粉末冶金模具钢--提高冷作模具寿命的优质钢材

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随着工业的发展，对冷作模具冲压的性能要求也越来越高。一个简单冲切模具，具有20万次的寿命也不再满足低成本、高产量标准的要求。使用新开发的模具材料（例如粉末冶金模具钢）能够达到百万次的模具寿命。从模具经济性方面考虑，使用粉末冶金（PM）模具钢大大降低了单件成本。尽管模具初始成本较高，但是延长模具寿命，减少停工时间，同样让使用者获益。从冶金学观点来看，根据特殊方法冶炼推出的粉末冶金模具钢比常规工具钢的寿命长。粉末冶金模具钢碳化物细小且分布均匀。碳化物类型能够被设计出来，形成更硬的碳化物VC。碳化物越硬，尺寸越小，分布越均匀，就越能提高模具寿命。
虽然粉末冶金模具钢得到越来越多的认可，但是通过客户服务发现，在使用粉末冶金材料时，仍遇到料想不到的失效实例。这些失效通常不是由材料的缺陷引起，而是与模具的加工有关。冲切这种冷作加工受许多因素的影响。所有参数的正确调整是非常重要的，以便模具获得可靠的性能。
模具钢材料
$ E# X6 s; d3 F% S( {/ p& B◆ 选择冷作模具钢的基本原则
在选择冷作钢时，首先考虑的两个基本机械性能是硬度与韧性。硬度（或强度）确保模具的切削刃口足以切下加工的材料，同时韧性保证模具在工作时不会发生崩角或开裂。理想状态是，高硬度和高韧性的结合。然而，由于冷作模具钢的高合金成分使得硬度增加时，韧性却急剧降低。
8 \; V% H: d6 r常规模具钢的制造方法是液态金属在钢锭模中冷却而导致严重的网状碳化物偏析。网状碳化物仅在随后的锻造或轧制过程中被打碎成较小的尺寸。这些加工使得在轧制方向和横向上的韧性产生更大变化，与粉末冶金钢相比，韧性也更低。
◆ 模具失效机制和模具磨损
冷作模常见的失效情况有：磨损、崩角、变形、开裂和咬合。
1 m) y$ U4 G, S# L/ r( P% r, p很容易理解在冲头和模具之间经过多次冲切后，冲头和模具的切削刃口会被倒圆，称为磨损。通常被冲切出的材料有多余毛刺，这是模具磨损的征兆。冲切实际上是一个低周疲劳过程，粗磨或者EDM加工过的模具会产生崩角问题，粗糙的表面意味着许多应力集中点，可能会是裂纹萌生的位置。
( T5 [- D3 e) [! Y6 ]( A) w如果模具硬度选择正确，模具的变形很少发生。模具的开裂通常是由于韧性较低。当冲切软的材料诸如铝或铜时，特别会发生粘模。害处是微量的软材料改变了冲头和模具之间的间隙，这样导致了表面拉毛。
( f6 {9 {8 ?$ I' b有两种磨损形式 ：粘着磨损和磨粒磨损。粘着磨损发生在加工软材料时，例如不锈钢或者铜。研究表明，粘着磨损是由于垂直冲切运动方向上产生许多微裂纹。
模具钢的加工
模具可通过磨、车、钻、线切割、研磨等手段来加工制造。在加工过程中表面附近的组织会改变。从冶金学观点来说，加工切割表面附近产生高密度位错，这样就形成了一层应力区。在随后的淬火过程中，加工表面趋于释放这些应力，因而导致模具产生大量的变形。为了使畸变降低到最小限度，在淬火前对加工过的模具进行去应力处理是一个好方法。
冷作模通常在硬化态下用线切割加工。有两种典型的线切割问题：1）线切割模具的表面太粗糙，不能得到可靠的模具寿命；2）在线切割时模具开裂。
众所周知，粗线切割会导致不稳定的模具寿命。用高电流进行粗线切割会产生可能含有裂纹的脆性重铸层。线切割表面通常有拉应力，使得模具寿命比预期的要短。
必需在比最终回火温度低大约20℃的温度进行去应力处理，释放拉应力。有时在去应力前推荐对线切割表面进行抛光。然而，由于几何形状复杂，精密设计零件有时有难以抛光。因此，推荐至少进行三次以上的线切割。通常要达到可靠、一致的模具寿命，需要进行七次线切割。
当对已淬火和回火过的较厚模具板材（>35mm）进行线切割时，主要问题之一是模具偶然会开裂。发现模具开裂通常与回火温度有关，高温回火（>500℃）对于降低淬硬模具的应力比较好。当模具从回火温度冷却时，高温回火也能使残余奥氏体转变成马氏体。对于线切割模具，尽可能少的残余奥氏体很重要，因为在线切割时由于局部高热量输入使得残余奥氏体转变成马氏体而引起开裂。
8 R# a- m  k7 N- E8 G( J6 f对于整体淬火的模具钢，淬火和回火后的应力状态为中心受压，表层受拉。如果在线切割时此应力状态被打乱，模具可能产生变形或者开裂。
文章关键词： 粉末冶金模具钢