模具鋼

簡介

　　模具鋼大致可分為（冷作模具鋼）、（熱作模具鋼）和（塑料模具鋼）3類，用於鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。由於各種模具用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。由於這類用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼的性能要求也不同。　　冷作模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲模、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具有鋼，按其所制造具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性、足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用於這類用途的合金工具用鋼一般屬於高碳合金鋼，碳質量分數在0.80%以上，鉻是這類鋼的重要合金元素，其質量分數通常不大於5%。但對於一些耐磨性要求很高，淬火後變形很小模具用鋼，最高鉻質量分數可達13%，並且為瞭形成大量碳化物，鋼中碳質量分數也很高，最高可達2.0%~2.3%。冷作模具鋼的碳含量較高，其組織大部分屬於過共析鋼或萊氏體鋼。常用的鋼類有高碳低合金鋼、高碳高鉻鋼、鉻鉬鋼、中碳鉻鎢釧鋼等。　　熱作模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型，包括熱鍛模、壓力機鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具在工作中除要承受巨大的機械應力外，還要承受反復受熱和冷卻的做用，而引起很大的熱應力。熱作模具鋼除應具有高的硬度、強度、紅硬性、耐磨性和韌性外，還應具有良好的高溫強度、熱疲勞穩定性、導熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個截面具有一致的力學性能。對於壓鑄模用鋼，還應具有表面層經反復受熱和冷卻不產生裂紋，以及經受液 態金屬流的沖擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬於中碳合金鋼，碳質量分數在0.30%~0.60%，屬於亞共析鋼，也有一部分鋼由於加入較多的合金元素（如鎢、鉬、釩等）而成為共析或過共析鋼。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。　塑料模具包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐蝕性等性能。此外，還要求具有良好的工藝性，如熱處理變小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度高、導熱性好和工作條件尺寸和形狀穩定等。一般情況下，註射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼；熱固性成形和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。

模具鋼分類

　　美國按模具服役條件將模具鋼分為四大類，美國金屬學會工具鋼委員會列出瞭：冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼,塑膠模具鋼四大類。其中，冷作模具鋼又分出12小類，熱作模具鋼9小類，塑 料模具鋼2小類,塑膠模具鋼5小類。每個小類的選材又取決於三個主要因素：　　◆ 尺寸大小和形狀的復雜性，　　◆ 被加工的材料，　　◆ 耐久性要求或設計壽命。1.冷作模具鋼　　（1）分為五組：W組、O組、A組、D組、S組。　　◆ W組即水淬模具鋼，有11個鋼種，7個碳素模具鋼，含碳量從0.7%-1.3%。　　◆ O組即油淬冷作模具鋼（俗稱油鋼），有4個鋼種，含碳量在0.85%-1.55%，　　◆ A組即空淬中合金冷作模具鋼，有9個鋼種，含碳量從0.5%-2.25%。　　◆ D組即高碳高鉻冷作模具鋼，有7個鋼種，含碳量0.9%-2.5%。　　◆ S組即耐沖擊工具鋼，有7個鋼種，含碳量0.4%-0.6%。　　用於冷作模具還有高速鋼（HSS組）和超高速鋼（SHSS組），鈷基硬質合金和鋼結硬質合金（HA組），粉末鋼和工程陶瓷（PIM組），碳鎢工具鋼（F組），特殊用途工具鋼（L組）。　　（2）冷作模具鋼的選用　　冷作模具鋼的主系列是高硬冷作類，主要用於要求高抗壓和耐磨為主的模具，硬度高於HRC60-62。對於要求耐沖擊、韌性高的模具，硬度低於HRC60- 62，主要用S類和部份A類和最普通的調質鋼、彈簧鋼、熱作模具或基體鋼。對於大型沖壓模，如汽車外型沖壓件，主要用鑄鐵類。簡易或壽命數量少的用鋅基合金或高分子復合材料。　　高速鋼和超高速鋼在冷作模具中的應用迅速增長。主要是有高的"抗壓強度/硬度" 比值。且硬度可在HRC60-70之間選擇。　　粉末模具鋼有優良的耐磨壽命，硬度不大高HRC60-62，應用相當多。　　碳素工具鋼在壽命10萬件的沖頭或軟材料沖壓模仍有一定的應用范圍。2.熱作模具鋼　　美國熱作模具鋼分二大類：熱作模具鋼，和超級熱強合金。　　熱作模具由於在有溫度的條件下工作，要求材料具有熱強性和熱耐磨性，為瞭保證模具的使用壽命模具要冷卻，熱冷交替模具會出現龜裂，即熱疲勞裂紋，所以材料又要求有抗裂紋能力和抗熱疲勞性能。　　按熱強性排列的主系列進行選材:　　低合金調質模具鋼（6G，6F2，6F3）→中鉻熱作模具鋼（H11、H12、H13）→鎢熱作模具鋼（H21，H22）。　　非標準的熱作模具鋼：例如熱鐓鍛模具用時效硬化型的6H4。使用H11、H12、H13出現瞭不能滿足熱耐磨性時，可以選擇6H1，6H2。　　當要求模具以熱作耐磨性為主時，可以選擇D2，D4→M2，M4→粉末鋼。鋼結硬質合金、鈷基硬質合金的高溫耐磨性是很高的，但其熱疲勞性（即冷熱抗疲勞裂紋）很差，不能在急冷急熱狀態下使用。3.塑料模具鋼 　　美國是最早在工具鋼中列出塑料模具專用鋼的國傢，以P來表示為主，共分為五類。　　◆ 滲碳型塑料模具鋼：P1，P2，P3，P4，P5，P6。這類鋼含碳量很低，主要是美國早期及用擠壓成型制模法，要求冷塑性好，有高的擠壓性能，成型後表面滲碳淬火提高表面硬度，使用壽命長。芯部超低碳可使淬火時變形量最小。　　◆調質型塑料模具：P20，P21。目前塑料模具中P20的用量很大，已成為主體，大多數在預硬狀態時使用。　　◆ 中碳合金工具鋼用於熱固性塑料模。鋼號有H13，而L2和S7，O1和A2也有應用。這一類的特點是：　　（1）基本屬二次硬化金鋼，500-600oC時的熱強性好。　　（2）含鉻較高，大氣腐蝕性好。　　（3）淬透性極好，適用於大模塊。　　◆ 不銹鋼用於耐蝕性要求高的塑料模，主要鋼號有420，414L，440，416。　　◆ 時效鋼是經過時效處理而獲得高的使用性能。有兩種，一種是P21低碳Ni-A1時效鋼；另一類是18Ni馬氏體時效鋼。後者是用於宇航工業的無碳高純度、高強度、高韌性的材料。用於力學性能、尺寸精度、光潔度和耐蝕性都要求高的塑料模具中。　　塑料模具鋼的選用　　薄壁的塑料箱體，生產批量在小於10萬件時，用P20，P21預硬態（HB250～300），腐蝕性較強時用414L。　　高壽命的普通塑料模，用P6或P20，經滲碳一淬火後硬度在HRC54-58；塑料件不太大時，可用O1，S7。腐蝕性較強時用420。　　非高溫的熱固性模用P6，P20經滲碳淬火後使用。腐蝕性強用420。　　高溫熱固性塑料模用H13和S7或滲碳鋼P4。這些含鉻較高有好的抗回火性和抗高溫氧化性。