瑞典一胜百冷作模具钢在高强度钢板冲切中的应用

瑞典一胜百冷作模具钢在高强度钢板冲切中的应用
       目前在汽车设计中，高强度钢板的大量使用使得冷作模具钢在高强度钢板冲切和弯曲工艺中的应用大量增加。高强度钢板的使用对于环境保护大有裨益。一方面，使用高强度钢板可以降低汽车的重量，所以减少了原材料的使用，降低了能耗。同时，欧洲汽车工业认为要降低二氧化碳的排放水平，其中一种可行的方法就是降低汽车自重，当然，对于汽车安全性的业要求在车身的关键部位采用高强度部件。高强度钢板的使用增加了冲压件的强度，从而获得相同的强度使用的钢板就会更少。
        高强度钢板的成形需要更高的冲切和工作力。因而，要求冷作模具钢的硬度更高、韧性更好。高强度钢板目前的性能特点和将来的发展要求研究更高性能的模具材料以满足高强度钢板的加工要求。
高强度钢板
本试验高强度钢板选用SSAB公司的马氏体钢。本冲切实验使用SSAB 公司的Docol 1M高强度钢板。
冷作模具钢      
        通常来讲，冷作模具钢需要高硬度，因为高硬度可以防止模具的塑性变形或者严重的磨损。高硬度要求冷作模具钢要求有比热作和塑料模具钢更高的碳含量。因为碳是获得高硬度的最主要元素，但是材料的韧性却会下降。冷作模具钢需要好的抗磨损性能、高的抗压强度、和足够的韧性及延展性。高的耐磨性可以增加模具的寿命减少维护引起的停机；高的抗压强度可以防止模具发生塑性变形；足够的韧性及延展性防止材料的早期开裂和崩刃。高的耐磨性不仅需要高的碳含量同时，应包含硬的碳化物。这些碳化物是碳和碳化物形成元素如铬、钒、钼、钨等的化合物。通常，碳化物越硬，数量越多，尺寸越大耐磨性越好。但是高硬度使得材料缺口效应更敏感。大的碳化物通常是疲劳裂纹的起源点。大多数的模具失效是由于疲劳开裂。疲劳裂纹通常在有缺口效应的地方起源，这些地方的应力集中比较强。一般，材料的高硬度使得疲劳裂纹的扩展非常迅速，也就是材料的整体开裂非常的快。
        对于冷冲模具必须尽量减少引起裂纹起源的缺陷。裂纹起源的缺陷不仅包括碳化物还包括大的夹杂和模具表面的缺陷或尖角加之材料高硬度使得裂纹易于扩展。因此，冶金工艺的纯净度和模具表面的光洁度对于模具的寿命有重要影响。
表1 瑞典一胜百(ASSAB)模具钢的几种冷作模具钢的化学成分

title="瑞典一胜百冷作模具钢的化学成分"

试验条件
使用采用圆形冲头和凹模，凹模直径为Ø10mm,通过改变冲头的直径调整冲裁间隙，冲头磨削加工成形，光洁度为RA ≈ 0.15 μm。试验过程中凹模采用粉末冶金钢Vanadis 4，因为磨损主要发生在冲头部分，我们主要调整冲头的钢种和硬度。
试验用高强度钢板为SSAB 公司Docol 1M，钢板厚度为1mm，钢板宽度20mm 的带卷。整个试验过程中不使用润滑剂，因为这样可以缩短试验时间，同时可以模拟最恶劣的工作状态。
冲切试验结果
采用XW-42, Calmax 和Vanadis 4 三种材料， Calmax 采用低温回火，回火硬度为58HRC,XW-42 采用高温回火，硬度为58HRC，Vanadis4 也采用高温回火，硬度为58HRC。冲头取样方向选用Ø20mm 的轧制方向为冲头长度方向。冲裁间隙为单边Δ = 6 % 。
图1 冲切试验结果为Docol 1M 的冲头磨损结果，从中可以看出相对于普通低碳钢板（500－600Mpa）的Docol 1M 对冲头的磨损非常严重，对于普通低碳钢板的磨损一般在1000－0μm2,而Docol 1M 的磨损大约在16，000－40，000μm2 的范围。
             
图 1 冲头磨损状况                                                                                                        图2 Calmax 冲头刃部磨损照片
其中Calmax 冲切140，000 的刃口照片见图2，从图中可以看出由于高强度钢板与冲头之间的巨大摩擦力在冲头的刃部形成了很深的磨粒磨损痕迹，在距离刃口一定距离的位置有明显的疲劳裂纹出现，但是刃口齐整没有刃口崩刃现象出现。
图3 为XW-42 冲切140，000 次的冲头刃口照片，从图中可以清晰的看出在140，000次冲切之后在模具刃口部分有严重的崩刃现象发生同时在刃口下部有磨粒磨损的痕迹和疲劳裂纹产生。说明XW-42 的韧性不足，在刃口部分发生了大量的崩刃现象。而Calmax 的耐磨粒磨损的性能不足有明显点燃磨粒磨损的痕迹形成，所以高强度钢板的冲切需要更高韧性和更好耐磨性能的材料。
                
图3 XW-42 冲头刃部磨损照片                                               图4 为Vanadis 4 冲切140，000 次后的刃口照片
从图4 中可以看出材料的刃口齐整没有崩刃现象发生同时，没有疲劳裂纹形成。
从以上图片可以发现Calmax 在刃口部分磨损严重同时有一定的疲劳裂纹产生，这些裂纹容易扩展导致材料崩刃。而XW-42 在开始时便产生了大量的崩刃现象。Vanadis4 刃口工作部分状态良好，没有崩刃和疲劳裂纹出现。因为目前的Vanadis 4 是一种粉末冶金钢（金相组织见图5），材料内部的碳化物颗粒细小，分布均匀，同时材料的纯净非常钢，由于采用粉末冶金新工艺，材料的韧性和耐磨性都得到了大幅提升。

粉末冶金钢Vanadis 4 与常规模具钢相比，有良好的耐磨性、良好的韧性和各向同性，同时，有良好的抗崩角能力和刃部稳定性。传统冶金钢的缺点在于钢锭缓慢的凝固导致有碳化物的明显带状组织和网状碳化物出现，同时一次碳化物尺寸很大，高硬度碳化物如VC 等数量较少，碳化物体积百分数较少等等。而粉末冶金钢由于小液滴冷却速度快，尺寸小见图23，保证了粉末化学成分一致，防止出现网状碳化物和微观偏析。由于粉末冶金钢没有宏观偏析，其热加工性能非常好，也就是说可以加工非常高合金元素含量的粉末冶金钢，比如V含量约10％的钢。
粉末冶金钢有碳化物呈细小球状均匀分布，尺寸一般为2－3μ，而且不论坯料的厚度或化学成分变化、碳化物类型数量的变化，组织没有明显变化。由于粉末冶金钢，增加了碳化物的数量，增加了高硬度碳化物的数量、碳化物分布均匀，所以耐磨性得到可明显的提高。对于传统冶金钢，一次碳化物前会受到巨大的应力而粉末冶金钢碳化物尺寸较小，且为球形，大大降低了应力，提高了韧性。
在高强度钢板的冲切中，Vanadis 4 的高韧性和良好的耐磨性使其在高强度钢板的冲切中有良好的性能表现。