模具鋼材基礎知識-工具鋼的基本性能要求概述
工具鋼的種類很多，工作條件相差很大，對性能的要求也不同，這里只對工具鋼的基本性能要求進行概述。
1．強度與塑性
一些工具，特別是細長形狀的工具的損壞，常常不是由于磨損，而是由于斷裂。對于含碳量高的工具鋼的強度試驗，一般采取靜彎曲或扭轉試驗，這些試驗產生的應力狀態接近于多數工具的實際工作狀況。在彎曲試驗時，測定出抗彎強度óbb和撓度f；在扭轉試驗時，測定出扭轉強度τb和扭轉角φ，并以f、φ表示塑性。
從工程應用的角度，要保證批量生產的被加工零件的精度，模具本身除了要求具有高的尺寸精度外，使用中不允許發生過量的塑性變形，故模具的設計應力不得超過材料的屈服強度ReL(ós)。從這個意義上講，對應較精密的模具材料的屈服強度有要重要的工程意義，因此，對于一些模具材料還應做拉伸實驗。測定出ReL、A、Z等指標。
2．韌度
韌度對于工具鋼，尤其是在承受較大沖擊負荷條件下工作的工具，是一個較為重要的性能指標。工作硬度低于HRC50~55的鋼，韌性較高，可使用帶缺口的沖擊試樣進行韌度試驗。當硬度較高時，由于鋼的脆性較大，不能使用缺口試樣，改為無缺口沖擊試樣，但此時也不能反映對缺口的敏感性，可采用C形缺口試樣(R為12.7mm，深2mm)。
斷裂韌度(KIc)也可作為冷作模具及多沖工具的一個性能指標。KIc是一個防裂紋脆斷的指標，它對抗疲勞斷裂的貢獻主要表現在影響極限裂紋的深度，但它不能作為主要的失效抗力指標，因為試驗證明，KIc的高低與沖擊疲勞壽命沒有明顯的對應關系。
3．硬度與耐磨性
工具磨損，是因為在工作時，部分金屬由于摩擦而損失掉，亦可能是接觸表面在高的負荷應力下發生變形而失去尺寸精度。
硬度在一定程度上可以表示對塑性變形的抗力。高的硬度是保持高的耐磨性的必要條件。但過高的硬度會帶來脆性和增加缺口敏感性。一般碳素工具鋼及低合金工具鋼制作的刀具、量具要求的硬度多為HRC62~64，高速鋼刀具為HRC63~65或更高，大部分冷作模具為HRC58~63，熱作模具一般為HRC35~55。
增加鋼中碳化物的數量可以提高耐磨性，但與碳化物在鋼的分布、大小、形態及碳化物本身的硬度有關。大量細小、均勻分布的堅硬碳化物可明顯提高鋼的耐磨性；而粗大、不均勻分布的碳容易剝落，會增加主要原因損。少量的殘余奧氏體(10%~15%)對硬度和耐磨性影響不大，過多時對耐磨性不利，對尺寸穩定性不利。
4．熱穩定性
工具鋼的熱穩定性常用加熱時能保持一定硬度值的最高溫度來表示。在切削速度比較重負荷條件下，工具有時要承受比較高的溫度，此時決定其切削性能(耐磨性)的主要因素是熱穩定性。
對于高速鋼，常用“紅硬性”表示其熱穩定性，即將正常淬火和回火的高速鋼加熱至600℃、625℃和650℃(必要時至700℃)，重復加熱4次，每次1h，以能保持HRC60時的溫度作為評定其紅硬性的標準。
對于熱作模具鋼，有時直接測量其在熱狀態下的硬度值，以說明其熱穩定性，這種試驗要采用高溫硬度計。這種方法也可用于高速鋼。
鋼的熱穩定性的高低，主要取決于鋼的碳含量、合金元素種類及含量，以及熱處理規范。
5．抗熱疲勞性
一些熱作模具，特別是壓鑄模和熱壓模等，由于工作表面反復受熱、受冷，會在表面出現網狀裂紋(龜裂)而失效，這種現象稱為熱疲勞。
熱作模具表面經過一定次數的冷、熱循環所引起的熱應力，可導致其疲勞裂紋的產生，因此，鋼的熱膨脹系數對熱作模具的熱疲勞有重要影響。同時，局部區域可能因受熱而發生相變，也會增加應力，因此，鋼的相變溫度的高低對熱作模具的熱疲勞也有影響。此外，鋼材本身的強度，特別是高溫強度越高，其抗熱疲勞裂紋生成的能力也就越強。
抗熱疲勞試驗，常采用多次重復加熱至一定溫度和使用一定介質冷卻的試驗方法，以出現裂紋時的次數表示其熱疲勞抗力。
6．淬透性
在選擇和使用工具鋼時，淬透性是一個重要因素。有些工具要求的淬透性不高，因為這類工具整體淬透或淬硬層太深時，容易產生脆性破壞。而另外一些工具，特別是在尺寸者，卻要求有高的淬透性(如果淬透層太薄，在高的應力下，表面容易磨掉，甚至壓陷)，高淬透性的鋼種允許采用較緩和的冷卻介卻介質和冷卻方式，有利于減少內應力，減少畸變和開裂傾向。
影響高碳工具鋼淬透性的因素有鋼的化學成分、原始組織、奧氏體化時的晶粒尺寸和未溶碳化物的作用等，但起主要作用的還是鋼的化學成分。
碳素工具鋼常采用斷口法測其淬透性；對于一般的合金工具鋼，可采用端淬法測其淬透性；對于結構鋼，多采用臨界直徑法測其淬透性。
合金工具鋼也可用計算淬透性因子的方法來計算(估算)其淬透性。表1-1列出了一些合金元素對含1%C的鋼的珠光體淬透性的影響，圖1-1給出了一些合金元素對含1%C的鋼的貝氏體淬透性的影響。從表1-1可以看出，Mo、Si、Mn、Cr、Ni可提高鋼的珠光體淬透性，從圖1-1可以看出，Si、Mo、Mn、Ni、Cr可提高鋼的貝氏體淬透性。
表1  合金元素對含1%C的鋼的珠光體淬透性的影響
鋼的成分 淬透性因子 鋼的成分 淬透性因子
基礎(1%C) - 1%Ni 1.17
1%Si 1.48 1%Mo 2.05
1%Mn 1.46 1%W 0.86
1%Cr 1.22 1%V 0.92
注：①基礎成分：1.00%C、0.25%Mn、0.25%Si、0.05%Cr、0.03%Ni、0.02%Mo；
②熱處理：870℃，40min，油冷；790℃，12min，在劇烈循環的鹽水中冷卻。
根據化學成分計算淬透性只是一種近似的方法。因為由于合金元素的相互作用、冶煉條件的變化的影響，故即使是同一種鋼，因爐號不同，其淬透性有時波動也很大。因此，只有通過實際測定才能準確地評定其淬透性。
7．畸變與開裂傾向
對于形狀復雜的刃具、模具，熱處理后一旦發生嚴重的畸變，很難矯直和修理，因此，對于精密和易發生畸變的工具，在鋼材成分設計、冶煉、鍛軋及熱處理等各方面都應采取措施，以減少畸變傾向。低合金空淬微畸變模具鋼，較好地解決了熱處理畸變的問題，主要適用于制造精密復雜的模具。
淬火產生的應力超過材料斷裂抗力時將導致開裂。工具鋼中有許多易開裂的鋼種，應采取等溫、分級、雙液、真空氣淬等冷卻方法，以減少畸變與開裂傾向，并應嚴格控制加熱參數和立即回火。
8．脫碳敏感性
工具鋼表面稍有脫碳，就會對性能產生不良影響。首先是使其表面硬度降低，減少耐磨性。即使硬度降低很少，但在過共析鋼中，也會由于過剩碳化物的減少，使淬火加熱時晶粒易于長大，強度降低。其次，表面脫碳也會引起工具淬火時的開裂。
工具鋼的脫碳敏感性與鋼的化學成分、加熱溫度和加熱介質有關。在合金元素中，硅和鉬含量超過1%時，會加重脫碳敏感性。
9．磨削性
許多工具經淬火和回火后，還需要進行磨削加工。磨削性是指磨料的損耗、磨削后工件的表面質量和磨削時工件表面形成裂紋的傾向。
鋼中含在大量硬度很高的碳化物(如VC)時，使磨料損耗顯著增加。磨削時欲獲得良好的表面質量，碳化物顆粒應細小且均勻分布。碳化物分布不均勻時，一些顆粒大的碳化物容易剝落。
磨削時最容易出現的缺陷是生成磨削裂紋。產生磨削裂紋除了與鋼的化學成分、熱處理規范、工具表面應力狀態及金相組織有關外，還與磨削規范、磨削時的冷卻條件及砂輪的性能有關。
10．切削加工性
在工具鋼中，過共析鋼及萊氏體鋼由于過剩碳化物的存在，其切削加工性較亞共析鋼低。為了獲得好的加工性，工具鋼一般均采用球化退火，以得到硬度較低的粒狀珠光體組織。當碳化物聚集過度，硬度很低時(HBS160~180)，加工性能雖好，但表面光潔度差。有時為了提高加工后的表面光潔度，在粗加工后進行調質處理，再進行精加工。
各種工具對材料性能的基本要求及工具鋼的性能比較見表1-2及表1-3。
表2  各種工具對材料性能的基本要求
工具種類 主要性能 工具種類 主要性能
一般切削工具 硬度、耐磨性 冷軋工具 耐磨性、硬度
高速切削工具 紅硬性、耐磨性 拉絲模具 耐磨性、不畸變性
量具 耐磨性、不畸變性 熱鍛模具 硬度、耐沖擊度、耐熱疲勞性
冷沖模具 硬度、耐磨性、耐沖擊度 熱擠壓模具 耐磨性、紅硬性、耐熱疲勞性
冷鐓模具 硬度、耐磨性、耐沖擊度 金屬壓鑄模具 耐沖蝕度、耐熱疲勞性
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