模具材料的選用及性能優(yōu)化分析

張忠純

摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具作為最關(guān)鍵的基礎(chǔ)工藝裝備，其材料及制備技術(shù)是保證模具產(chǎn)品高質(zhì)量、高壽命的關(guān)鍵所在。文章對(duì)模具材料的選用進(jìn)行了介紹，并對(duì)如何提高模具材料的性能進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：模具；材料選用；性能優(yōu)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(chǎn)條件和工作條件以及材料的性能等因素進(jìn)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(duì)材料強(qiáng)度的要求隨著其所需承載能力發(fā)生變化，對(duì)材料韌性的要求則隨著其所受沖擊力發(fā)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(duì)模具的強(qiáng)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(yīng)力的作用，因此，需要較好的抗疲勞性能和熱穩(wěn)定性，一般結(jié)合實(shí)際工作溫度選擇合適的熱作模具鋼。

1.2 模具的結(jié)構(gòu)因素

不同的模具結(jié)構(gòu)對(duì)模具材料的要求也有一定差異，針對(duì)模具結(jié)構(gòu)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(dāng)截面積越大時(shí)，均勻性越差。在這種條件下，需要選擇導(dǎo)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(dāng)模具的形狀較為簡(jiǎn)單時(shí)，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(dāng)模具形狀較為復(fù)雜時(shí)，部分位置容易產(chǎn)生集中應(yīng)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(jìn)行加工。

（3）當(dāng)模具的精度要求越高時(shí)，要求加工過程中的變形越小，因此，需要根據(jù)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(shè)計(jì)因素

在通常情況下，會(huì)將尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模具以整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了滿足整體結(jié)構(gòu)模具型腔工作所需性能，一般會(huì)選擇性能較好的材料；而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型模具，由于材料的費(fèi)用在模具制造的總成本中會(huì)占據(jù)較大的比例，因此，通常采用多部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼接。模具本體主要是對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行支承，因此對(duì)性能要求不高，可以選擇成本相對(duì)較低的碳素鋼材料；而針對(duì)模具中對(duì)工作性能要求的關(guān)鍵部位，則應(yīng)該選用高性能的材料。

2 模具材料性能優(yōu)化方法

2.1 強(qiáng)韌化技術(shù)

為了使模具材料的性能充分發(fā)揮，通常采用熱處理技術(shù)來盡可能地增加板條馬氏體的相對(duì)數(shù)量，從而提升材料的強(qiáng)度和韌性。要想增加板條馬氏體組織的數(shù)量，需要結(jié)合實(shí)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(jìn)行熱處理工藝時(shí)難以進(jìn)行精確控制。

下貝氏體形成于貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)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(xì)小狀且均勻分布，在鐵素體內(nèi)存在沉淀析出大量彌散的細(xì)小碳化物，具有較高的位錯(cuò)密度。因此，下貝氏體具有極高的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還具有較好的機(jī)械性能，有效避免了板條馬氏體容易造成模具變形的缺點(diǎn)。為了提升模具材料的強(qiáng)韌度，需要以模具的使用要求及破壞特征為出發(fā)點(diǎn)，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(qiáng)化技術(shù)

表面強(qiáng)化處理技術(shù)是提高模具材料性能的方法之一，通過利用表面工程技術(shù)對(duì)模具表面進(jìn)行強(qiáng)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(huì)對(duì)模具內(nèi)部的性能產(chǎn)生任何影響。目前，常用的模具表面強(qiáng)化技術(shù)主要有化學(xué)熱處理方法、表面覆層及處理和表面淬火及加工強(qiáng)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(shí)加上模具型腔深切結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面強(qiáng)化層容易發(fā)生塌陷、過早產(chǎn)生熱疲勞、剝落等問題。針對(duì)這一問題，在對(duì)熱作模具表面進(jìn)行強(qiáng)化處理時(shí)，應(yīng)該避免對(duì)硬度的過分追求，而是需要同時(shí)提升模具的強(qiáng)度、韌性和耐熱強(qiáng)度，即可使模具材料在實(shí)際應(yīng)用過程中具有較好的綜合性能。

2.3 復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)

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

（1）彌散強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化是通過對(duì)合金第二相外加一些堅(jiān)硬的細(xì)質(zhì)點(diǎn)，并使這些細(xì)質(zhì)點(diǎn)以細(xì)小彌散的形態(tài)均勻分布在基體中，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的目的。在通常情況下，冷作模具可以通過合適的實(shí)效處理，來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(fā)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(fā)生錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，從而使模具性能更加穩(wěn)定。彌散強(qiáng)化對(duì)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(huì)使彌散為例集聚長(zhǎng)大的速度加快，材料的塑性變形抗性快速下降，強(qiáng)度也隨之下降。

（2）固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)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(zhì)原子與錯(cuò)位的交互作用來達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。當(dāng)模具的工作溫度超高650℃時(shí)[2]，彌散強(qiáng)化的強(qiáng)化作用會(huì)出現(xiàn)大幅度降低，而固溶強(qiáng)化的效果與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度越高時(shí)，固溶強(qiáng)化的效果越明顯，因此，當(dāng)彌散強(qiáng)化效果降低時(shí)，可以利用固溶強(qiáng)化機(jī)制保證模具材料的性能。

3 結(jié)束語

模具材料的具體選擇需要結(jié)合材料的化學(xué)成分、模具的性能要求、處理工藝等多個(gè)方面的因素。同時(shí)，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(qiáng)化技術(shù)對(duì)模具材料的性能進(jìn)行優(yōu)化，以彌補(bǔ)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(chǎn)品的質(zhì)量水平，進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)裝備制造業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[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.