模具材料选用、热处理与使用寿命

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1、我国现有模具生产厂点约17000余家，从业人员约50万人，年产值达200亿元左右；商品模具约占1／3，其余为自产自用。从模具市场看，处于供不应求的状态，特别是精密、大型、复杂、长寿命模具，缺口更大［1］。　　国内模具市场主要集中在汽车、摩托车、家电、电子产品、通讯设备和仪器仪表等行业。另外、通讯设备、PVC门窗和上下水管道及管接头、铝型材加工等都将成为模具的重要市场。　　面对如此巨大的模具市场，努力缩短模具的生产周期、提高模具的质量、延长模具的寿命直接和间接带来的社会效益和经济效益是难以估量的。模具的质量包括模具的精度、表面光洁度和模具寿命3个方面。模具

2、的精度和光洁度主要由机加工决定，而模具的寿命取决于设计、加工、材料、热处理和使用操作等多个因素，其中材料和热处理是影响模具使用寿命最重要的内在因素。　　本文拟从以下5个方面评述模具技术：　　（1）　影响模具使用寿命的基本因素；　　（2）　模具的服役条件、失效方式及对模具用钢的性能要求；　　（3）　模具钢力学性能指标的评述；　　（4）　模具钢的发展与选用；　　（5）　模具的热处理与工艺优化。1　影响模具使用寿命的基本因素［2］　　模具结构设计、模具材料、冷热加工工艺、热处理、研磨、机床的调整与操作、被加工材料的性质与状态、润滑条件及模具的服役环境是影响模具

3、使用寿命的八大基本因素。1.1　结构设计　　不合理的结构设计往往是造成模具早期失效和热处理变形开裂的重要因素。模具的结构设计应尽量避免尖锐的圆角和过大的截面变化。尖锐圆角引起的应力集中可高达平均计算应力的10多倍。当由于模具结构的要求，尖锐圆角不允许消除时，可将整体结构改成组合式或将圆角的加工放在最终热处理后进行。如内四方头螺栓，原设计用冷镦模镦制，使用寿命500件，在冲头圆角过渡应力集中部位折断；后来改进设计，加大圆角过渡部位的半径，由R＝0.127mm增大到0.381～0.5mm，寿命提高到12000～27000件，仍在圆角过渡处断裂失效；第二次改进

4、设计成组合式，寿命提高到100，000件，最终以磨损失效［3］。为防止热处理变形与开裂，截面尺寸力求均匀，形状力求对称而且简单，盲孔尽量开成通孔，必要时可开工艺孔，对于形状复杂易变形开裂的模具可改成组合式。1.2　模具材料与热处理　　模具材料对模具寿命的影响反映在模具材料的选择是否正确、材质是否良好和使用是否合理3个方面。选材时必须兼顾模具使用性能要求。对于冷冲模应主要考虑钢的强度、韧性和耐磨性。强度与韧性以及韧性与耐磨性之间往往此消彼长。当模具的主要失效方式是脆性开裂时可考虑选择强度较低但韧性更好的材料或制订合理的热处理工艺以改善钢的韧性，亦可根据实际

5、情况选择同时具有高强度与高韧性的高级合金钢。从兼顾韧性和耐磨性的角度除了整体合理选材外，亦可考虑在保证韧性的同时，采用合理的表面处理以改善模具的耐磨性。塑料模具钢选用时要兼顾其在塑料成形温度下的强度、耐磨性和耐蚀性，同时还应考虑其加工性能和镜面度。　　热处理不当是导致模具早期失效的重要因素。热处理对模具寿命的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处理质量不良两个方面。统计资料表明，由于选材和热处理不当，致使模具早期失效的约占70％。这个问题在第4节和第5节中另行讨论。1.3　冷热加工工艺　　锻造和机加工对模具寿命的影响，常常被人们忽略，不正确的锻造和机加

6、工往往成为导致模具早期失效的关键。以Cr12MoV钢为例，该钢是国内最常用的冷作模具钢之一，属于高碳高铬莱氏体钢，含有大量的一次和二次碳化物，偏析很大。因此，改善其碳化物分布状况成为提高模具寿命的重要环节。表1为碳化物级别对Cr12MoV钢力学性能的影响。表1　碳化物级别对Cr12MoV钢力学性能的影响［4］碳化物级别弯曲强度／MPa扭转强度／MPa冲击韧度／J.cm－2＜1．523453800～38153640～36573490～35023400～34143090～31012620～26362560～25692390～24022240～22532090

7、～210439．432．829．524．519．9　　共晶网状碳化物难以通过热处理消除，必须通过锻造使其细化并均匀化。国标中对网状碳化物级别要求较宽，实际使用中，需要重新改锻，使其达到≤2级的碳化物的要求。为此需要对钢坯从不同方向上进行多次镦粗和拉拔，并应按“二轻一重”法锻造。即坯料加热到1100～1150℃始锻时，要轻击，防止锻裂；在1000～1100℃温度区内要重击以保证击碎碳化物；在1000℃以下因钢料塑性降低要再度轻击，防止出现内裂纹，并确保最后形成的碳化物排列方向垂直于模具的工作面，终锻温度850～900℃。锻造比一般控制在2～2.5。利用锻后

8、余热淬火，低温回火，可获得隐针马氏体加细小弥散分布的碳化物和少量残留奥氏体，可大