淺談模具材料的選擇與應(yīng)用

馮楠 朱巍峰

摘 要：現(xiàn)階段模具成型技術(shù)已成為一種常用的生產(chǎn)加工方式，模具作為該成型技術(shù)的核心部件，直接關(guān)系到生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和加工成本。本文從模具的分類、性能、熱處理及壽命等方面進(jìn)行介紹，從實(shí)際生產(chǎn)需求出發(fā)，分析如何選擇模具材料及加工工藝，提高模具使用壽命。

關(guān)鍵詞：模具鋼材料;模具分類;熱處理;模具壽命;模具性能

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求也不斷提高。模具成型技術(shù)作為現(xiàn)階段常用的生產(chǎn)加工工藝，受到各行各業(yè)的追捧。比如，板材沖壓、合金壓鑄、粉末冶金、塑料注塑、硅膠注塑、吹塑等都屬于模具成型技術(shù)的范疇。該工藝生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品一致性強(qiáng)，加工成本低，是其它生產(chǎn)加工工藝所無(wú)法比擬的。模具材料是模具成型技術(shù)最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵、最核心的源頭，模具材料的選擇與后期的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及模具壽命有直接的關(guān)系。近年來(lái)我們模具成型水平發(fā)展迅速，模具材料的合理選擇及優(yōu)化逐漸被大家關(guān)注，本文從模具的分類和性能、模具的熱處理工藝、模具的使用壽命等方面進(jìn)行介紹，從實(shí)際生產(chǎn)需求出發(fā)，分析如何保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高模具壽命。

1 模具概述

模具成型技術(shù)一種是通過(guò)把熔融或熔化的產(chǎn)品材料注入到模具的型腔內(nèi)，通過(guò)自然冷卻或人工干預(yù)冷卻使材料凝固;還有一種是使用模具的外形把可進(jìn)行拉伸的材料擠壓成型，該工藝基本能夠滿足各類零件的生產(chǎn)加工。模具的質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，是產(chǎn)品成型的母體。一副模具主要由上模、下模及配套的抽芯、滑塊、頂針等組成。模具設(shè)計(jì)復(fù)雜且造價(jià)高，其材料、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量都直接影響模具的使用壽命。

2 模具分類

根據(jù)模具的實(shí)際工作環(huán)境和加工工藝，模具材料主要可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三種。

冷作模具工作在常溫條件下，主要應(yīng)用于板材沖壓、粉末冶金等領(lǐng)域，使用模具的外形或內(nèi)腔形狀進(jìn)行壓型，需要模具本身具有良好的強(qiáng)度、韌性及耐磨性。冷作模具鋼通常使用高碳合金鋼，針對(duì)產(chǎn)品和模具的性能質(zhì)量要求不同，合金的占比也不同。高碳高合金模具鋼直接進(jìn)行加工時(shí)容易出現(xiàn)崩裂，所以原材料一般先進(jìn)行鐓拔再進(jìn)行退火處理，成品模具需要進(jìn)行淬火回火處理，該類模具通常具有很強(qiáng)的耐磨性。高碳低合金模具鋼在生產(chǎn)之前需要對(duì)其進(jìn)行鍛造退火處理，因?yàn)榧尤肓撕辖鹪厥鼓＞哂懈鼜?qiáng)的韌性，可以提高模具使用壽命。

熱作模具鋼通常與熔融的金屬熔液接觸，工作溫度可達(dá)到500℃左右，在工作過(guò)程中模具不僅受到金屬熔液的沖擊、腐蝕，還需要不斷的被加熱和冷卻，所以模具本身需要具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、抗疲勞等特性。早期的熱作模具因?yàn)楣に囅拗?，只能加工結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸較小的產(chǎn)品，后來(lái)隨著加工工藝的不斷優(yōu)化，對(duì)模具材料進(jìn)行非物理處理，使得模具具有熱硬性，大大提高了模具的應(yīng)用范圍。

塑料模具鋼主要用于生產(chǎn)加工塑料產(chǎn)品，該模具鋼主要分為預(yù)硬鋼、時(shí)效硬化鋼和冷擠壓模具鋼。預(yù)硬鋼純度較高，通常要經(jīng)過(guò)預(yù)先調(diào)質(zhì)，使得模具材料易加工成型;時(shí)效硬化鋼在經(jīng)過(guò)熱處理后需進(jìn)行擱置處理，使其自身晶相發(fā)生變化，這種模具鋼經(jīng)過(guò)加工處理后精度高、硬度強(qiáng)，適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具;冷擠壓模具鋼顧名思義，就是在初始狀態(tài)下具有良好的塑形，可通過(guò)冷擠壓的方式進(jìn)行加工，再進(jìn)行熱處理。

3 模具性能

模具鋼的強(qiáng)度、硬度、韌性、疲勞性、抗腐蝕性等是評(píng)價(jià)模具材料優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。各類模具因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境不同，對(duì)材料的要求也不相同。同類型的模具，還要考慮使用壽命、產(chǎn)品批量、尺寸精度等因素，材料選擇上根據(jù)實(shí)際需求，合理調(diào)整模具鋼的元素含量、加工工藝和熱處理工藝，使模具材料的綜合性能配比達(dá)到最佳狀態(tài)，在提高模具使用壽命的同時(shí)，避免質(zhì)量過(guò)剩浪費(fèi)。

合金壓鑄模具考慮到實(shí)際工作溫度的因素，一般選用熱疲勞性能和耐腐蝕性能較高的材料;沖壓、粉末冶金等模具考慮到受到頻繁沖擊的影響，通常選用硬度高，耐磨性好的材料;塑料注塑模具一般對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量要求較高，多選用韌性好、耐腐蝕性高且容易加工的材料?？傊?，合理配置資源，根據(jù)實(shí)際情況匹配模具材料。

4 熱處理工藝

模具的使用壽命和綜合性能除了和模具材料有關(guān)系之外，和模具的熱處理工藝也有很大關(guān)系，模具的熱處理主要包括退火、回火和淬火等工藝。

在模具加工之前或加工之后，通常需要經(jīng)過(guò)熱處理調(diào)整模具材料的成分和組織，提高內(nèi)部晶粒的細(xì)化程度，經(jīng)過(guò)熱處理的模具在一定程度上可提高模具材料的強(qiáng)度、韌性和塑性。熱處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致模具早期出現(xiàn)局部磨損、氧化、脫皮、龜裂等缺陷，降低模具的使用壽命。只有根據(jù)模具材料本身的特性，制定相應(yīng)熱處理工藝，通過(guò)熱處理使組織結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，才能提高產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命。

5 模具壽命

模具材料較貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工耗時(shí)，成品模具整體造價(jià)很高。對(duì)于非量產(chǎn)的模具，對(duì)壽命要求不高，通常選用易加工的一般材料。對(duì)于需要持久使用的模具，通常要考慮尺寸精度、批量大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素。

對(duì)于高精度產(chǎn)品，模具的加工精度也相應(yīng)較高，加工工序和工時(shí)會(huì)增加模具成本，一般選用綜合性能良好的材料進(jìn)行加工，提高模具的使用壽命。一副高質(zhì)量的模具可以使用上萬(wàn)次甚至幾十萬(wàn)次，比如粉末冶金模具，注塑模具等。

產(chǎn)品批量也是模具材料選擇的一個(gè)重要指標(biāo)，一般新產(chǎn)品開發(fā)模具選用普通模具鋼，因?yàn)橐紤]到結(jié)構(gòu)優(yōu)化，后期產(chǎn)量等問(wèn)題，待產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定并進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)期時(shí)候，可選用高性能模具材料。

另外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)直接影響模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，與高精度模具類似，考慮到模具成本的問(wèn)題一般選用優(yōu)質(zhì)模具鋼。

6 結(jié)語(yǔ)

模具的使用壽命與模具材料、熱處理工藝等有直接的關(guān)系。根據(jù)模具用途及壽命要求，合理選擇模具鋼材料和熱處理工藝，同時(shí)考慮加工成本問(wèn)題，避免質(zhì)量過(guò)剩。通過(guò)不斷優(yōu)化模具的生產(chǎn)加工工藝，提高模具的整體質(zhì)量水平，進(jìn)一步推動(dòng)制造業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐進(jìn)，等.模具材料應(yīng)用手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]高余順.航空制造技術(shù).我國(guó)模具材料的現(xiàn)狀與發(fā)展，2008（8）：68-69.

[3]姜萌.提高壓鑄模具壽命的途徑研究[J].裝備制造技術(shù)，2009（10）：25-27.

[4]丁海，趙向陽(yáng)，程芳.提高壓鑄模具精度與壽命的措施.鑄造技術(shù)，2015（03）：776-779.