随着环境和能源问题的日益突出以及对安全的关注,高强度钢零件得到越来越多的应用,高强钢板冷加工时变形抗力大,所需要的压力也大,还会受一定程度的冲击载荷,对冷作模具强度、耐磨性、韧性等性能要求更高。

 

  1500MPa超高强度零件的切边冲孔是各国的难题,切边冲孔的效率仍有很大的提升空间。日本和瑞典的高速粉末钢SKH-9和ASP60虽然适合高难度的切边工艺,但在耐磨性和韧性还有待提升,而且高速粉末钢的价格昂贵,制约其在切边冲孔刀具上的使用。

 

  目前各国主要采用以下2种方法提高模具钢的性能:①优化模具钢的成分和开发新钢种;②改进模具钢的生产流程和工艺控制技术。

 

  现以5种常用冷作模具钢(Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD)为研究对象,通过对其成分、性能、组织进行分析,综合对比考虑强韧性、耐磨性、价格等因素,选取最合适的切边冲孔模具材料,为研究高性价比切边冲孔所需模具刀口的模具钢材料提供指导。

 

  1 试验材料及方法

 

  试验中硬度测量使用型号为HB-3000、69-1布洛维氏硬度计,分别按照标准《GB/T231金属布氏硬度试验方法》和《GB/T230金属洛氏硬度试验方法》测试。将退火态试样镶嵌、磨制、抛光后用新配制的体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀,采用NikonMA100型倒置式光学显微镜(OM)对试样中间位置进行组织形貌观察及图像采集。

 

  回火态的冲击试样尺寸:10mm×10mm×55mm,无缺口,参照《GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检测,冲击试验机为JB-50B型冲击试验机(冲击能量为500J),试验温度为室温。

 

  磨损试验采用销盘式摩擦磨损试验仪,试验在常温状态下进行无润滑摩擦,试样尺寸为?20mm×3mm的圆片。工作时,试验仪在载荷磨球的作用下用电机带动旋转平面试样运转,磨球为SiC钢球,直径?5mm。60N载荷无润滑磨损时间为1h,速度为477r/min。磨损后使用白光干涉仪观察磨损形貌及计算磨损体积。

 

  2 成分分析

 

  使用PMI-MASTER型直读光谱仪测量5 种钢的化学成分,如表1所示。

 

使用PMI-MASTER型直读光谱仪测量5 种钢的化学成分

 

  3 冶金质量分析

 

  对5种材料进行对比分析,主要包括退火态硬度及金相、化学成分、非金属夹杂物评级与共晶碳化物评级。5种钢的退火态硬度值如表2所示,根据高品质锻制冷作模具钢联盟技术标准(LB-C3-2016),Caldie、Cr12MoV和DC53满足要求,ASP60和LD的退火态硬度偏高。冷作模具钢一般在退火态进行机械加工,退火态硬度较低便于成形加工。

 

对5种材料的冶金质量分析

 

  根据《GB/T14979-94共晶碳化物不均匀度评定法》,评级图片对比第四评级图(适用于热轧、锻制及冷拉合金工具钢钢材)。通过与标准评级图的比对,得出5种钢的共晶碳化物不均匀度如表3所示。

 

5种钢共晶碳化物不均匀度

 

  根据《GB/T10561-2005/ISO4967:1998钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》,将退火态的金相照片与标准图谱进行对比,分别对每类夹杂物进行评级,并与高品质锻制冷作模具钢联盟技术标准(LB-C3-2016)对比,评级结果如表4所示。

 

5种钢的夹杂物评级

 

  性能分析4冷作模具钢在工作时承受巨大的压应力、弯曲力、冲击力及摩擦力,因此主要的失效形式为开裂、崩刃和磨损。模具零件工作时承受连续、高强度的冲击力,且由于形状复杂、易产生应力集中而导致开裂,需要具备较高的强韧性。模具零件形状及机加工工艺复杂、造价高,工作时摩擦力和摩擦面积大而导致磨损较大,因此修模困难,需要具备更高的耐磨性。

 

  01 强韧性

 

  对5种钢的回火态硬度及冲击韧性进行检测并对比分析,回火态的硬度及冲击能量数值如表5所示。

 

对5种钢的回火态硬度及冲击韧性进行检测并对比分析

 

5种钢的硬度与冲击能量

 

  图4 5种钢的硬度与冲击能量

 

  由表5和图4可看出,Caldie、Cr12MoV、ASP60和DC53的硬度较高,但Cr12MoV、ASP60、DC53和LD的冲击能量较低。Caldie在保持硬度较高的同时具有很高的冲击能量,故Caldie具有最优的强韧性,能更好地满足切边冲孔的工作要求。

 

  02 耐磨性

 

  冷作模具钢在工作时受到较大的应力与摩擦力,要求其在摩擦下仍保持尺寸精度,故必须具有高的耐磨性以提高模具使用寿命。而模具钢在工作过程中的磨损比较复杂。材料的硬度越高,抵抗接触变形的能力越强,材料的耐磨性也越好。但硬度不是唯一的影响因素,因此有必要进行摩擦磨损性能测试。

 

Caldie耐磨性分析

(a)Caldie

 

Cr12MoV耐磨性分析

(b)Cr12MoV

 

ASP60耐磨性分析

(c)ASP60

 

DC53耐磨性分析

(d)DC53

 

LD耐磨性分析

(e)LD

 

  图5 磨损形貌

 

  采用销盘式摩擦磨损试验仪对Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53、LD的耐磨性能进行检测,其磨损形貌分别如图5所示。通过白光干涉仪测量计算,Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD的磨损体积分别为0.2427、0.2454、0.1378、0.2577、0.2334mm3。ASP60由于粉末冶金工艺制造,耐磨性能优异,其余4种钢的耐磨性能相当。

 

  通过对5种常用冷作模具钢(Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD)进行成分、性能和组织对比分析,得到了以下结论:①通过对冶金质量的对比分析,Caldie的纯净度最优,冶金质量最好;②ASP60耐磨性能最优,其余4种的耐磨性能相当;③综合考虑性能和性价比,Caldie为合适的高性价比切边冲孔所需模具刀口的模具钢材料。