模具钢力学性能要求

模具材料的性能由模具材料的成分和热处理后的组织决定。 模具钢的基本组织是由马氏体基体和分布在基体上的碳化物和金属间化合物组成。

模具钢的性能应满足某种模具完成额定工作量的性能。 但由于各种模具的使用条件和额定工作量指标不同，因此对模具的性能要求也不同。 并且由于不同钢的化学成分和组织对各种性能的影响不同，即使是同一牌号的钢也不能同时获得各种性能的最佳值。 一般来说，某些属性的提升会导致其他属性的损失。 因此，模具工作者往往根据模具工况和工作定额要求，选择模具钢材和最佳加工工艺，以达到优化主要性能、尽量减少其他性能损失的目的。

各类模具钢的性能要求主要包括：硬度、强度、塑性和韧性等。

模具钢机械性能要求-硬度

硬度表征钢对变形和接触应力的抵抗力。 用于测量硬度的样品很容易制备。 车间和实验室一般都配有硬度计。 因此，硬度是一种易于测量的性质，硬度与强度之间也存在一定的关系。 通过硬度-强度换算关系可以得到材料的硬度值。 模具类别按硬度范围分类，如高硬度（52~60HRC）一般用于冷作模具，中硬度（40~52HRC）一般用于热作模具。

钢的硬度与其成分和结构密切相关。 通过热处理，可以获得大范围的硬度变化。

模具钢中除马氏体基体外，还存在其他硬度较高的相，如碳化物、金属间化合物等。表1给出了常见碳化物和合金相的硬度值。

表1 各相硬度值

相硬度 HV

铁氧体约100

马氏体：ωC 0.2% 约530

马氏体：ωC 0.4% 约560

马氏体：ωC 0.6% 约920

马氏体：ωC 0.8% 约980

渗碳体(Fe 3 C) 850～1100

氮化 1000∼3000

金属间化合物500

模具钢的硬度主要取决于马氏体中固溶碳量（或氮含量），而马氏体中碳含量又取决于奥氏体化温度和时间。 当温度和时间增加时，马氏体中的碳含量增加，马氏体硬度增加。 但如果淬火加热温度过高，奥氏体晶粒增大，淬火后残余奥氏体量增多，会导致硬度下降。 因此，为了选择最佳淬火温度，通常需要首先绘制钢的淬火温度-晶粒尺寸-硬度关系曲线。

马氏体中的碳含量在一定程度上与钢的合金化程度有关，特别是回火时。 随着回火温度升高，马氏体中的碳含量降低。 但当钢中合金含量增加时，由于分散的合金碳化物的析出和残余奥氏体向马氏体的转变，发生的二次硬化效应越明显，硬化峰越高。

常用的硬度测量方法有以下几种：

1、洛氏硬度（HR）是最常用的硬度测量方法。 测量简单、快速，可直接从表盘选择数值。 洛氏硬度常用的标度有HRC、HRA、HRB三种。 三种标度所用的压头、试验力及适用范围见表1-2。

表1-2 洛氏硬度测试规范

硬度符号 硬度头规格 试验力/L 适用范围

HRC 120° 金刚石锥体 1471 20∼70

HRA 120°金刚石锥体 588.4 20∼88

HRB φ1.588mm钢球 980.6 20∼100

2、布氏硬度（HB）采用淬火钢球作为硬度头，施加一定的试验力压在工件表面。 试验力撤去后，测量压痕直径，然后查表或计算得到相应的布氏硬度。 值HB。

布氏硬度试验主要用于测量退火、正火、调质模具钢的硬度。

3、维氏硬度（HV）所用压头是底面为方形的金刚石棱锥体。 圆锥体两个相对边之间的角度为136°。 硬度值等于试验力F与压痕表面积的比值。

这种方法可以测试任何金属材料的硬度，但最常用的是测量显微硬度，即金属内部不同结构的硬度。

三种硬度大致有如下关系：HRC≈1/10HB，HV≈HB（当

模具钢机械性能要求-强度

强度是指钢材在使用过程中抵抗变形和断裂的能力。 对于模具来说，是整个型材或各零件在使用过程中抵抗拉力、压力、弯曲力、扭转力或综合力的能力。

测量钢强度的常用方法是进行拉伸试验。 拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。 测试棒必须按照规定的标准制备。 拉伸过程中，将拉力F与伸长率ΔL的关系绘制在记录纸上，即所谓的拉伸试验。 通过分析拉伸曲线即可得到金属的强度指标。 通常还给出在压缩下运行的模具的压缩强度。

对于模具钢，特别是含碳量较高的冷作模具钢，由于塑性较差，一般不采用拉伸强度，而采用弯曲强度作为实用指标。 即使对于极脆的材料，弯曲试验也能反映一定程度的塑性。 而且，弯曲试验产生的应力状态与许多模具工作表面产生的应力状态非常相似，可以更准确地反映材料成分和组织因素对性能的影响。

拉伸曲线上有一个特殊点。 当拉力达到此点时，在不增加或减少拉力的情况下，测试棒将发生明显的伸长变形。 这种现象称为屈服。 此时的应力称为材料的屈服点。 当外力去除后，变形不能恢复到原来的状态。 这部分变形被保留，成为永久变形，称为塑性变形。 屈服点是衡量模具钢抗塑性变形能力的指标，也是最常用的强度指标。 要求模具材料具有较高的屈服强度。 如果模具发生塑性变形，模具加工的零件尺寸和形状就会发生变化，导致报废，模具就会失效。

模具钢力学性能要求——塑性

淬硬模具钢的塑性较差，特别是冷变形模具钢，在很小的塑性变形时就会发生脆性断裂。 衡量模具钢的塑性，通常用断后伸长率和断面收缩率两个指标来表示。

断裂伸长率是指拉伸试样断裂后长度增加的相对百分比，用δ表示。 断后伸长率δ值越大，钢材的塑性越好。 热作模具钢的塑性明显高于冷作模具钢。

断面收缩率是指拉伸试棒拉伸、变形、断裂后，断裂部分的截面与原截面的减少量之比，用ψ表示。 塑料材料破碎后有明显的颈缩现象，因此ψ值较大。 脆性材料断裂后，截面几乎不收缩，即不发生颈缩，ψ值很小，表明塑性较差。

模具钢力学性能要求-韧性

韧性是模具钢的重要性能指标。 韧性决定了材料在冲击试验力下抵抗断裂的能力。 材料的韧性越高，脆性断裂的风险越小，热疲劳强度越高。 冲击韧性试验对于测量模具的脆性断裂倾向具有重要意义。

冲击韧性是指冲击试样缺口横截面积上的冲击吸收功，而冲击吸收功是指规定形状和尺寸的试样在单次冲击试验力作用下断裂时吸收的能量。 冲击试验包括夏比U型缺口冲击试验（将试样开成U型缺口）、夏比V型缺口冲击试验（将试样开成V型缺口）和悬臂梁冲击试验。

影响冲击韧性的因素有很多。 不同材质的模具钢的冲击韧性差异很大。 即使是同一种材料，由于组织状态不同、晶粒尺寸不同、内应力状态不同，其冲击韧性也不同。 一般晶粒越粗，碳化物偏析（带状、网状等）越严重，马氏体组织等越粗大，会使钢变脆。 不同的温度有不同的冲击韧性。 一般来说，温度越高，冲击韧性值越高。 有些钢在室温下具有良好的韧性，但当温度降至-20~40℃时就会变成脆钢。

为了提高钢的韧性，必须采用合理的锻造和热处理工艺。 锻造时应尽可能打散碳化物，减少或消除碳化物偏析。 热处理和淬火时，应防止晶粒长大过大，冷却速度不宜过高，以防止产生内应力。 模具在使用前或使用过程中应采取一些措施减少内应力。

模具钢机械性能要求-特殊性能要求

由于模具种类较多，工况条件差异较大，模具的一般性能和配合要求也不同，某种模具的实际性能与样品在特定条件下测得的数据不一致。 因此，除了测量材料的一般性能外，还需要根据模拟的实际工况测量模具的使用特性，对模具的特殊性能提出要求，建立正确评价模具性能的体系。

热作模具必须在高温条件下进行硬度、强度和冲击韧性测试。 由于热作模具是在一定温度下使用的，当温度升高时，在室温下测得的性能数据会发生变化。 性能变化趋势和速率也有很大差异。 例如，虽然材料A在室温下比材料B具有更高的硬度，但随着温度升高，硬度显着下降。 达到一定温度后，硬度值会低于材料B。那么，当在较高温度的工况下要求具有高耐磨性时，不能选择材料A，而应选择材料B，其常温硬度值较低，但随温度升高而减慢，需选择。

热作模具除了腔室高温条件下所要求的硬度、强度、韧性外，还要求具有某些特殊性能。

模具钢力学性能要求-热稳定性

热稳定性代表钢在加热过程中保持稳定的金相组织和性能的能力。 通常，钢的热稳定性用回火保温4小时后硬度降至45HRC时的最高加热温度来表示。 该方法与材料的原始硬度有关。 有资料称，将达到预定强度水平的钢材加热并保温2小时，将硬度降低至一般热锻模失效硬度35HRC。 将最高加热温度设定为钢的稳定性指标。 对于因耐热性不足而塌陷失效的热作模具，可以根据热稳定性来预测模具的寿命。

模具钢力学性能要求——回火稳定性

回火稳定性是指材料的强度和硬度随着回火温度的升高而降低的程度。 也称为抗回火性或抗回火软化性。 通常用钢的回火温度-硬度曲线来表示。 硬度缓慢降低表明回火稳定性高或抗回火性高。 回火稳定性还与回火过程中的组织变化有关。 它和钢材的热稳定性共同表征钢材在高温下的组织稳定性和模具在高温下的变形抗力。

模具钢力学性能要求——抗热疲劳性能和断裂韧性

抗热疲劳性能代表材料在热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生后的扩展率。 热疲劳通常通过在20℃-750℃重复加热和冷却时出现裂纹的循环次数或通过测量一定循环次数后的裂纹长度来确定。 抗热疲劳性能高的材料不易产生热疲劳裂纹，或者当裂纹萌生时，其扩展量较小且缓慢。 断裂韧性表示对不稳定裂纹扩展的抵抗能力。 如果断裂韧性高，则裂纹不易不稳定扩展。

模具钢力学性能要求——高温耐磨、抗氧化

高温磨损是热作模具的主要失效模式之一。 一般情况下，大多数锤锻模和压力机模具都会因磨损而失效。 耐热耐磨性是对热作模具性能的要求，是多种高温力学性能的综合反映。 目前，国内已有单位在自制热磨损机上进行了模具热磨损试验，并取得了理想的试验结果。

实际使用表明，模具材料的抗氧化性能对模具的使用寿命影响很大。 因为氧化会加剧模具在运行过程中的磨损，导致模具型腔尺寸超差而报废。 氧化还会在模具表面产生腐蚀沟槽，成为热疲劳裂纹的根源，加剧模具内热疲劳裂纹的萌生和扩展。 因此，要求模具具有一定的抗氧化性能。

除常规机械性能外，常要求冷作模具钢具有以下性能：

耐磨、抗断裂、抗咬合和抗氧化能力。

模具钢的机械性能要求——耐磨性

冷作模具在使用时，成型的毛坯会沿着模具表面滑动和流动，在模具和毛坯之间产生很大的摩擦力。 这种摩擦力使模具表面受到剪切应力，在表面刻出凹凸不平的痕迹。 这些痕迹与毛坯不平整的表面交错，逐渐对模具表面造成机械损伤或磨损。 冷作模具，特别是正常失效的冷作模具，大多因磨损而报废。 因此，对冷作模具最基本的要求之一就是耐磨性。 一般条件下，材料的硬度越高，耐磨性越好。 然而，耐磨性也与软基体上存在的硬点的形状和分布密切相关。

冷作模具的磨损包括磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。

模具钢力学性能要求——抗断裂性能

除了常规的力学性能如冲击韧性、抗压强度、抗折强度等一次性断裂性能指标外，小能量多次冲击断裂性能更符合冷作模具的实际性能。 作为模具材料的性能指标，还包括压缩疲劳强度、接触疲劳强度等。这种抗疲劳断裂性能指标是用在一定循环应力下测得的断裂循环次数，或在一定次数下引起断裂的载荷来表征的。循环。 是否应将断裂韧性作为冷作模具材料的重要性能指标还有待研究和讨论。

模具钢力学性能要求——抗咬入性和抗软化性

抗咬合和抗软化能力分别表征模具的耐“冷焊”能力以及承受承载时因温升而产生的硬度和耐磨性。

综上所述，新型工模具钢TOOLOX是一种高强度钢，是迄今为止高韧性和高硬度的完美结合。 由于特殊的冶炼工艺和热处理技术，它是世界上最硬的工具钢。 工厂里几乎没有留下任何工具。 其应力和尺寸稳定性是目前其他钢材无法比拟的。 其机械性能也是全球唯一在保修期内得到钢厂保证的钢材，这显然体现了SSAB钢铁集团对钢材的信心。 由于其高强度、高韧性，具有抗热疲劳、高抛光性、高耐磨性等领先优势。 广泛应用于工具、机械配件、塑料、五金冲压、压铸、热锻、挤压等模具行业。 是延长模具寿命的理想选择。 完全颠覆常规应用理念，堪称万能钢！

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