為了提高模具壽命、降低維修費(fèi)用及縮短成型周期以提高生產(chǎn)效率，目前全世界的壓鑄工作者正在緊張地從事與模具問(wèn)題有關(guān)的工作。從技術(shù)的復(fù)雜程度來(lái)看，這些要素包括模具設(shè)計(jì)、模具維修、模具工作條件等方面。經(jīng)驗(yàn)表明，模具材料本身在這些要素中起到了一個(gè)重要的作用。?
本文總結(jié)了?Uddeholm工模具鋼公司某些關(guān)鍵因素的研究經(jīng)驗(yàn)，這些因素限制了模具壽命，或造成模具的過(guò)多維修。本文討論了起關(guān)鍵作用的模具材料性能對(duì)這些因素的重大影響，并說(shuō)明了優(yōu)質(zhì)模具鋼的重要性。同時(shí)也討論了模具材料在縮短加工周期方面的作用，以及一種能發(fā)揮有利作用的新型模具鋼。?
關(guān)鍵因素?
在壓鑄鋁和黃銅中，模腔中的某些現(xiàn)象被認(rèn)為是對(duì)模具壽命和模具維修具有決定性作用的。這些最重要的因素是熱裂紋、微裂紋、腐蝕和塑性變形。由于過(guò)去幾年的深入研究，獲得了對(duì)這些現(xiàn)象的較深刻了解，它表明了模具材料的某些性能是極為重要的，如表1所示。
表1 在鋁和黃銅壓鑄中與模具有關(guān)的關(guān)鍵因素及模具材料的相應(yīng)性能
與模具有關(guān)的關(guān)鍵因素??? 模具材料的關(guān)鍵性能
●熱裂紋???????????????? 熱強(qiáng)度(熱硬性)?
???????????????????????? 耐熱性?
???????????????????????? 韌性/延性?
???????????????????????? 熱膨脹性?
???????????????????????? 導(dǎo)熱性?
●微裂紋???????????????? 韌性/廷性?
●腐蝕?????????????????? 熱強(qiáng)度(熱硬性)?
???????????????????????? 耐化學(xué)性?
●塑性變形?????????????? 熱強(qiáng)度(熱硬性)?
???????????????????????? 抗回火性?
生產(chǎn)率因素?????????????? 關(guān)鍵性能?
●注射周期?????????????? 導(dǎo)熱性?
熱裂紋是一種由熱循環(huán)引起的熱機(jī)械疲勞過(guò)程，該過(guò)程在模腔表面產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和應(yīng)變。其典型的損壞形式是網(wǎng)狀細(xì)裂紋的不斷擴(kuò)展，熱裂紋被認(rèn)為是常規(guī)模具的壽命限制因素。高熱強(qiáng)度及高耐熱性-高溫時(shí)的抗軟化性，被認(rèn)為是獲得高抗熱裂紋性的摸具材料最重要的機(jī)械性能。

另一方面，高韌性/延性也顯示出所起到的有利作用。在模具材料的物理性能中，低熱膨脹性且高導(dǎo)熱性對(duì)抗熱裂紋性是最根本的。
由于機(jī)械或熱過(guò)載，微裂紋是模具毀壞性裂紋。這種現(xiàn)象會(huì)突然發(fā)生，在不同程度上完全毀壞模具。實(shí)際上幸運(yùn)的是，微裂紋比較少見(jiàn)，由于其突變性及后果的嚴(yán)重性，必須予以避免。模具材料的高韌性/延性對(duì)提高抗熱裂紋性，特別對(duì)大型模具是很重要的。?
腐蝕是一種復(fù)雜現(xiàn)象，包括化學(xué)和機(jī)械磨損過(guò)程。它首先產(chǎn)生在模具的暴露零件上，如澆道部分，需進(jìn)行特殊維修。除了對(duì)熔化金屬具有良好的耐化學(xué)性外，模具材料高的熱強(qiáng)度對(duì)抗腐蝕來(lái)說(shuō)也是一種重要性能。?
塑性變形-型腔中的凹痕，首先對(duì)于實(shí)際機(jī)械應(yīng)變來(lái)說(shuō)，是熱強(qiáng)度不足而引起的。模具材料中的高熱強(qiáng)度和高耐熱性，對(duì)避免該問(wèn)該是極端重要的。
縮短成型周期?
迄今為止，討論僅集中于模具壽命和維修問(wèn)題。但是通過(guò)對(duì)成型周期提供各種可能性，模具材料對(duì)生產(chǎn)率有著直接的影響。當(dāng)模具處于閉合狀態(tài)，注射周期主要取決于鑄件的固化和冷卻。在每次注射時(shí)，固化熱量和鑄件中的絕大部分熱量在開(kāi)模前必須傳遞出去。這種熱量的轉(zhuǎn)移必須通過(guò)模具來(lái)進(jìn)行。同時(shí)，控制因素是模具材料中的熱傳導(dǎo)，這種熱傳導(dǎo)除了幾何尺寸因素外，取決于材料本身的導(dǎo)熱性。
因此，模具材料的導(dǎo)熱性使?jié)撛诘某尚椭芷谟辛艘粋€(gè)確定的極限。導(dǎo)熱性越高，縮短成型周期的可能性也越大，從而提高了生產(chǎn)率。這樣，壓鑄鋁和黃銅，理想的模具材料或鋼材必須具有以下主要性能：?
⒈高熱強(qiáng)度(熱硬性)
⒉高耐熱性
⒊高韌性/延性
⒋低熱膨脹性
⒌高導(dǎo)熱性
優(yōu)質(zhì)H13鋼的研制?
多年來(lái)，H13熱作模具鋼已成為壓鑄模的最主要材料。它基本上具有上述各點(diǎn)特性，能滿足壓鑄的需要。近幾年來(lái)，商用H13(?UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼的質(zhì)量逐步得到改善，因此提高了模具工作性能和安全性。最新的進(jìn)展是引進(jìn)幾年前稱(chēng)之為優(yōu)質(zhì)的H13鋼。目前，大多數(shù)壓鑄工作者熟悉了兩種不同的H1 3鋼(優(yōu)質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn))的質(zhì)量及兩者之間差別的重要性。?
一個(gè)有趣的問(wèn)題是，關(guān)于上述關(guān)鍵因素和性能，究竟改進(jìn)了多少?從根本上來(lái)說(shuō)，它仍然具有相同的合金元素成分。但是由于在鋼的冶煉過(guò)程中進(jìn)行了很大的改進(jìn)和專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了工藝，使其質(zhì)量得到很大的改進(jìn)。這樣，包括電渣重熔、特殊熱加工工藝和多次熱處理的特殊冶金處理，使得該優(yōu)質(zhì)材料能去除夾渣、雜質(zhì)、甚至對(duì)大尺寸鋼坯在偏析和顯微組織方面也能做到極端的均勻一致。?
這就意味著與標(biāo)準(zhǔn)的H13鋼相比，其潛在的韌性/延性有了重要的改善，甚至在大型坯料中心也這樣，其機(jī)械性能更具有各向同性的特點(diǎn)。優(yōu)質(zhì)H13鋼僅僅只改善了最關(guān)鍵的一個(gè)性能。如表l所示，改善韌性減少了微裂紋的產(chǎn)生，并提高了抗熱裂紋的能力，這是因?yàn)轫g性較高的鋼能以較高的工作硬度被使用。這表明與標(biāo)準(zhǔn)H13鋼相比，優(yōu)質(zhì)H13鋼將大大地提高模具壽命，并使模具更安全。Uddeholm公司的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為模具的平均壽命可提高25%。
近幾年來(lái)，這種開(kāi)發(fā)伴隨著人們對(duì)模具熱處理興趣的不斷增加，已初步開(kāi)展了對(duì)H13材料“優(yōu)質(zhì)熱處理”的研究。
由于優(yōu)質(zhì)H13鋼的開(kāi)發(fā)已完全商品化，H13鋼的合金成分的整個(gè)潛在能力可能已被認(rèn)識(shí)。為了進(jìn)一步對(duì)模具鋼進(jìn)行開(kāi)發(fā)，必須提高其他關(guān)鍵性能。這多半只有通過(guò)研制新型合金成分才能完成。
新型優(yōu)質(zhì)模具鋼?
習(xí)慣上開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)壓鑄模鋼的途徑是研制更高合金化的鋼。這顯然對(duì)有些性能的提高是有利的，但是在大多數(shù)情況下，增加合金元素成分意味著韌性較差，而且導(dǎo)熱性也較低。例如：在七十年代初，高合金馬氏體時(shí)效鋼是加工壓鑄模最有希望的材料，但是其導(dǎo)熱性比H13鋼低得多，對(duì)于縮短成形周期，無(wú)疑是一種缺點(diǎn)。?
近來(lái)Uddeholm公司按照相反的途徑，在開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)模具鋼方面下了一番功夫，旨在研制一種比優(yōu)質(zhì)H13鋼更優(yōu)越的具有完美性能的新型鋼種，目前已以新型優(yōu)質(zhì)模具鋼-超級(jí)QRO 90的形式進(jìn)行商品化開(kāi)發(fā)。QRO 90 SUPREME鋼在純度、顯微組織的均勻性、韌性/延性方面與優(yōu)質(zhì)的H13鋼不分上下。另一方面，其具有最佳合金元素平衡的新合金成分，與優(yōu)質(zhì)H13鋼相比，在其他重要性能上得到改善。?
新合金是一種鉻鉬釩熱加工模具鋼，其基本成分為(重量百分比)：?
?C?? Si? Mn? Cr? Mo? V?
0.4 0.3 0.8 2.6 2.3 0.9?
并添加了其他微量合金元素。以下是超級(jí)QRO 90鋼與優(yōu)質(zhì)H13鋼的簡(jiǎn)要比較。?
熱強(qiáng)度：
測(cè)定該性能的最簡(jiǎn)單方法是在高溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并測(cè)量其屈服極限。參照經(jīng)淬火和回火到相同室溫硬度HRC45條件下的拉伸強(qiáng)度與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線圖可知，在同樣初始室溫硬度情況下，新合金的熱屈服強(qiáng)度(熱硬度也如此) 大大高于優(yōu)質(zhì)H13鋼。在1200F時(shí)，其差值達(dá)60%之多。?
耐熱性：
該性能表示模具在使用中承受高溫情況下抵抗逐漸軟化的能力。新合金的耐熱性比優(yōu)質(zhì)H13鋼高得多，其差值在較高的溫度下更為顯著。?
韌性：
該性能可用許多不同的方法來(lái)測(cè)定。近來(lái)，以無(wú)缺口沖擊試驗(yàn)作為測(cè)定實(shí)際該類(lèi)材料的棒料直徑，特別是這種各向同性的韌性和延性的關(guān)鍵試驗(yàn)越來(lái)越被人們廣泛地接受。圖3為這種試驗(yàn)的典型結(jié)果，新型優(yōu)質(zhì)鋼的韌性和其各向同性程度與高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13材料相比毫不遜色，甚至在大尺寸棒材的芯部也如此。
圖4：淬火和回火條件下(HRC47)，在100~1200F溫度范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率
熱膨脹性：
對(duì)鋼來(lái)說(shuō)，該物理性能不受合金成分的影響。這樣，具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)，包括優(yōu)質(zhì)H13鋼和超級(jí)QRO 90鋼的所有鋼合金的熱膨脹系數(shù)與鋼相同或接近，只有具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體鋼，如不銹鋼的熱膨脹系數(shù)變化很大。但在實(shí)際上使用錯(cuò)了，是用了較大的一個(gè)。?
導(dǎo)熱性：
與熱膨脹性相反，該物理性能受合金成分的影響很大。這樣一般對(duì)鋼來(lái)說(shuō)，隨著整個(gè)合金元素的原子濃度的增加，導(dǎo)熱性逐漸降低。事實(shí)上新合金的合金元素的總原子濃度低得多，這導(dǎo)致在目前有意義的整個(gè)溫度范圍內(nèi)導(dǎo)熱性顯著提高(大約20)，如圖4所示。?
結(jié)論?
新型超級(jí)QRO 90鋼與優(yōu)質(zhì)H13鋼相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：
⒈較高的熱強(qiáng)度和熱硬性
⒉較高的耐熱性
⒊同樣好的韌性和延性
⒋同樣低的熱膨脹性
⒌較高的導(dǎo)熱性。
當(dāng)涉及有關(guān)關(guān)鍵因素討論時(shí)(見(jiàn)表1)。顯然這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)所有這些因素起到積極的作用。例如，與優(yōu)質(zhì)H13鋼相比，關(guān)于熱裂紋問(wèn)題的模具壽命可望得到顯著的提高。同時(shí)也具有縮短成形周期的某些新的可能性。?
因此，采用新型Uddeholm合金，可以進(jìn)行昂貴的熱裂紋試驗(yàn)(在室溫與1380F之間的溫度循環(huán)中的抗裂紋性能，每次循環(huán)之間采用快速空冷，初始條件：淬火與回火到HRC47)，其抗熱裂紋性比優(yōu)質(zhì)H13鋼有著顯著的提高。
當(dāng)然，評(píng)定新型模具材料性能的唯一可靠方法是進(jìn)行壓鑄現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。至今為止還沒(méi)有這種可用于QRO 90鋼結(jié)果。根據(jù)普通的原型QRO 80M的鋁壓鑄現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與H13鋼相比較的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于鋁壓鑄來(lái)說(shuō)，其壽命為優(yōu)質(zhì)H13鋼的兩倍(或超過(guò))。由于這種新型鋼種具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，估計(jì)將有更大的提高。?
就鋁壓鑄來(lái)說(shuō)，QRO 90鋼的優(yōu)越性能，使它在長(zhǎng)期工作模具和熱裂紋問(wèn)題嚴(yán)重的模具，甚至在大型模具中將成為最強(qiáng)有力的候選鋼種。另一方面，在黃銅壓鑄中，一般可推薦超級(jí)QRO90鋼來(lái)作為模具材料。?
最后值得強(qiáng)調(diào)的是，新合金能夠用標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)質(zhì)的H13鋼所采用的相同方法進(jìn)行熱處理，甚至能用相同的奧氏體化溫度。這就意味著任何進(jìn)一步為H13鋼而開(kāi)發(fā)的優(yōu)質(zhì)熱處理工藝也能適用于QRO 90鋼。

參考文獻(xiàn)：《Die Casting Engineer》1988.2? [瑞典] Lars Ake Notstr6m等

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碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275、08F、10F、15F、20Mn、25Mn、35Mn、40Mn、45Mn、50Mn、55Mn、55Mn、60Mn、70Mn、Q295、Q390、Q420、Q345、Q460、09Mnr、09MnNb、09Mn2、12Mn、18Nb、09MnCvPTi、10MnSiCu、12MnV、16MnNb、14MnTiRE、15MnrN
合金結(jié)構(gòu)鋼：1Cr5Mo、1Cr6Si2Mo、12Cr1MoV、12CrMo1MoV、15CrMn、15CrMo、15CrMog、15CrMoR、15MnVB、16MnCr5、20CrMn、20CrMnSi、20CrMo、20MnCr5、20MnMoB、20MnTiB、30CrMnSi、30CrMnSiA、30CrMo、35CrMo、40CrMn、40CrMoV、40MnVB、42CrMo、40CrMo、20Mn2、30Mn2、35Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn2、20MnV、27SiMn、35SiMn、42SiMn、20SiMn2MoV、25SiMn2MoV、37SiMn2MoV、40B、45B、50B、40MnB、45MnB、20MnVB、20CrMnTi、25MnTiBRE、15Cr、15CrA、20Cr、35Cr、30Cr、40Cr、45Cr、50Cr、38CrSi、12CrMo、30CrMoA、12CrMoV、35CrMoV、12Cr1Vmo、25Cr2Mo1VA、38CrMoAl、40CrV、25CrMnSi、35CrMnSiA、20CrMnMo、40CrMnMo、30CrMnTi、20CrNi、40CrNi、45CrNi、50CrNi、12CrNi2、12CrNi3、20CrNi3、30CrNi3、37CrNi3、12CrNi4、20CrNiMo、40CrNiMoA、18CrNiMnMoA、45CrNiMoA、18Cr2Ni4WA、25Cr2Ni4WA
保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼：45H、15 CrH、20CrH、40CrH、45CrH、40MnBH、45MnBH、20MnNi4H、20CrNiMoH、20CrNi2MoH
彈簧鋼牌號(hào)：65Mn、55Si2Mn、55Si2MnB、55SiMnrB、60Si2Mn、60Si2CrA、60Si2MnA、55CrMnA、60CrMnA、60CrMnMoA、50CrVA、60CrMnBA、30W4Cr2rA、60Si2CrVA、50CrA
較常用鋼種適宜鍛件加工：15Cr2Ni2、15CrNiMoV、17CrNi2Mo、18Cr2Ni4W、18Cr2Ni4WA、18CrNiMnMoA、20Cr2Ni4、20CrMnMoB、20CrNiMo、20MnMo、20MnMoNb、20SiMn、24Cr2Ni4MoV、24CrMoV、25Cr2Ni4WA、28Cr2Mo1V、30Cr2MoV、30Cr2Ni2Mo、30CrMn2MoB、32Cr2MnMo、34Cr2Ni2Mo、34CrMnMo、34CrNi1Mo、34CrNi3Mo、34CrNi3MoV、35CrMoSi、40CrNiMo、40CrNiMoA、42MnMoV、45CrNiMoA、50CrMo、50SiMn、50SiMnMoV
非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼：YF35V、YF40V、Y45V、 YF45V、YF35MnV 、YF40MnV、YF45MnV、F45V、F35MnVN、F40MnV
碳素工具鋼：T7、T8、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13、T7A、T8A、T8MnA、T9A、T10A、T11A、T12A、T13A
量具刃具用鋼：9SiCr、8MnSi、Cr06、Cr2、9Cr2
耐沖擊工具鋼：4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si、6CrMnSi2Mo1V、5Cr3Mn1SiMo1V
高速鋼：W18Cr4、W18Cr4VCo5、W18Cr4V2Co8、W12Cr4V5Co5、W6Mo5Cr4V2、CW6Mo5Cr4r2、W6Mo5Cr4V3、CW6Mo5Cr4V3、W2Mo9Cr4r2、6WMo5r4r2Co5、W7Mo4Cr4V2Co5、W2Mo9Cr4VCo8、W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2Al、CW6Mo5Cr4V2
軸承鋼：GCr4、GCr15、GCr15SiMo、GCr18Mo、G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo、9Cr18、9Cr18Mo
冷作模具鋼：Cr12、Cr12Mo1V1、Cr12MoV、Cr5Mo1V、9Mn2V、CrWMn、9CrWMn、Cr4W2MoV、6Cr4W3Mo2V1Nb、6W6Mo5Cr4V、7CrSiMnMoV
熱作模具鋼：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、5Cr4Mo3SiMnVAl、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、8Cr3、4CrMnSiMoV、4Cr3Mo3SiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi
無(wú)磁模具鋼：7Mn15Cr2AL13V2Wmo
塑料模具鋼：3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo
不銹鋼：00Cr12、0Cr13、0Cr13Al、00Cr13Ni5Mo、0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr15Ni7Ti、0Cr16Ni6、0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr17Ni12Mo2、0Cr17Ni12Mo2N、00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ti、0Cr18Ni3Mn13N、00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Cu3、00Cr18Ni10N、00Cr17Ti、0Cr18Ni3Mn13N、00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Cu3、00Cr18Ni10N、0Cr18Ni10Ti、0Cr18Ni11Nb、0Cr18Ni12Mo3Ti、0Cr18Ni13Si4、0Cr18Ni16Mo5、0Cr19Ni9N、00Cr19Ni10、0Cr19Ni10NbN、00Cr19Ni13Mo3、0Cr19Ni13Mo3、00Cr20Ni18Mo6CuN、0Cr21Ni6Mn9N、0Cr26Ni5Mo2、00Cr27Mo、00Cr30Mo2、1Cr12、1Cr13、1Cr13Mo、1Cr17、1Cr17Mn6Ni5N、1Cr17Mo、1Cr17Ni2、1Cr17Ni5Mn6N、1Cr17Ni7、1Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti、1Cr21Ni5Ti、2Cr13、3Cr13、3Cr13Mo、4Cr13、7Cr17、8Cr17、9Cr18、9Cr18Mo、9Cr18MoV、11Cr17、Y1Cr13、Y1Cr17、Y1Cr18Ni9、Y1Cr18Ni9Se、Y3Cr13、Y11Cr17