粉末冶金模具钢--提高冷作模具寿命的优质钢材

随着工业的发展，对冷作模具冲压的性能要求也越来越高。一个简单冲切模具，具有20万次的寿命也不再满足低成本、高产量标准的要求。使用新开发的模具材料（例如粉末冶金模具钢）能够达到百万次的模具寿命。从模具经济性方面考虑，使用粉末冶金（PM）模具钢大大降低了单件成本。尽管模具初始成本较高，但是延长模具寿命，减少停工时间，同样让使用者获益。从冶金学观点来看，根据特殊方法冶炼推出的粉末冶金模具钢比常规工具钢的寿命长。粉末冶金模具钢碳化物细小且分布均匀。碳化物类型能够被设计出来，形成更硬的碳化物VC。碳化物越硬，尺寸越小，分布越均匀，就越能提高模具寿命。

虽然粉末冶金模具钢得到越来越多的认可，但是通过客户服务发现，在使用粉末冶金材料时，仍遇到料想不到的失效实例。这些失效通常不是由材料的缺陷引起，而是与模具的加工有关。如图1所概括的，冲切这种冷作加工受许多因素的影响。所有参数的正确调整是非常重要的，以便模具获得可靠的性能。

图1：影响冷作钢模具寿命的因素

模具钢材料

◆ 选择冷作模具钢的基本原则

在选择冷作钢时，首先考虑的两个基本机械性能是硬度与韧性。硬度（或强度）确保模具的切削刃口足以切下加工的材料，同时韧性保证模具在工作时不会发生崩角或开裂。理想状态是，高硬度和高韧性的结合。然而，由于冷作模具钢的高合金成分使得硬度增加时，韧性却急剧降低。

表1列出了当前ASSAB销售的冷作模具钢的牌号和化学成分。Vanadis 4、ASP 23 和Vanadis l0都是粉末冶金高合金模具钢。

表1 当前ASSAB销售的冷作模具钢的牌号和化学成分

图2列出了粉末冶金钢和常规模具钢AISI O1，D2，D3的韧性比较。可以看到，与常规模具钢相比，粉末冶金钢在纵向和横向的韧性变化很少。粉末冶金钢显示出比常规模具钢更高的韧性，也预示着粉末冶金钢能在更高的硬度下使用。

图2：粉末冶金钢与常规模具钢的韧性比较

粉末冶金钢具有更高的韧性和更好的各向同性性能的原因是其独特的钢材制作方法。粉末冶金模具钢由金属粉末制造，确保成型时碳化物分布均匀、细小、且大小均匀。图3是Vanadis 4的显微组织。可以看到它有细化的组织和小颗粒的碳化物。

图3：VANADIS 4硬化态的显微组织

常规模具钢的制造方法是液态金属在钢锭模中冷却而导致严重的网状碳化物偏析。网状碳化物仅在随后的锻造或轧制过程中被打碎成较小的尺寸。这些加工使得在轧制方向和横向上的韧性产生更大变化，与粉末冶金钢相比，韧性也更低。

◆ 模具失效机制和模具磨损

冷作模常见的失效情况有：磨损、崩角、变形、开裂和咬合。

很容易理解在冲头和模具之间经过多次冲切后，冲头和模具的切削刃口会被倒圆，称为磨损。通常被冲切出的材料有多余毛刺，这是模具磨损的征兆。冲切实际上是一个低周疲劳过程，粗磨或者EDM加工过的模具会产生崩角问题，粗糙的表面意味着许多应力集中点，可能会是裂纹萌生的位置。

如果模具硬度选择正确，模具的变形很少发生。模具的开裂通常是由于韧性较低。当冲切软的材料诸如铝或铜时，特别会发生粘模。害处是微量的软材料改变了冲头和模具之间的间隙，这样导致了表面拉毛。

有两种磨损形式 ：粘着磨损和磨粒磨损。粘着磨损发生在加工软材料时，例如不锈钢或者铜。研究表明，粘着磨损是由于垂直冲切运动方向上产生许多微裂纹。图4a显示了在冲切不锈钢9万次后冲头（AISI D2）圆周部分的SEM照片。当冲头在循环载荷作用下发生低周疲劳，粘着磨损产生的微裂纹会进一步发展成崩掉的微坑。图4b显示了一件（AISI D2类）模具冲切硬度为HRC46钢带后的磨损痕迹。从这张显微照片可知，磨粒磨损引起沿模具运动方向产生摩擦流线。

图4
a： 粘着磨损的SEM显微 b：磨粒磨损的SEM显微

模具钢的加工

模具可通过磨、车、钻、线切割、研磨等手段来加工制造。在加工过程中表面附近的组织会改变。从冶金学观点来说，加工切割表面附近产生高密度位错，这样就形成了一层应力区。在随后的淬火过程中，加工表面趋于释放这些应力，因而导致模具产生大量的变形。为了使畸变降低到最小限度，在淬火前对加工过的模具进行去应力处理是一个好方法。

冷作模通常在硬化态下用线切割加工。有两种典型的线切割问题：1）线切割模具的表面太粗糙，不能得到可靠的模具寿命；2）在线切割时模具开裂。

众所周知，粗线切割会导致不稳定的模具寿命。用高电流进行粗线切割会产生可能含有裂纹的脆性重铸层。线切割表面通常有拉应力，使得模具寿命比预期的要短。

必需在比最终回火温度低大约20℃的温度进行去应力处理，释放拉应力。有时在去应力前推荐对线切割表面进行抛光。然而，由于几何形状复杂，精密设计零件有时有难以抛光。因此，推荐至少进行三次以上的线切割。通常要达到可靠、一致的模具寿命，需要进行七次线切割。

当对已淬火和回火过的较厚模具板材（>35mm）进行线切割时，主要问题之一是模具偶然会开裂。发现模具开裂通常与回火温度有关，高温回火（>500℃）对于降低淬硬模具的应力比较好。当模具从回火温度冷却时，高温回火也能使残余奥氏体转变成马氏体。对于线切割模具，尽可能少的残余奥氏体很重要，因为在线切割时由于局部高热量输入使得残余奥氏体转变成马氏体而引起开裂。

对于整体淬火的模具钢，淬火和回火后的应力状态为中心受压，表层受拉。如果在线切割时此应力状态被打乱，模具可能产生变形或者开裂。

图5：七次线切割后的模具线切割截面（400X）

模具钢的热处理

冷作模具钢以软的退火态供应。为了得到强度需要进行淬火，为了得到好的显微组织，应控制淬火质量。应牢记显微组织决定钢的（物理、机械、化学）性能。通过热处理得到好的显微组织确保好的模具寿命。

◆ 模具钢的淬火-热处理循环

模具钢的淬火包括模具组件的加热和冷却。在热处理过程中，模具必须加热到奥氏体化温度（如AISI D2的奥氏体化温度为1030℃），这样模具钢的基体组织从球化珠光体转变成奥氏体。随后快速冷却（淬火），奥氏体转变成马氏体。理想状态是，正确淬火的高合金冷作钢应该有碳化物强化的马氏体基体组织。

奥氏体化过程中的保温时间和温度必须正确设定，不允许有增碳或脱碳。淬火介质必须正确选择，因为太快的淬火可能会导致开裂。必须牢记当淬火过程中奥氏体转变为马氏体时，会增加4%以上的绝对体积。

模具的失效经常与错误的或者不适当的热处理方法有关。这里值得提到的一个失效案例是手表后壳的成型模具。模具经常发生崩角。模具材料Calmax，是Uddeholm tooling AB的专利材料。此材料在57HRC的工作硬度具有高韧性。可以看到，模具表面有局部脱碳，是崩角产生的原因。

◆ 模具钢的变形控制

模具钢淬火后由于高温过程会产生变形。考虑到精密模具的应用领域，变形应该最小。如果使用不同的热处理设备，产生的效果会大不一样。要求最小变形的模具钢，其淬火的一种趋势是使用高压淬火的真空炉。

变形控制的普遍原则是，尽可能慢的加热零件以及尽可能慢的淬火，将热冲击减到最小。从显微组织观点来看，模具应快速淬火以得到好的显微组织。因此必须找到淬火冷却速度快慢的平衡点。

在淬火精密模具时，要求在热处理后模具的平整度不能改变。典型的平板尺寸是30×150×300mm。然而由于热处理前模具上有预加工的细孔，在淬火以后模具呈现弯曲，一旦发生弯曲，应进行矫直。

实际经验表明，平板形状的模具在钢中软的奥氏体向马氏体转变时被矫直。牢记这条规则就是用两种方法能够避免平板模具的弯曲：一是淬火过程中模具从奥氏体温度冷却时，把模具放在夹具中。这种方法可在某种敞开式炉，如盐浴炉中进行。模具应在有关材料的Ms点上温度时放置在夹具中。

矫直的另一种方法是在回火时夹住已淬火的模具。重要的是选择合适的温度，当冷却时，残余奥氏体转变为贝氏体或者马氏体，在相变过程中，回火模具将受到夹具的轮廓限制而使弯曲被矫直。这种方法特别适用于ASP 23材料，因为在回火前它有相当高的残余奥氏体量（在1170℃淬火时30%的残余奥氏体量）。

◆ 表面处理

冷作模具钢典型的表面扩散处理为渗氮或者氮碳共渗。这种工艺中，氮（碳氮共渗中的碳）原子扩散进钢的基体中，在钢中与合金元素形成了氮化物。大多数合金元素如Cr，Mo，V等是强氮化物和碳化物形成元素。一定时间的处理后，形成了一层均匀分布的氮化层，这将延长模具寿命，因为它有高的硬度并降低摩擦系数。

工业上应用已经证明，通过PVD或者CVD处理的如TiN或者TiCN沉淀陶瓷，有延长模具寿命的作用，寿命增加约10倍。表面硬涂层的有效性依赖于涂层与基体的附着程度。用粉末冶金钢作硬涂层的基体，达到了好的附着效果，这是因为在粉末冶金钢中的MC类碳化物与TiN类涂层有一定的晶体亲和力。

◆ 表面处理

冷作模具钢典型的表面扩散处理为渗氮或者氮碳共渗。这种工艺中，氮（碳氮共渗中的碳）原子扩散进钢的基体中，在钢中与合金元素形成了氮化物。大多数合金元素如Cr，Mo，V等是强氮化物和碳化物形成元素。一定时间的处理后，形成了一层均匀分布的氮化层，这将延长模具寿命，因为它有高的硬度并降低摩擦系数。

工业上应用已经证明，通过PVD或者CVD处理的如TiN或者TiCN沉淀陶瓷，有延长模具寿命的作用，寿命增加约10倍。表面硬涂层的有效性依赖于涂层与基体的附着程度。用粉末冶金钢作硬涂层的基体，达到了好的附着效果，这是因为在粉末冶金钢中的MC类碳化物与TiN类涂层有一定的晶体亲和力。

作者感谢ASSAB Pacific Pte. Ltd.副总裁Mr. Jan Tidlund的技术指导以及Uddeholm tooling AB允许使用其技术数据。