模具钢材基础知识-工具钢的基本性能要求概述

模具钢材基础知识-工具钢的基本性能要求概述
工具钢的种类很多，工作条件相差很大，对性能的要求也不同，这里只对工具钢的基本性能要求进行概述。
1．强度与塑性
一些工具，特别是细长形状的工具的损坏，常常不是由于磨损，而是由于断裂。对于含碳量高的工具钢的强度试验，一般采取静弯曲或扭转试验，这些试验产生的应力状态接近于多数工具的实际工作状况。在弯曲试验时，测定出抗弯强度óbb和挠度f；在扭转试验时，测定出扭转强度τb和扭转角φ，并以f、φ表示塑性。
从工程应用的角度，要保证批量生产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，使用中不允许发生过量的塑性变形，故模具的设计应力不得超过材料的屈服强度ReL(ós)。从这个意义上讲，对应较精密的模具材料的屈服强度有要重要的工程意义，因此，对于一些模具材料还应做拉伸实验。测定出ReL、A、Z等指标。
2．韧度
韧度对于工具钢，尤其是在承受较大冲击负荷条件下工作的工具，是一个较为重要的性能指标。工作硬度低于HRC50~55的钢，韧性较高，可使用带缺口的冲击试样进行韧度试验。当硬度较高时，由于钢的脆性较大，不能使用缺口试样，改为无缺口冲击试样，但此时也不能反映对缺口的敏感性，可采用C形缺口试样(R为12.7mm，深2mm)。
断裂韧度(KIc)也可作为冷作模具及多冲工具的一个性能指标。KIc是一个防裂纹脆断的指标，它对抗疲劳断裂的贡献主要表现在影响极限裂纹的深度，但它不能作为主要的失效抗力指标，因为试验证明，KIc的高低与冲击疲劳寿命没有明显的对应关系。
3．硬度与耐磨性
工具磨损，是因为在工作时，部分金属由于摩擦而损失掉，亦可能是接触表面在高的负荷应力下发生变形而失去尺寸精度。
硬度在一定程度上可以表示对塑性变形的抗力。高的硬度是保持高的耐磨性的必要条件。但过高的硬度会带来脆性和增加缺口敏感性。一般碳素工具钢及低合金工具钢制作的刀具、量具要求的硬度多为HRC62~64，高速钢刀具为HRC63~65或更高，大部分冷作模具为HRC58~63，热作模具一般为HRC35~55。
增加钢中碳化物的数量可以提高耐磨性，但与碳化物在钢的分布、大小、形态及碳化物本身的硬度有关。大量细小、均匀分布的坚硬碳化物可明显提高钢的耐磨性；而粗大、不均匀分布的碳容易剥落，会增加主要原因损。少量的残余奥氏体(10%~15%)对硬度和耐磨性影响不大，过多时对耐磨性不利，对尺寸稳定性不利。
4．热稳定性
工具钢的热稳定性常用加热时能保持一定硬度值的最高温度来表示。在切削速度比较重负荷条件下，工具有时要承受比较高的温度，此时决定其切削性能(耐磨性)的主要因素是热稳定性。
对于高速钢，常用“红硬性”表示其热稳定性，即将正常淬火和回火的高速钢加热至600℃、625℃和650℃(必要时至700℃)，重复加热4次，每次1h，以能保持HRC60时的温度作为评定其红硬性的标准。
对于热作模具钢，有时直接测量其在热状态下的硬度值，以说明其热稳定性，这种试验要采用高温硬度计。这种方法也可用于高速钢。
钢的热稳定性的高低，主要取决于钢的碳含量、合金元素种类及含量，以及热处理规范。
5．抗热疲劳性
一些热作模具，特别是压铸模和热压模等，由于工作表面反复受热、受冷，会在表面出现网状裂纹(龟裂)而失效，这种现象称为热疲劳。
热作模具表面经过一定次数的冷、热循环所引起的热应力，可导致其疲劳裂纹的产生，因此，钢的热膨胀系数对热作模具的热疲劳有重要影响。同时，局部区域可能因受热而发生相变，也会增加应力，因此，钢的相变温度的高低对热作模具的热疲劳也有影响。此外，钢材本身的强度，特别是高温强度越高，其抗热疲劳裂纹生成的能力也就越强。
抗热疲劳试验，常采用多次重复加热至一定温度和使用一定介质冷却的试验方法，以出现裂纹时的次数表示其热疲劳抗力。
6．淬透性
在选择和使用工具钢时，淬透性是一个重要因素。有些工具要求的淬透性不高，因为这类工具整体淬透或淬硬层太深时，容易产生脆性破坏。而另外一些工具，特别是在尺寸者，却要求有高的淬透性(如果淬透层太薄，在高的应力下，表面容易磨掉，甚至压陷)，高淬透性的钢种允许采用较缓和的冷却介却介质和冷却方式，有利于减少内应力，减少畸变和开裂倾向。
影响高碳工具钢淬透性的因素有钢的化学成分、原始组织、奥氏体化时的晶粒尺寸和未溶碳化物的作用等，但起主要作用的还是钢的化学成分。
碳素工具钢常采用断口法测其淬透性；对于一般的合金工具钢，可采用端淬法测其淬透性；对于结构钢，多采用临界直径法测其淬透性。
合金工具钢也可用计算淬透性因子的方法来计算(估算)其淬透性。表1-1列出了一些合金元素对含1%C的钢的珠光体淬透性的影响，图1-1给出了一些合金元素对含1%C的钢的贝氏体淬透性的影响。从表1-1可以看出，Mo、Si、Mn、Cr、Ni可提高钢的珠光体淬透性，从图1-1可以看出，Si、Mo、Mn、Ni、Cr可提高钢的贝氏体淬透性。
表1  合金元素对含1%C的钢的珠光体淬透性的影响
钢的成分 淬透性因子 钢的成分 淬透性因子
基础(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基础成分：1.00%C、0.25%Mn、0.25%Si、0.05%Cr、0.03%Ni、0.02%Mo；
②热处理：870℃，40min，油冷；790℃，12min，在剧烈循环的盐水中冷却。
根据化学成分计算淬透性只是一种近似的方法。因为由于合金元素的相互作用、冶炼条件的变化的影响，故即使是同一种钢，因炉号不同，其淬透性有时波动也很大。因此，只有通过实际测定才能准确地评定其淬透性。
7．畸变与开裂倾向
对于形状复杂的刃具、模具，热处理后一旦发生严重的畸变，很难矫直和修理，因此，对于精密和易发生畸变的工具，在钢材成分设计、冶炼、锻轧及热处理等各方面都应采取措施，以减少畸变倾向。低合金空淬微畸变模具钢，较好地解决了热处理畸变的问题，主要适用于制造精密复杂的模具。
淬火产生的应力超过材料断裂抗力时将导致开裂。工具钢中有许多易开裂的钢种，应采取等温、分级、双液、真空气淬等冷却方法，以减少畸变与开裂倾向，并应严格控制加热参数和立即回火。
8．脱碳敏感性
工具钢表面稍有脱碳，就会对性能产生不良影响。首先是使其表面硬度降低，减少耐磨性。即使硬度降低很少，但在过共析钢中，也会由于过剩碳化物的减少，使淬火加热时晶粒易于长大，强度降低。其次，表面脱碳也会引起工具淬火时的开裂。
工具钢的脱碳敏感性与钢的化学成分、加热温度和加热介质有关。在合金元素中，硅和钼含量超过1%时，会加重脱碳敏感性。
9．磨削性
许多工具经淬火和回火后，还需要进行磨削加工。磨削性是指磨料的损耗、磨削后工件的表面质量和磨削时工件表面形成裂纹的倾向。
钢中含在大量硬度很高的碳化物(如VC)时，使磨料损耗显著增加。磨削时欲获得良好的表面质量，碳化物颗粒应细小且均匀分布。碳化物分布不均匀时，一些颗粒大的碳化物容易剥落。
磨削时最容易出现的缺陷是生成磨削裂纹。产生磨削裂纹除了与钢的化学成分、热处理规范、工具表面应力状态及金相组织有关外，还与磨削规范、磨削时的冷却条件及砂轮的性能有关。
10．切削加工性
在工具钢中，过共析钢及莱氏体钢由于过剩碳化物的存在，其切削加工性较亚共析钢低。为了获得好的加工性，工具钢一般均采用球化退火，以得到硬度较低的粒状珠光体组织。当碳化物聚集过度，硬度很低时(HBS160~180)，加工性能虽好，但表面光洁度差。有时为了提高加工后的表面光洁度，在粗加工后进行调质处理，再进行精加工。
各种工具对材料性能的基本要求及工具钢的性能比较见表1-2及表1-3。
表2  各种工具对材料性能的基本要求
工具种类 主要性能 工具种类 主要性能
一般切削工具 硬度、耐磨性 冷轧工具 耐磨性、硬度
高速切削工具 红硬性、耐磨性 拉丝模具 耐磨性、不畸变性
量具 耐磨性、不畸变性 热锻模具 硬度、耐冲击度、耐热疲劳性
冷冲模具 硬度、耐磨性、耐冲击度 热挤压模具 耐磨性、红硬性、耐热疲劳性
冷镦模具 硬度、耐磨性、耐冲击度 金属压铸模具 耐冲蚀度、耐热疲劳性
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