模具材料的選用及性能優化分析

張忠純

摘 要：在現代工業生產中，模具作為最關鍵的基礎工藝裝備，其材料及制備技術是保證模具產品高質量、高壽命的關鍵所在。文章對模具材料的選用進行了介紹，并對如何提高模具材料的性能進行了分析。

關鍵詞：模具；材料選用；性能優化

1 模具材料的選用

模具材料的選用需要集合模具的具體生產條件和工作條件以及材料的性能等因素進行選擇。

1.1 模具的工作條件

不同的工作條件下，模具材料的選擇存在一定的差異，具體如下：

（1）在模具的工作過程中，對材料強度的要求隨著其所需承載能力發生變化，對材料韌性的要求則隨著其所受沖擊力發生變化。

（2）冷作模具在工作過程中，所受的沖擊力和摩擦力通常較大，因此對模具的強度、硬度及韌性等具有較高的要求，一般選用冷作模具鋼作為主要材料；熱作模具在工程中則主要受到高溫及熱應力的作用，因此，需要較好的抗疲勞性能和熱穩定性，一般結合實際工作溫度選擇合適的熱作模具鋼。

1.2 模具的結構因素

不同的模具結構對模具材料的要求也有一定差異，針對模具結構的差異，可以按照如下方法選用不同的材料：

（1）模具在熱處理加工過程中，受熱與冷卻速度的均勻性受到截面積的影響，當截面積越大時，均勻性越差。在這種條件下，需要選擇導熱性及淬透性較好的材料，從而保證截面性能的均勻性。

（2）當模具的形狀較為簡單時，容易加工成型，可以選擇低成本的碳素工具鋼作為主要材料；當模具形狀較為復雜時，部分位置容易產生集中應力，因此，需要選擇高性能合金材料，并配合合理的淬火方式進行加工。

（3）當模具的精度要求越高時，要求加工過程中的變形越小，因此，需要根據具體的加工精度選擇不同變形大小的模具材料。

1.3 模具的設計因素

在通常情況下，會將尺寸小、結構簡單的模具以整體結構進行設計，為了滿足整體結構模具型腔工作所需性能，一般會選擇性能較好的材料；而對于結構復雜的大型模具，由于材料的費用在模具制造的總成本中會占據較大的比例，因此，通常采用多部分結構進行拼接。模具本體主要是對整體結構進行支承，因此對性能要求不高，可以選擇成本相對較低的碳素鋼材料；而針對模具中對工作性能要求的關鍵部位，則應該選用高性能的材料。

2 模具材料性能優化方法

2.1 強韌化技術

為了使模具材料的性能充分發揮，通常采用熱處理技術來盡可能地增加板條馬氏體的相對數量，從而提升材料的強度和韌性。要想增加板條馬氏體組織的數量，需要結合實際材料的特性選擇合適的淬火溫度及冷卻速度，不同鋼種的特性差異較大，在進行熱處理工藝時難以進行精確控制。

下貝氏體形成于貝氏體轉變時的較低溫度范圍，而中、高碳鋼則為350℃～Ms之間[1]。鐵素體在下貝氏體中呈細小狀且均勻分布，在鐵素體內存在沉淀析出大量彌散的細小碳化物，具有較高的位錯密度。因此，下貝氏體具有極高的強度和韌性，同時還具有較好的機械性能，有效避免了板條馬氏體容易造成模具變形的缺點。為了提升模具材料的強韌度，需要以模具的使用要求及破壞特征為出發點，尤其需要注意馬氏體組織材料容易變形的問題，可以通過選用有下貝氏體組織的材料作為模具的主要制造材料。

2.2 表面強化技術

表面強化處理技術是提高模具材料性能的方法之一，通過利用表面工程技術對模具表面進行強化處理（包括改性和涂覆鍍層兩種方式），可以有效提高模具表面的性能，且不會對模具內部的性能產生任何影響。目前，常用的模具表面強化技術主要有化學熱處理方法、表面覆層及處理和表面淬火及加工強化三種方法。

熱作模具在工作過程中，由于基體硬度較小，在溫度急速變化過程中，模具材料存在較大的彈塑性變形，同時加上模具型腔深切結構復雜，表面強化層容易發生塌陷、過早產生熱疲勞、剝落等問題。針對這一問題，在對熱作模具表面進行強化處理時，應該避免對硬度的過分追求，而是需要同時提升模具的強度、韌性和耐熱強度，即可使模具材料在實際應用過程中具有較好的綜合性能。

2.3 復合強化技術

通過合金化、塑性變形以及熱處理等多種強化技術結合起來，可以更好地滿足模具材料在不同工況下對性能的需求。

（1）彌散強化。彌散強化是通過對合金第二相外加一些堅硬的細質點，并使這些細質點以細小彌散的形態均勻分布在基體中，從而實現強化的目的。在通常情況下，冷作模具可以通過合適的實效處理，來實現強化；而熱作模具則可以通過加入鈦、鋁等元素，利用微合金化，使過冷的奧氏體發生相間沉淀并由鐵素體中析出彌散碳化物，這些微粒可以避免合金發生錯位運動，從而使模具性能更加穩定。彌散強化對模具的工作溫度具有一定的要求，通常要求模具的工作溫度小于650℃，如果溫度過高，就會使彌散為例集聚長大的速度加快，材料的塑性變形抗性快速下降，強度也隨之下降。

（2）固溶強化。固溶強化主要是通過形成固溶體的方式提升材料的性能，其利用溶質原子與錯位的交互作用來達到強化材料的目的。當模具的工作溫度超高650℃時[2]，彌散強化的強化作用會出現大幅度降低，而固溶強化的效果與溫度有關，當溫度越高時，固溶強化的效果越明顯，因此，當彌散強化效果降低時，可以利用固溶強化機制保證模具材料的性能。

3 結束語

模具材料的具體選擇需要結合材料的化學成分、模具的性能要求、處理工藝等多個方面的因素。同時，還需要考慮材料的成本及加工難度等因素，確定合適的模具材料。另外，可以通過強化技術對模具材料的性能進行優化，以彌補材料在某些特定條件下或者某方面的性能缺陷，全面提升模具產品的質量水平，進一步推動整個裝備制造業的發展。

參考文獻

[1]趙昌盛.模具材料的選用與使用壽命[J].模具制造，2003（27）：52-54.

[2]張清.模具材料及其合理選擇[J].金屬加工（冷加工），2008（7）：47-49.