粉末冶金模具鋼--提高冷作模具壽命的優(yōu)質(zhì)鋼材

隨著工業(yè)的發(fā)展，對冷作模具沖壓的性能要求也越來越高。一個(gè)簡單沖切模具，具有20萬次的壽命也不再滿足低成本、高產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。使用新開發(fā)的模具材料（例如粉末冶金模具鋼）能夠達(dá)到百萬次的模具壽命。從模具經(jīng)濟(jì)性方面考慮，使用粉末冶金（PM）模具鋼大大降低了單件成本。盡管模具初始成本較高，但是延長模具壽命，減少停工時(shí)間，同樣讓使用者獲益。從冶金學(xué)觀點(diǎn)來看，根據(jù)特殊方法冶煉推出的粉末冶金模具鋼比常規(guī)工具鋼的壽命長。粉末冶金模具鋼碳化物細(xì)小且分布均勻。碳化物類型能夠被設(shè)計(jì)出來，形成更硬的碳化物VC。碳化物越硬，尺寸越小，分布越均勻，就越能提高模具壽命。

雖然粉末冶金模具鋼得到越來越多的認(rèn)可，但是通過客戶服務(wù)發(fā)現(xiàn)，在使用粉末冶金材料時(shí)，仍遇到料想不到的失效實(shí)例。這些失效通常不是由材料的缺陷引起，而是與模具的加工有關(guān)。如圖1所概括的，沖切這種冷作加工受許多因素的影響。所有參數(shù)的正確調(diào)整是非常重要的，以便模具獲得可靠的性能。

圖1：影響冷作鋼模具壽命的因素

模具鋼材料

◆ 選擇冷作模具鋼的基本原則

在選擇冷作鋼時(shí)，首先考慮的兩個(gè)基本機(jī)械性能是硬度與韌性。硬度（或強(qiáng)度）確保模具的切削刃口足以切下加工的材料，同時(shí)韌性保證模具在工作時(shí)不會發(fā)生崩角或開裂。理想狀態(tài)是，高硬度和高韌性的結(jié)合。然而，由于冷作模具鋼的高合金成分使得硬度增加時(shí)，韌性卻急劇降低。

表1列出了當(dāng)前瑞典銷售的冷作模具鋼的牌號和化學(xué)成分。Vanadis 4、ASP 23 和Vanadis l0都是粉末冶金高合金模具鋼。

表1 當(dāng)前瑞典銷售的冷作模具鋼的牌號和化學(xué)成分

圖2列出了粉末冶金鋼和常規(guī)模具鋼AISI O1，D2，D3的韌性比較?？梢钥吹?，與常規(guī)模具鋼相比，粉末冶金鋼在縱向和橫向的韌性變化很少。粉末冶金鋼顯示出比常規(guī)模具鋼更高的韌性，也預(yù)示著粉末冶金鋼能在更高的硬度下使用。

圖2：粉末冶金鋼與常規(guī)模具鋼的韌性比較

粉末冶金鋼具有更高的韌性和更好的各向同性性能的原因是其獨(dú)特的鋼材制作方法。粉末冶金模具鋼由金屬粉末制造，確保成型時(shí)碳化物分布均勻、細(xì)小、且大小均勻。圖3是Vanadis 4的顯微組織?？梢钥吹剿屑?xì)化的組織和小顆粒的碳化物。

圖3：VANADIS 4硬化態(tài)的顯微組織

常規(guī)模具鋼的制造方法是液態(tài)金屬在鋼錠模中冷卻而導(dǎo)致嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物偏析。網(wǎng)狀碳化物僅在隨后的鍛造或軋制過程中被打碎成較小的尺寸。這些加工使得在軋制方向和橫向上的韌性產(chǎn)生更大變化，與粉末冶金鋼相比，韌性也更低。

◆ 模具失效機(jī)制和模具磨損

冷作模常見的失效情況有：磨損、崩角、變形、開裂和咬合。

很容易理解在沖頭和模具之間經(jīng)過多次沖切后，沖頭和模具的切削刃口會被倒圓，稱為磨損。通常被沖切出的材料有多余毛刺，這是模具磨損的征兆。沖切實(shí)際上是一個(gè)低周疲勞過程，粗磨或者EDM加工過的模具會產(chǎn)生崩角問題，粗糙的表面意味著許多應(yīng)力集中點(diǎn)，可能會是裂紋萌生的位置。

如果模具硬度選擇正確，模具的變形很少發(fā)生。模具的開裂通常是由于韌性較低。當(dāng)沖切軟的材料諸如鋁或銅時(shí)，特別會發(fā)生粘模。害處是微量的軟材料改變了沖頭和模具之間的間隙，這樣導(dǎo)致了表面拉毛。

有兩種磨損形式 ：粘著磨損和磨粒磨損。粘著磨損發(fā)生在加工軟材料時(shí)，例如不銹鋼或者銅。研究表明，粘著磨損是由于垂直沖切運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生許多微裂紋。圖4a顯示了在沖切不銹鋼9萬次后沖頭（AISI D2）圓周部分的SEM照片。當(dāng)沖頭在循環(huán)載荷作用下發(fā)生低周疲勞，粘著磨損產(chǎn)生的微裂紋會進(jìn)一步發(fā)展成崩掉的微坑。圖4b顯示了一件（AISI D2類）模具沖切硬度為HRC46鋼帶后的磨損痕跡。從這張顯微照片可知，磨粒磨損引起沿模具運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生摩擦流線。

圖4
a： 粘著磨損的SEM顯微 b：磨粒磨損的SEM顯微

模具鋼的加工

模具可通過磨、車、鉆、線切割、研磨等手段來加工制造。在加工過程中表面附近的組織會改變。從冶金學(xué)觀點(diǎn)來說，加工切割表面附近產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，這樣就形成了一層應(yīng)力區(qū)。在隨后的淬火過程中，加工表面趨于釋放這些應(yīng)力，因而導(dǎo)致模具產(chǎn)生大量的變形。為了使畸變降低到更小限度，在淬火前對加工過的模具進(jìn)行去應(yīng)力處理是一個(gè)好方法。

冷作模通常在硬化態(tài)下用線切割加工。有兩種典型的線切割問題：1）線切割模具的表面太粗糙，不能得到可靠的模具壽命；2）在線切割時(shí)模具開裂。

眾所周知，粗線切割會導(dǎo)致不穩(wěn)定的模具壽命。用高電流進(jìn)行粗線切割會產(chǎn)生可能含有裂紋的脆性重鑄層。線切割表面通常有拉應(yīng)力，使得模具壽命比預(yù)期的要短。

必需在比更終回火溫度低大約20℃的溫度進(jìn)行去應(yīng)力處理，釋放拉應(yīng)力。有時(shí)在去應(yīng)力前推薦對線切割表面進(jìn)行拋光。然而，由于幾何形狀復(fù)雜，精密設(shè)計(jì)零件有時(shí)有難以拋光。因此，推薦至少進(jìn)行三次以上的線切割。通常要達(dá)到可靠、一致的模具壽命，需要進(jìn)行七次線切割。

當(dāng)對已淬火和回火過的較厚模具板材（>35mm）進(jìn)行線切割時(shí)，主要問題之一是模具偶然會開裂。發(fā)現(xiàn)模具開裂通常與回火溫度有關(guān)，高溫回火（>500℃）對于降低淬硬模具的應(yīng)力比較好。當(dāng)模具從回火溫度冷卻時(shí)，高溫回火也能使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。對于線切割模具，盡可能少的殘余奧氏體很重要，因?yàn)樵诰€切割時(shí)由于局部高熱量輸入使得殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體而引起開裂。

對于整體淬火的模具鋼，淬火和回火后的應(yīng)力狀態(tài)為中心受壓，表層受拉。如果在線切割時(shí)此應(yīng)力狀態(tài)被打亂，模具可能產(chǎn)生變形或者開裂。

圖5：七次線切割后的模具線切割截面（400X）

模具鋼的熱處理

冷作模具鋼以軟的退火態(tài)供應(yīng)。為了得到強(qiáng)度需要進(jìn)行淬火，為了得到好的顯微組織，應(yīng)控制淬火質(zhì)量。應(yīng)牢記顯微組織決定鋼的（物理、機(jī)械、化學(xué)）性能。通過熱處理得到好的顯微組織確保好的模具壽命。

◆ 模具鋼的淬火-熱處理循環(huán)

模具鋼的淬火包括模具組件的加熱和冷卻。在熱處理過程中，模具必須加熱到奧氏體化溫度（如AISI D2的奧氏體化溫度為1030℃），這樣模具鋼的基體組織從球化珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體。隨后快速冷卻（淬火），奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。理想狀態(tài)是，正確淬火的高合金冷作鋼應(yīng)該有碳化物強(qiáng)化的馬氏體基體組織。

奧氏體化過程中的保溫時(shí)間和溫度必須正確設(shè)定，不允許有增碳或脫碳。淬火介質(zhì)必須正確選擇，因?yàn)樘斓拇慊鹂赡軙?dǎo)致開裂。必須牢記當(dāng)淬火過程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，會增加4%以上的體積。

模具的失效經(jīng)常與錯(cuò)誤的或者不適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ㄓ嘘P(guān)。這里值得提到的一個(gè)失效案例是手表后殼的成型模具。模具經(jīng)常發(fā)生崩角。模具材料Calmax，是進(jìn)口 tooling AB的材料。此材料在57HRC的工作硬度具有高韌性?？梢钥吹?，模具表面有局部脫碳，是崩角產(chǎn)生的原因。

◆ 模具鋼的變形控制

模具鋼淬火后由于高溫過程會產(chǎn)生變形?？紤]到精密模具的應(yīng)用領(lǐng)域，變形應(yīng)該更小。如果使用不同的熱處理設(shè)備，產(chǎn)生的效果會大不一樣。要求更小變形的模具鋼，其淬火的一種趨勢是使用高壓淬火的真空爐。

變形控制的普遍原則是，盡可能慢的加熱零件以及盡可能慢的淬火，將熱沖擊減到更小。從顯微組織觀點(diǎn)來看，模具應(yīng)快速淬火以得到好的顯微組織。因此必須找到淬火冷卻速度快慢的平衡點(diǎn)。

在淬火精密模具時(shí)，要求在熱處理后模具的平整度不能改變。典型的平板尺寸是30×150×300mm。然而由于熱處理前模具上有預(yù)加工的細(xì)孔，在淬火以后模具呈現(xiàn)彎曲，一旦發(fā)生彎曲，應(yīng)進(jìn)行矯直。

實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，平板形狀的模具在鋼中軟的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)被矯直。牢記這條規(guī)則就是用兩種方法能夠避免平板模具的彎曲：一是淬火過程中模具從奧氏體溫度冷卻時(shí)，把模具放在夾具中。這種方法可在某種敞開式爐，如鹽浴爐中進(jìn)行。模具應(yīng)在有關(guān)材料的Ms點(diǎn)上溫度時(shí)放置在夾具中。

矯直的另一種方法是在回火時(shí)夾住已淬火的模具。重要的是選擇合適的溫度，當(dāng)冷卻時(shí)，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w或者馬氏體，在相變過程中，回火模具將受到夾具的輪廓限制而使彎曲被矯直。這種方法特別適用于ASP 23材料，因?yàn)樵诨鼗鹎八邢喈?dāng)高的殘余奧氏體量（在1170℃淬火時(shí)30%的殘余奧氏體量）。

◆ 表面處理

冷作模具鋼典型的表面擴(kuò)散處理為滲氮或者氮碳共滲。這種工藝中，氮（碳氮共滲中的碳）原子擴(kuò)散進(jìn)鋼的基體中，在鋼中與合金元素形成了氮化物。大多數(shù)合金元素如Cr，Mo，V等是強(qiáng)氮化物和碳化物形成元素。一定時(shí)間的處理后，形成了一層均勻分布的氮化層，這將延長模具壽命，因?yàn)樗懈叩挠捕炔⒔档湍Σ料禂?shù)。

工業(yè)上應(yīng)用已經(jīng)證明，通過PVD或者CVD處理的如TiN或者TiCN沉淀陶瓷，有延長模具壽命的作用，壽命增加約10倍。表面硬涂層的有效性依賴于涂層與基體的附著程度。用粉末冶金鋼作硬涂層的基體，達(dá)到了好的附著效果，這是因?yàn)樵诜勰┮苯痄撝械腗C類碳化物與TiN類涂層有一定的晶體親和力。

◆ 表面處理

冷作模具鋼典型的表面擴(kuò)散處理為滲氮或者氮碳共滲。這種工藝中，氮（碳氮共滲中的碳）原子擴(kuò)散進(jìn)鋼的基體中，在鋼中與合金元素形成了氮化物。大多數(shù)合金元素如Cr，Mo，V等是強(qiáng)氮化物和碳化物形成元素。一定p20跟s136價(jià)錢時(shí)間的處理后，形成了一層均勻分布的氮化層，這將延長模具壽命，因?yàn)樗懈叩挠捕炔⒔档湍Σ料禂?shù)。

工業(yè)上應(yīng)用已經(jīng)證明，通過PVD或者CVD處理的如TiN或者TiCN沉淀陶瓷，有延長模具壽命的作用，壽命增加約10倍。表面硬涂層的有效性依賴于涂層與基體的附著程度。用粉末冶金鋼作硬涂層的基體，達(dá)到了好的附著效果，這是因?yàn)樵诜勰┮苯痄撝械腗C類碳化物與TiN類涂層有一定的晶體親和力。