钢的性能有极为不利的影响,这种影响主要表现在使钢的力学性能降低,热处理时使锻件淬火开裂,或使用时发展成更为严重的破坏事故,所以在任何情况下,都不能使用有白点的锻件。不同的钢对白点的敏感程度是不同的,一般认为容易发生白点的钢有铬钢、铬钼钢、锰钢、锰钼钢、铬镍钼钢、铬钨钢等。其中以含W(C)大于0.30%、W(Cr)大于1%、W(Ni)大地2.5%的马氏体铬镍钢及铬镍钼钢等对白点的敏感性最大。白点的形成原因是钢中的氢的脱溶析出聚集,在钢的纵断面上形成的银亮白色粗晶状的圆形或椭圆形的斑点。它往往使锻件和坯材的内部产生裂纹。模具钢5CrNiMo、5CrMnMo等最容易发生白点,若增加碳化物元素Cr、Mo和V后可以降低白点的敏感性。这类钢在生产中一定要注意脱气和加强大锻件的锻后缓冷或去氢退火。
  
  5、氧含量
  
  对模具钢一般都未规定钢中的允许的气体含量。随着氧含量的增加,氧化物的颗粒和数量都随之增加,钢的疲劳性能降低,热裂纹也容易产生。有人曾对4Cr5MoSiV1钢进行过试验,氧含量最好不超过1.5*10-5,哪日本山阳特殊钢公司规定高纯净度钢氧含量不大于1.0*10-5。因此,近年来,为了提高模具的制造质量。国内外的模具钢逐渐在向低氧含量的方向发展。
  
  6、碳化物的不均匀度
  
  碳化物是绝大多数模具钢的必需组分,除可溶于奥氏体的碳化物外,还会有部分不能溶于奥氏体的残留碳化物。碳化物的尺寸、形态、分布对模具钢的使用性能等有十分重要的影响。关于碳化物的尺寸、形状和分布是与钢的冶炼方法、钢锭的凝固条件以及热加工变形条件等有关。过共析钢的碳化物可能在晶界形成风状碳化物或是在加工变形中碳化物被拉长而形成带状碳化物或者二者兼有,莱氏体模具钢中,存在一次碳化物和二次碳化物,在热变形的过程中,网状的共晶碳化物大多可以破碎,碳化物先沿变形方向延伸,产生带状,随着变形程度的增加,碳化物变得均匀、细小。碳化物的不均匀性对淬火变形、开裂、钢材的力学性能的影响较大。
  
  7、偏析
  
  偏析即钢的成分与组织不均匀性的表现,这是在模具钢的低倍组织的检验中常存在的一种缺陷。是钢锭在凝固过程中形成的,与钢的化学成分和浇注温度等有关。一般分为树枝状的偏析、方形偏析、点状偏析等。由于树枝状的偏析的存在,使负然各个不同的方向的力学性能表现出明显的差异。方形偏析是由于铸锭结晶时,在柱状晶的末端与锭心等轴晶区间,聚集了较多的杂质和孔隙而形成的。严重的方形偏析,对钢材的质量的影响是显著的,特别是切削加工量很大的零件或心部受力的模具零件。偏析除了影响模具钢力学性能的等向性外,对模具的抛光性能也有一定的影响。因此,国外相关的标准中有严格的规定。
  
  8、疏松
  
  疏松是钢的不致密性的表现。疏松多数出现在钢锭的上部及中部,在这些地方因为集中了较多的杂质和气体造成的。由于疏松缺陷的存在,降低了钢的强度和韧性,也严重地影响了加工后的表面的粗糙度,在一般的模具钢中的影响不是特别大,但如冷轧辊、大型的模块、冲头和塑料成形模具零件等都有较严格的要求。如深型腔的锻模和冲头要求疏松不超过1级或2级,用于表盘或透光件等的塑料模具用钢,要求疏松不超过1级。

    
    来源:价值中国 作者:罗百辉

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