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浅析模具钢的强度性能、抗热疲劳能力及咬合抗力

日期: 2022-04-18
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1、强度性能


(1)硬度


硬度是模具钢的主要技术指标,模具在高应力的作用下欲保持其形状尺寸不变,必须具有足够高的硬度。冷作模具钢在室温条件下一般硬度保持在HRC60左右,热作模具钢根据其工作条件,一般要求保持在HRC40~55范围。


对于同一钢种而言,在一定的硬度值范围内,硬度与变形抗力成正比;但具有同一硬度值而成分及组织不同的钢种之间,其塑性变形抗力可能有明显的差别。

浅析模具钢的强度性能、抗热疲劳能力及咬合抗力

(2)红硬性


在高温状态下工作的热作模具,要求保持其组织和性能的稳定,从而保持足够高的硬度,这种性能称为红硬性。


碳素工具钢、低合金工具钢通常能在180~250℃的温度范围内保持这种性能,铬钼热作模具钢一般在550~600℃的温度范围内保持这种性能。钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理工艺。


(3)抗压屈服强度和抗压弯曲强度


模具在使用过程中经常受到强度较高的压力和弯曲的作用,因此要求模具材料应具有一定的抗压强度和抗弯强度。


在很多情况下,进行抗压试验和抗弯试验的条件接近于模具的实际工作条件(例如,所测得的模具钢的抗压屈服强度与冲头工作时所表现出来的变形抗力较为吻合)。


抗弯试验的另一个优点是应变量的**值大,能较灵敏地反映出不同钢种之间以及在不同热处理和组织状态下变形抗力的差别。

浅析模具钢的强度性能、抗热疲劳能力及咬合抗力

2、韧性


在工作过程中,模具承受着冲击载荷,为了减少在使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏,要求模具钢具有一定的韧性。


模具钢的化学成分,晶粒度,纯净度,碳化物和夹杂物等的数量、形貌、尺寸大小及分布情况,以及模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素都对钢的韧性带来很大的影响。特别是钢的纯净度和热加工变形情况对于其横向韧性的影响更为明显。


钢的韧性、强度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此,要合理地选择钢的化学成分并且采用合理的精炼、热加工和热处理工艺,以使模具材料的耐磨性、强度和韧性达到**佳的配合。


冲击韧性系表特征材料在一次冲击过程中试样在整个断裂过程中吸收的总能量。但是很多工具是在不同工作条件下疲劳断裂的,因此,常规的冲击韧性不能全面地反映模具钢的断裂性能。小能量多次冲击断裂功或多次断裂寿命和疲劳寿命等试验技术正在被采用。


3、耐磨性


决定模具使用寿命**重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力,要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨损主要是机械磨损、氧化磨损和熔融磨损三种类型。


为了改善模具钢的耐磨性,就要既保持模具钢具有高的硬度,又要保证钢中碳化物或其他硬化相的组成、形貌和分布比较合理。

浅析模具钢的强度性能、抗热疲劳能力及咬合抗力

对于重载、高速磨损条件下服役的模具,要求模具钢表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜,保持润滑作用,减少模具和工件之间产生粘咬、焊合等熔融磨损,又能减少模具表面进行氧化造成氧化磨损。所以模具的工作条件对钢的磨损有较大的影响。


耐磨性可用模拟的试验方法,测出相对的耐磨指数,作为表征不同化学成分及组织状态下的耐磨性水平的参数。以呈现规定毛刺高度前的寿命,反映各种钢种的耐磨水平;试验是以Cr12MoV钢为基准进行对比。


4、抗热疲劳能力


热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外,还受到高温及周期性的急冷急热的作用,因此,评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标,它包括热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。


热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命,抗热疲劳性能高的材料,萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多;机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后,在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时,每一应力循环的扩展量;断裂韧性反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。


断裂韧性高的材料,其中的裂纹如要发生失稳扩展,必须在裂纹尖端具有足够高的应力强度因子,也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下,在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹,如果模具材料的断裂韧性值较高,则裂纹必须扩展得更深,才能发生失稳扩展。


也就是说,抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的那部分寿命;而裂纹扩展速率和断裂韧性,可以决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。因此,热作模具如要获得高的寿命,模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。


抗热疲劳性能的指标可以用萌生热疲劳裂纹的热循环数,也可以用经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均的深度或长度来衡量。


5、咬合抗力


咬合抗力实际就是发生“冷焊”时的抵抗力。该性能对于模具材料较为重要。


试验时通常在干摩擦条件下,把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料(如奥氏体钢)进行恒速对偶摩擦运动,以一定的速度逐渐增大载荷,此时,转矩也相应增大,该载荷称为“咬合临界载荷”,临界载荷愈高,标志着咬合抗力愈强。


常用模具钢材质成分,模具钢是什么材质?

浅析模具钢的强度性能、抗热疲劳能力及咬合抗力


模具钢是什么材质?


模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。


模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本,而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外,主要受模具材料和热处理的影响。


模具钢有些什么材料?


1、国内市场常用的模具钢材有:


420SS耐蚀塑料模具钢,美国AISI和ASTM标准钢号。近似钢号:中国4Cr13(GB),德国X38C13(DIN),法国Z40C40(NF),俄罗斯40X13(I'OCT)。


440C耐蚀塑料模具钢,美国AISI和ASTM标准钢号。近似钢号:中国11Cr17(GB),日本SUS440C(JIS),俄罗斯95X18(I'OCT)。


P20预硬化塑料模具钢,美国AISI和ASTM标准钢号。已纳入我国国标(见GB/T 1299-2000,3Cr2Mo),预硬化硬度一般在30~32 HRC范围内,适于制作形状复杂的大、中型精密塑料模具。近似钢号:中国3Cr2Mo(GB),德国1.2330(W-Nr),法国35 CrMo8(NF)等。


2、国内市场常用的日本塑料模具钢


G-STAR耐蚀塑料模具钢,日本大同特殊钢(株)的厂家牌号。该钢可预硬化,出厂硬度33~37 HRC,具有良好的耐蚀性、切削加工性,可与S-STAR钢组合成耐蚀塑料模具。


NAK55/NAK80镜面塑料模具钢,日本大同特殊钢(株)的厂家牌号。这两种钢均可预硬化至硬度37~43 HRC,NAK55的切削加工性能好,NAK80具有优良的镜面抛光性能,用于制作高精度镜面塑料模具。


PXZ预硬化塑料模具钢,日本大同特殊钢(株)的厂家牌号。该钢的出厂硬度27~34 HRC。该钢具有良好的切削加工性能和焊补性能,用于制作大型蚀花模具及汽车保险杠、仪表面饰板、家电外壳等塑料模具。


PX4/PX5镜面塑料模具钢,日本大同特殊钢(株)的厂家牌号。该钢的可预硬化至硬度30~33 HRC。这两种钢均为美国P20改良型,用于制作大型镜面塑料模具及汽车尾灯、前挡板模具,摄像机、家用电器壳体模具等。


S45 C/S50C/S55 C普通塑料模具钢。日本JIS标准钢号,分别近似于我国优质碳素结构钢45、50、55,常用于模具的非重要部件,如模架等。


由于模具用钢的特殊要求,对这类钢生产工艺要求精料、精炼和真空脱气,钢的碳含量范围缩小,控制较低的硫、磷含量,例如在YB/T 107-1997中将碳素塑料模具钢钢号采用SM45、SM48、SM50、SM53和SM55等,以区别于普通用途的优质碳素结构钢。


S-STAR耐蚀镜面塑料模具钢,日本大同特殊钢(株)的厂家牌号。该钢属于马氏体型不锈钢,具有高耐蚀性、高镜面抛光性、热处理变形小,用于制作耐蚀镜面精密塑料模具。


3、国内市场常用的德国塑料模具钢


GS-083、GS-083ESR、GS-083VAR、GS-083H、GS-083M、GS-128H、GS-162、GS-312、GS-316、GS-316ESR、GS-316S、GS-318、GS-343EFS、GS-343ESR、GS-3615、GS-379、GS-711、GS-738、GS-767、GS-808VAR、GSW-2083等。

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