粉末冶金模具鋼？提高冷作模具壽命的優質鋼材

隨著工業的發展，對冷作模具沖壓的性能要求也越來越高。一個簡單沖切模具，具有20萬次的壽命也不再滿足低成本、高產量標準的要求。使用新開發的模具材料（例如粉末冶金模具鋼）能夠達到百萬次的模具壽命。從模具經濟性方面考慮，使用粉末冶金（PM）模具鋼大大降低了單件成本。盡管模具初始成本較高，但是延長模具壽命，減少停工時間，同樣讓使用者獲益。從冶金學觀點來看，根據特殊方法冶煉推出的粉末冶金模具鋼比常規工具鋼的壽命長。粉末冶金模具鋼碳化物細小且分布均勻。碳化物類型能夠被設計出來，形成更硬的碳化物VC。碳化物越硬，尺寸越小，分布越均勻，就越能提高模具壽命。

雖然粉末冶金模具鋼得到越來越多的認可，但是通過客戶服務發現，在使用粉末冶金材料時，仍遇到料想不到的失效實例。這些失效通常不是由材料的缺陷引起，而是與模具的加工有關。沖切這種冷作加工受許多因素的影響。所有參數的正確調整是非常重要的，以便模具獲得可靠的性能。

模具鋼材料

◆選擇冷作模具鋼的基本原則

在選擇冷作鋼時，首先考慮的兩個基本機械性能是硬度與韌性。硬度（或強度）確保模具的切削刃口足以切下加工的材料，同時韌性保證模具在工作時不會發生崩角或開裂。理想狀態是，高硬度和高韌性的結合。然而，由于冷作模具鋼的高合金成分使得硬度增加時，韌性卻急劇降低。

常規模具鋼的制造方法是液態金屬在鋼錠模中冷卻而導致嚴重的網狀碳化物偏析。網狀碳化物僅在隨后的鍛造或軋制過程中被打碎成較小的尺寸。這些加工使得在軋制方向和橫向上的韌性產生更大變化，與粉末冶金鋼相比，韌性也更低。

◆模具失效機制和模具磨損

冷作模常見的失效情況有：磨損、崩角、變形、開裂和咬合。

很容易理解在沖頭和模具之間經過多次沖切后，沖頭和模具的切削刃口會被倒圓，稱為磨損。通常被沖切出的材料有多余毛刺，這是模具磨損的征兆。沖切實際上是一個低周疲勞過程，粗磨或者EDM加工過的模具會產生崩角問題，粗糙的表面意味著許多應力集中點，可能會是裂紋萌生的位置。

如果模具硬度選擇正確，模具的變形很少發生。模具的開裂通常是由于韌性較低。當沖切軟的材料諸如鋁或銅時，特別會發生粘模。害處是微量的軟材料改變了沖頭和模具之間的間隙，這樣導致了表面拉毛。

有兩種磨損形式：粘著磨損和磨粒磨損。粘著磨損發生在加工軟材料時，例如不銹鋼或者銅。研究表明，粘著磨損是由于垂直沖切運動方向上產生許多微裂紋。

模具鋼的加工

模具可通過磨、車、鉆、線切割、研磨等手段來加工制造。在加工過程中表面附近的組織會改變。從冶金學觀點來說，加工切割表面附近產生高密度位錯，這樣就形成了一層應力區。在隨后的淬火過程中，加工表面趨于釋放這些應力，因而導致模具產生大量的變形。為了使畸變降低到最小限度，在淬火前對加工過的模具進行去應力處理是一個好方法。

冷作模通常在硬化態下用線切割加工。有兩種典型的線切割問題：1）線切割模具的表面太粗糙，不能得到可靠的模具壽命；2）在線切割時模具開裂。

眾所周知，粗線切割會導致不穩定的模具壽命。用高電流進行粗線切割會產生可能含有裂紋的脆性重鑄層。線切割表面通常有拉應力，使得模具壽命比預期的要短。

必需在比最終回火溫度低大約20℃的溫度進行去應力處理，釋放拉應力。有時在去應力前推薦對線切割表面進行拋光。然而，由于幾何形狀復雜，精密設計零件有時有難以拋光。因此，推薦至少進行三次以上的線切割。通常要達到可靠、一致的模具壽命，需要進行七次線切割。

當對已淬火和回火過的較厚模具板材（>35mm）進行線切割時，主要問題之一是模具偶然會開裂。發現模具開裂通常與回火溫度有關，高溫回火（>500℃）對于降低淬硬模具的應力比較好。當模具從回火溫度冷卻時，高溫回火也能使殘余奧氏體轉變成馬氏體。對于線切割模具，盡可能少的殘余奧氏體很重要，因為在線切割時由于局部高熱量輸入使得殘余奧氏體轉變成馬氏體而引起開裂。

對于整體淬火的模具鋼，淬火和回火后的應力狀態為中心受壓，表層受拉。如果在線切割時此應力狀態被打亂，模具可能產生變形或者開裂。