模具鋼的性能要求

模具在使用過程中經(jīng)常受到強(qiáng)度不同的壓力或者彎曲作用，這就對模具鋼的性能有一定的要求。

1. 韌性

模具在工作過程中承受著沖擊載荷。為了減少在使用過程中的折斷、崩刃等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。

鋼的韌性、強(qiáng)度和耐磨性往往是相互矛盾的。模具鋼的化學(xué)成分、晶粒度、純凈度、碳化物和夾雜物等的數(shù)量、形貌、尺寸大小及分布情況，以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素都對鋼的韌性帶來很大的影響。

鋼的純凈度和熱加工變形情況對于其橫向韌性的影響更為明顯。要合理地選擇鋼的化學(xué)成分并且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，以使模具材料的耐磨性、強(qiáng)度和韌性達(dá)到最佳的配合。

沖擊韌性系表特征材料在一次沖擊過程中試樣在整個斷裂過程中吸收的總能量。但是很多工具是在不同工作條件下疲勞斷裂的。因此，常規(guī)的沖擊韌性不能全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次沖擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽命等試驗(yàn)技術(shù)正在被采用。

2. 耐磨性

要保持模具鋼的耐磨性，既要保持模具鋼具有高的硬度，又要保證鋼中碳化物或其他硬化相的組成、形貌和分布比較合理。

重載、高速磨損條件下服役的模具，要求模具鋼表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜。要保持潤滑作用，減少模具和工件之間產(chǎn)生粘咬、焊合等熔融磨損，又能減少模具表面進(jìn)行氧化造成氧化磨損。所以模具的工作條件對鋼的磨損有較大的影響。

決定模具使用壽命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。在工作過程中，模具需要承受相當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力，這就要求模具能夠在強(qiáng)烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨損主要是機(jī)械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類型。

耐磨性可用模擬的試驗(yàn)方法，測出相對的耐磨指數(shù)，作為表征不同化學(xué)成分及組織狀態(tài)下的耐磨性水平的參數(shù)，以呈現(xiàn)規(guī)定毛刺高度前的壽命，反映各種鋼種的耐磨水平。

3. 強(qiáng)度性能

硬度

硬度是模具鋼的主要技術(shù)指標(biāo)，模具在高應(yīng)力的作用下欲保持其形狀尺寸不變，必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般硬度保持在HRC60左右，熱作模具鋼根據(jù)其工作條件，一般要求保持在HRC40~55范圍。對于同一鋼種而言，在一定的硬度值范圍內(nèi)，硬度與變形抗力成正比。但具有同一硬度值而成分及組織不同的鋼種之間，其塑性變形抗力可能有明顯的差別。

紅硬性

在高溫狀態(tài)下工作的熱作模具，要求保持其組織和性能的穩(wěn)定，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱為紅硬性。碳素工具鋼、低合金工具鋼通常能在180~250℃的溫度范圍內(nèi)保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃的溫度范圍內(nèi)保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學(xué)成分和熱處理工藝。

抗壓屈服強(qiáng)度和抗壓彎曲強(qiáng)度

模具材料應(yīng)具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，因?yàn)槟＞咴谑褂眠^程中經(jīng)常受到強(qiáng)度較高的壓力和彎曲的作用。

在很多情況下，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和抗彎試驗(yàn)的條件接近于模具的實(shí)際工作條件（例如，所測得的模具鋼的抗壓屈服強(qiáng)度與沖頭工作時所表現(xiàn)出來的變形抗力較為吻合）?？箯澰囼?yàn)的另一個優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變量的絕對值大，能較靈敏地反映出不同鋼種之間以及在不同熱處理和組織狀態(tài)下變形抗力的差別。

4. 咬合抗力

咬合抗力實(shí)際就是發(fā)生“冷焊"時的抵抗力，該性能對于模具材料來說較為重要。試驗(yàn)時通常在干摩擦條件下，把被試驗(yàn)的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料（如奧氏體鋼）進(jìn)行恒速對偶摩擦運(yùn)動，以一定的速度逐漸增大載荷。此時，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，該載荷稱為“咬合臨界載荷"，臨界載荷愈高，標(biāo)志著咬合抗力愈強(qiáng)。

5. 抗熱疲勞能力

熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化之外，還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用。因此，評價熱作模具鋼的斷裂抗力應(yīng)重視材料的熱機(jī)械疲勞斷裂性能。熱機(jī)械疲勞是一種綜合性能的指標(biāo)，它包括熱疲勞性能、機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性三個方面。

熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命，抗熱疲勞性能高的材料，萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)次數(shù)較多。機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率反映材料在熱疲勞裂紋萌生之后，在鍛壓力的作用下裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展時，每一應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展量。斷裂韌性反映材料對已存在的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的抗力。斷裂韌性高的材料，其中的裂紋如要發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，必須在裂紋具有足夠高的應(yīng)力強(qiáng)度因子，也就是必須有較大的裂紋長度。

在應(yīng)力恒定的前提下，在一種模具中已經(jīng)存在一條疲勞裂紋，如果模具材料的斷裂韌性值較高，則裂紋必須擴(kuò)展得更深，才能發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。

也就是說，抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命。而裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性，可以決定當(dāng)裂紋萌生后發(fā)生亞臨界擴(kuò)展的那部分壽命。因此，熱作模具如要獲得高的壽命，模具材料應(yīng)具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴(kuò)展速率和高的斷裂韌性值。

抗熱疲勞性能的指標(biāo)可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)數(shù)，也可以用經(jīng)過一定的熱循環(huán)后所出現(xiàn)的疲勞裂紋的條數(shù)及平均的深度或長度來衡量。