如何衡量评定模具钢材的冶金质量？

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，与模具钢材及其热处理工艺也有密切关系。模具钢材的内部冶金质量与模具的使用寿命直接相关，研究模具钢材的冶金质量影响因素是模具制造业的重要课题，本文着重介绍如何评定模具钢材的冶金质量。

⒈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。

⒉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（下图为日本大同模具钢DHA-WORLD的金相组织图）。

⒊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（下图为日本大同模具钢DH31-EX的金相组织图）。

⒋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（下图为瑞典Uddeholm模具钢ORVAR SUPREME的金相组织图）。

⒌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。

⒍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。有人曾对热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1)进行过试验，氧含量最好不超过1.5*10-5，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（下图为瑞典Uddeholm模具钢DIEVAR的金相组织图）。

⒎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。

⒏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DAC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127.5 J/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。

评定模具钢材冶金质量的详细指标和技术参数请参照国家标准《优质合金模具钢》(GB/T24594-2009)

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有近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。

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