5種常見切邊刀口模具鋼性能對(duì)比

2020-09-07

　　隨著環(huán)境和能源問題的日益突出以及對(duì)安全的關(guān)注，高強(qiáng)度鋼零件得到越來越多的應(yīng)用，高強(qiáng)鋼板冷加工時(shí)變形抗力大，所需要的壓力也大，還會(huì)受一定程度的沖擊載荷，對(duì)冷作模具強(qiáng)度、耐磨性、韌性等性能要求更高。

　　1500MPa超高強(qiáng)度零件的切邊沖孔是各國(guó)的難題，切邊沖孔的效率仍有很大的提升空間。日本和瑞典的高速粉末鋼SKH-9和ASP60雖然適合高難度的切邊工藝，但在耐磨性和韌性還有待提升，而且高速粉末鋼的價(jià)格昂貴，制約其在切邊沖孔刀具上的使用。

　　目前各國(guó)主要采用以下2種方法提高模具鋼的性能：①優(yōu)化模具鋼的成分和開發(fā)新鋼種；②改進(jìn)模具鋼的生產(chǎn)流程和工藝控制技術(shù)。

　　現(xiàn)以5種常用冷作模具鋼（Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD）為研究對(duì)象，通過對(duì)其成分、性能、組織進(jìn)行分析，綜合對(duì)比考慮強(qiáng)韌性、耐磨性、價(jià)格等因素，選取很合適的切邊沖孔模具材料，為研究高性價(jià)比切邊沖孔所需模具刀口的模具鋼材料提供指導(dǎo)。

　　1 試驗(yàn)材料及方法

　　試驗(yàn)中硬度測(cè)量使用型號(hào)為HB-3000、69-1布洛維氏硬度計(jì)，分別按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T231金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》和《GB/T230金屬洛氏硬度試驗(yàn)方法》測(cè)試。將退火態(tài)試樣鑲嵌、磨制、拋光后用新配制的體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用NikonMA100型倒置式光學(xué)顯微鏡（OM）對(duì)試樣中間位置進(jìn)行組織形貌觀察及圖像采集。

　　回火態(tài)的沖擊試樣尺寸：10mm×10mm×55mm，無缺口，參照《GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》檢測(cè)，沖擊試驗(yàn)機(jī)為JB-50B型沖擊試驗(yàn)機(jī)（沖擊能量為500J），試驗(yàn)溫度為室溫。

　　磨損試驗(yàn)采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)儀，試驗(yàn)在常溫狀態(tài)下進(jìn)行無潤(rùn)滑摩擦，試樣尺寸為？20mm×3mm的圓片。工作時(shí)，試驗(yàn)儀在載荷磨球的作用下用電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平面試樣運(yùn)轉(zhuǎn)，磨球?yàn)镾iC鋼球，直徑？5mm。60N載荷無潤(rùn)滑磨損時(shí)間為1h，速度為477r/min。磨損后使用白光干涉儀觀察磨損形貌及計(jì)算磨損體積。

　　2 成分分析

　　使用PMI-MASTER型直讀光譜儀測(cè)量5 種鋼的化學(xué)成分，如表1所示。

使用PMI-MASTER型直讀光譜儀測(cè)量5 種鋼的化學(xué)成分

　　3 冶金質(zhì)量分析

　　對(duì)5種材料進(jìn)行對(duì)比分析，主要包括退火態(tài)硬度及金相、化學(xué)成分、非金屬夾雜物評(píng)級(jí)與共晶碳化物評(píng)級(jí)。5種鋼的退火態(tài)硬度值如表2所示，根據(jù)高品質(zhì)鍛制冷作模具鋼聯(lián)盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（LB-C3-2016），Caldie、Cr12MoV和DC53滿足要求，ASP60和LD的退火態(tài)硬度偏高。冷作模具鋼一般在退火態(tài)進(jìn)行機(jī)械加工，退火態(tài)硬度較低便于成形加工。

　　根據(jù)《GB/T14979-94共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》，評(píng)級(jí)圖片對(duì)比第四評(píng)級(jí)圖（適用于熱軋、鍛制及冷拉合金工具鋼鋼材）。通過與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖的比對(duì)，得出5種鋼的共晶碳化物不均勻度如表3所示。

5種鋼共晶碳化物不均勻度

　　根據(jù)《GB/T10561-2005/ISO4967：1998鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，將退火態(tài)的金相照片與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)每類夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，并與高品質(zhì)鍛制冷作模具鋼聯(lián)盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（LB-C3-2016）對(duì)比，評(píng)級(jí)結(jié)果如表4所示。

5種鋼的夾雜物評(píng)級(jí)

　　性能分析4冷作模具鋼在工作時(shí)承受巨大的壓應(yīng)力、彎曲力、沖擊力及摩擦力，因此主要的失效形式為開裂、崩刃和磨損。模具零件工作時(shí)承受連續(xù)、高強(qiáng)度的沖擊力，且由于形狀復(fù)雜、易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致開裂，需要具備較高的強(qiáng)韌性。模具零件形狀及機(jī)加工工藝復(fù)雜、造價(jià)高，工作時(shí)摩擦力和摩擦面積大而導(dǎo)致磨損較大，因此修模困難，需要具備更高的耐磨性。

　　01 強(qiáng)韌性

　　對(duì)5種鋼的回火態(tài)硬度及沖擊韌性進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)比分析，回火態(tài)的硬度及沖擊能量數(shù)值如表5所示。

對(duì)5種鋼的回火態(tài)硬度及沖擊韌性進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)比分析

5種鋼的硬度與沖擊能量

　　圖4 5種鋼的硬度與沖擊能量

　　由表5和圖4可看出，Caldie、Cr12MoV、ASP60和DC53的硬度較高，但Cr12MoV、ASP60、DC53和LD的沖擊能量較低。Caldie在保持硬度較高的同時(shí)具有很高的沖擊能量，故Caldie具有很優(yōu)的強(qiáng)韌性，能更好地滿足切邊沖孔的工作要求。

　　02 耐磨性

　　冷作模具鋼在工作時(shí)受到較大的應(yīng)力與摩擦力，要求其在摩擦下仍保持尺寸精度，故必須具有高的耐磨性以提高模具使用壽命。而模具鋼在工作過程中的磨損比較復(fù)雜。材料的硬度越高，抵抗接觸變形的能力越強(qiáng)，材料的耐磨性也越好。但硬度不是的影響因素，因此有必要進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試。

Caldie耐磨性分析

（a）Caldie

Cr12MoV耐磨性分析

（b）Cr12MoV

ASP60耐磨性分析

（c）ASP60

DC53耐磨性分析

（d）DC53

LD耐磨性分析

（e）LD

　　圖5 磨損形貌

　　采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)儀對(duì)Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53、LD的耐磨性能進(jìn)行檢測(cè)，其磨損形貌分別如圖5所示。通過白光干涉儀測(cè)量計(jì)算，Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD的磨損體積分別為0.2427、0.2454、0.1378、0.2577、0.2334mm3。ASP60由于粉末冶金工藝制造，耐磨性能優(yōu)異，其余4種鋼的耐磨性能相當(dāng)。

　　通過對(duì)5種常用冷作模具鋼（Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD）進(jìn)行成分、性能和組織對(duì)比分析，得到了以下結(jié)論：①通過對(duì)冶金質(zhì)量的對(duì)比分析，Caldie的純凈度很優(yōu)，冶金質(zhì)量很好；②ASP60耐磨性能很優(yōu)，其余4種的耐磨性能相當(dāng)；③綜合考慮性能和性價(jià)比，Caldie為合適的高性價(jià)比切邊沖孔所需模具刀口的模具鋼材料。