热锻对锻造模具材料的基本要求
对锻造模具材料的基本要求
锻件生产对模具材料的基本要求是：在锻模工件条件（工作温度、载荷性质和“接触时间”）下材料应具有良好的冶金质量和组织稳定性、综合力学性能、疲劳性能和耐腐蚀性等使用性能以及良好的冷热加工工艺性能。
工件温度（或称使用温度）是指模具在实际使用时的加载过程中模膛表面所达到的最高温度与卸载后至下一次加载间隙时间内模膛表面冷却降温至最低温度之间的温度。在黑色金属锻件连续生产情况下，前者的温度可以达到600℃，甚至更高，乃至引起模膛表面金属的回火和相变。从而降低模具材料的力学性能；而后者基本上保持在模体的使用温度，即250℃～350℃，长期在脉冲式的热负荷（600℃至250℃～350℃交变）作用下会引起模具材料的冷热疲劳。
载荷性质是指模具在锻锤和螺旋压力机等冲击性动态载荷设备上使用，还是在液压机和机械压力机等平稳加载的静态载荷设备上使用。不管是动载荷还是静载荷加载方式，模具所承受的都是周而复始的加载和卸载的脉冲载荷，因此，长时间工作会引起模具材料的机械疲劳。
接触时间是指在加载条件下模具与毛坯的“接触时间”，即在锻压过程中设备对毛坯加载到卸载之间毛坯与模具的接触时间。在加载条件的“接触时间”内模具温度急剧上升，这时金属流动对模具的冲刷磨损更加剧烈。液压机和机械压力机模锻时，毛坯与模具的接触时间长，模具温升大、磨损严重；而锻锤模锻时的“接触时间”短，但接触频率高也相当于延长了接触时间，再加上锻件变形产生机械热也会使温度升高。另外，锻锤模锻时金属流动速度高，对模膛表面的冲刷磨损往往超过温升软化造成的磨损。
根据上述锻造模具的工作环境，模具材料应具备以下良好的使用性能和工艺性能。
1．力学性能
在模具使用温度（室温至最高工作温度）范围内具有良好的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、延伸率、冲击韧性和硬度等力学性能的匹配。
1）抗拉强度和屈服强度
不同类型的模具对模具材料所要求的力学性能具体指标有所侧重，同时不应仅考虑室温力学性能而忽视更重要的实际工作温度的性能指标；切忌追求盲目脱离实际的全面高指标。例如：在冷锻变形抗力极高的难变形合金锻件时，当模具承受的应力超过模具材料在使用温度下的抗拉强度时，会导致模具开裂报废；如果模具承受的应力超过模具材料在使用温度下的屈服强度时，则会引起模具塌陷等永久变形，导致锻件超差。在这种条件下，就要选择抗拉强度和屈服强度高的模具材料，一般，模具材料的抗拉强度应大于应承受应力的30%以上。
2）冲击韧性、断面收缩率和延伸率
由于模具材料的冲击韧性指标的选择与锻造载荷性质密切相关，因此，对于锻锤和螺旋压力机等冲击载荷设备使用的模具，如果模具材料的冲击韧性低，模具有可能发生开裂而报废；在这种条件下，就要选择冲击韧性高的模具材料。
对于断面收缩率和延伸率高的模具材料，可以在出现微小裂纹的情况下继续使用，而不致于很快就破裂，因此，在抗拉强度、屈服强度和硬度指标许可条件下，尽可能地提高其断面收缩率和延伸率。
3）硬度
鉴于硬度除了与强度指标有对应关系外，还与模具的耐磨性密切相关，在冲击韧性、断面收缩率和延伸率等指标许可条件下，尽可能地提高其硬度（或耐磨性）。锻模硬度和红硬性是锻模材料的重要性能，模具在高温下工作应能保持其形状和尺寸不发生变化。热作模具硬度一般在42HRC～50HRC范围，新研发的美国钢种HQ-39等高强韧热作模具钢在韧性较高时硬度可达到55HRC～58HRC。冷作模具硬度一般在60HRC以上，M42硬度高达68HRC～70HRC。
众所周知，同一个模具材料的抗拉强度、屈服强度、硬度和断面收缩率、延伸率、冲击韧性之间存在着相互矛盾的关系，如果提高前者，必须要牺牲后者，这就需要根据具体模具的实际工作环境来选择相应的性能匹配。
必须指出，材料的硬度在一定程度不但可以反映强度水平，而且硬度和耐磨性有着甘种对应关系，一般硬度高的材料，其耐磨性也好，因此，许多模具材料通常只简单地规定对硬度的要求。
2．疲劳性能
模具材料的疲劳性能包括机械疲劳和冷热疲劳两种。热作模具长期在高机械载荷至零机械载荷及200℃～600℃温度区间交替循环，这两种脉冲的加载和卸载所造成应力的叠加，久而久之，模膛表面会萌生出微裂纹；微裂纹进一步发展就会加速模具磨损、产生碎块，从而导致模具失效，所以要求模具材料应该具有良好的抗机械疲劳和抗冷热疲劳性能。
3．组织稳定性
通常，热作模具的工作温度在200℃～600℃甚至更高，在这样宽的温度区间以及脉冲式的热负荷和机械负荷长期作用下，会引起模具材料组织的变化和性能（如硬度）的不稳定性，导致加速磨损、塑性变形和龟裂，从而使模具提前失效。因此，锻模材料的稳定性对锻模的使用寿命具有重要的意义。锻模材料良好的导热性和耐回火性，可使锻模在复杂的工作条件下保持模具表面的硬度和组织稳定性。
检查模具材料组织稳定性常用的简单方法：在模具的工作温度长时间保温（通常选择预定的寿命期），然后测量不同温度和不同时间的对应的硬度，硬度值可以定性地反映材料的抗拉强度和抗磨损的水平。
4．冷热加工工艺性能
锻模材料是在高硬度、高强度、高耐磨性及足够韧性的状态下使用，其冷热加工都十分困难，因此，要求模具材料应具有对模具的综合技术经济指标有重要影响的良好冶炼、铸造、锻造、切削加工、热处理和表面处理和冷热加工工艺性能。
5．冶金质量
模具材料的冶金质量对模具的可靠性、寿命和经济性有十分重要的影响。模具任何部位的低倍和高倍组织及力学性能都必须符合技术条件的要求，不允许有目视可见的非金属和金属夹杂物、缩孔、晶粒不均匀、严重偏析和疏松、白点、裂纹、萘状断口等低倍组织缺陷，以及过烧、过热、严重脱碳、渗碳等高倍组织缺陷。
模具钢成分确定后（按国家或企业标准），决定模具钢模块质量的主要因素是冶金工艺和后续加工工艺。生产实践证明，采用电渣炉冶炼的钢比较好，纯度高、致密、均匀、各向异性小，电渣钢锭再经锻造热变形、反复镦拔和相应热处理等工序制作的模块比较适于制造锻模。
6．淬透性
模具钢的淬透性越高，其淬硬层（表面的马氏体组织至半马氏体组织的深度）越深，则模具耐磨性好。淬透性是衡量模具钢接受淬火能力的重要标志，是选择模具钢及其热处理工艺的重要依据。
7．物理性能
锻模材料要求导热性能好，以保证模具模膛表面的热量尽快传导散失，避免模具因工作部分表面温度过高而降低其力学性能。保持模具应有的硬度，有利于减少热磨损及热疲劳损伤。
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