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。文章對模具材料的選用進行了介紹，并對如何提高模具材料的性能進行了分析。

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，對材料強度的要求隨著其所需承載能力發(fā)生變化，對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，因此對模具的強度、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)對模具材料的要求也有一定差異，針對模具結(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，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)模具的形狀較為簡單時，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，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行加工。

（3）當(dāng)模具的精度要求越高時，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)計因素

在通常情況下，會將尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單的模具以整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，為了滿足整體結(jié)構(gòu)模具型腔工作所需性能，一般會選擇性能較好的材料；而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型模具，由于材料的費用在模具制造的總成本中會占據(jù)較大的比例，因此，通常采用多部分結(jié)構(gòu)進行拼接。模具本體主要是對整體結(jié)構(gòu)進行支承，因此對性能要求不高，可以選擇成本相對較低的碳素鋼材料；而針對模具中對工作性能要求的關(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數(shù)量，從而提升材料的強度和韌性。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，在進行熱處理工藝時難以進行精確控制。

下貝氏體形成于貝氏體轉(zhuǎn)變時的較低溫度范圍，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，具有較高的位錯密度。因此，下貝氏體具有極高的強度和韌性，同時還具有較好的機械性能，有效避免了板條馬氏體容易造成模具變形的缺點。為了提升模具材料的強韌度，需要以模具的使用要求及破壞特征為出發(fā)點，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 表面強化技術(shù)

表面強化處理技術(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)對模具表面進行強化處理（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，且不會對模具內(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，同時加上模具型腔深切結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面強化層容易發(fā)生塌陷、過早產(chǎn)生熱疲勞、剝落等問題。針對這一問題，在對熱作模具表面進行強化處理時，應(yīng)該避免對硬度的過分追求，而是需要同時提升模具的強度、韌性和耐熱強度，即可使模具材料在實際應(yīng)用過程中具有較好的綜合性能。

2.3 復(fù)合強化技術(shù)

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

（1）彌散強化。彌散強化是通過對合金第二相外加一些堅硬的細(xì)質(zhì)點，并使這些細(xì)質(zhì)點以細(xì)小彌散的形態(tài)均勻分布在基體中，從而實現(xiàn)強化的目的。在通常情況下，冷作模具可以通過合適的實效處理，來實現(xiàn)強化；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)生錯位運動，從而使模具性能更加穩(wěn)定。彌散強化對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，就會使彌散為例集聚長大的速度加快，材料的塑性變形抗性快速下降，強度也隨之下降。

（2）固溶強化。固溶強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)原子與錯位的交互作用來達到強化材料的目的。當(dāng)模具的工作溫度超高650℃時[2]，彌散強化的強化作用會出現(xiàn)大幅度降低，而固溶強化的效果與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度越高時，固溶強化的效果越明顯，因此，當(dāng)彌散強化效果降低時，可以利用固溶強化機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、處理工藝等多個方面的因素。同時，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，可以通過強化技術(shù)對模具材料的性能進行優(yōu)化，以彌補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，進一步推動整個裝備制造業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[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.