全面解读模具钢材的工艺性能要求

在模具的总成本中，特别是小型精密复杂模具，模具钢的费用往往只占总成本的10%~20%，有时甚至低于10%，而机械加工、热加工、表面处理、装配和管理等费用要占总成本的80%以上。所以模具钢的加工工艺性能就成为影响模具成本的一个重要因素，也是提高模具质量和使用寿命的关键所在。经常遇到的加工工艺性能有以下几种：

⒈冷加工工艺性能：

冷加工工艺性能包括切削、磨削、抛光、冷挤压和冷拉等工艺性能。模具制品有时对表面质量、表面粗糙度和抛光性能要求很高，这就要求钢材的质量更高，模具钢杂质少、组织均匀以及无纤维方向，并采取一些措施，改善钢的工艺性能，降低模具的制造费用。

为了改善模具钢的可加工性和磨削性，在模具钢精炼的后期应对钢液进行变性处理，通过加入变性剂（如Si、Ca和稀土元素等），形成富钙硫化物或稀土硫化物，使硫化物球化，抑制硫对钢的力学性能的不利影响，保留和发挥其对钢的可加工性和磨削性的有利影响，使易切削模具钢得到进一步发展。

有些模具钢，如高钒高速钢、高钒高合金模具钢，其磨削性很差、磨削比很低，不便于磨削加工。近年来改用粉末冶金生产，可以使钢中的碳化物细小、均匀，完全消除了普通工艺生产的高钒模具钢中的大颗粒碳化物，不但使这类钢的磨削性大为改善，而且改善了钢的塑性、韧性等性能。

有些模具要求很低的表面粗糙度，如要求镜面抛光的塑料模具和一些冷作模具，就要采用抛光性能很好的模具材料。这类钢种往往要求采用电渣重熔或真空电弧重熔等工艺进行精炼，得到高纯净度的钢材，以适应镜面抛光的要求。

为了简化工艺，提高模具的制造效率，对批量生产的模具，可以采用冷挤压工艺压抑型腔，即用淬硬的凸模将模具的型腔直接压制出来。这就要求模具材料具有良好的冷变形性能，如塑料模具中的低碳低硅钢就具有良好的冷变形性能。

⒉热加工工艺性能：

热加工包括锻造、铸造以及焊接等。热加工工艺性能包括热塑性和热加工温度范围等。根据模具的不同制造工艺可提出不同的加工性能要求，这些性能受到模具钢的化学成分、冶金质量、组织状态等因素的影响。在生产过程中必须严格控制热加工的工艺参数。

⑴、可锻性：

锻造不仅减少了模具钢的机械加工余量、节约钢材，而且改善了模具钢内部组织缺陷，如碳化物偏析等，所以锻造质量的好坏直接影响模具的质量。

⑵、铸造工艺性能：

为了简化生产工艺，近年来国内外致力于发展采用铸造工艺生产出接近模具形状的铸造毛坯。如我国已经研究采用铸造工艺生产一些冷作模具、热作模具和玻璃成形模具，并相应地发展了一些制造模具用钢。对这类材料，要求具有良好的铸造工艺性能，如流动性和收缩率等。

⑶、焊接性：

有些模具要求在工作条件最苛刻部分堆焊上特种耐磨和耐蚀材料，有些模具力求在使用过程中采用堆焊工艺进行修复后能够重新使用，对这些模具就要求选用焊接性好的模具材料，以简化焊接工艺。焊接性好可以避免焊前预热和焊后处理工艺。为了更好地适应焊接工艺的需要，相应地发展了一批焊接性良好的模具材料。

⒊热处理工艺性能：

热处理工艺性能实际上也是一种热加工工艺性能。在模具失效的案例中，热处理不当造成的失效占总失效的40%左右。热处理工艺性能的好坏对模具的质量有较大影响，其要求材料热处理后有足够的淬硬性和淬透性，而且变形小、淬火温度范围宽、过热敏感性小、脱碳敏感性低等。

⑴、淬硬型和淬透性：

淬硬型主要取决于钢的含碳量，淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。对于大部分要求高硬度的冷作模具，对淬硬型要求较高；对于大部分热作模具和塑料模具，对硬度的要求并不太高，往往更多地考虑其淬透性，特别是一些大截面、深型腔模具，为了使模具的心部能得到良好的组织和均匀的硬度，就要选用淬透性好的模具钢；另外对于形状复杂、要求精度高又容易产生热处理变形的模具，为了减少其热处理变形，往往采用冷却能力弱的淬火介质（如油冷、空冷、加压淬火或盐浴等温淬火等），这就需要采用淬透性较好的模具材料，以得到满意的淬火硬度和淬硬层深度。

⑵、淬火变形和开裂倾向：

淬火变形和开裂是热处理三大难题中的两个，可见其重要性。模具在热处理时要求其变形程度要小，特别是一些形状复杂的精密模具，淬火后难以修整，更要求淬火、回火后的变形程度小，一般选用微变形模具钢。模具零件淬火开裂倾向与模具材料成分、原始组织状态、工件几何形状以及热处理工艺有很大的关系。

⑶、氧化脱碳敏感性：

模具在加工过程中，如果产生氧化、脱碳现象，就会改变模具的形状和性能，影响模具的硬度、耐磨性和使用寿命，导致模具早期失效。脱碳敏感性主要取决于钢的化学成分，特别是碳质量分数。

有些含钼量高的模具钢，由于容易氧化、脱碳，在一段时间内限制了其推广应用，直到热处理工艺装备发展以后，采用特种热处理工艺，如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等，才有效防止了氧化、脱碳，使这类模具钢顺利得到推广应用。

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