模具材料的選用原則首先要根據模具的熱負荷和機械負荷性質(zhì)、鍛造工藝(工序)和設備特性等模具的工作環(huán)境,以及企業(yè)的綜合技術(shù)水平、選材理念和習慣等因素進(jìn)行綜合考慮。此外還要貫徹實(shí)用、安全和經(jīng)濟的基本原則。根據這些基本因素和原則,需要有針對性地考慮如下各點(diǎn):
1.熱負荷性質(zhì)
模具材料必須滿(mǎn)足模具工作的熱負荷環(huán)境,例如,模具工作全過(guò)程中的***高溫度及其變化幅 度等。
(1)熱鍛模具材料不但在400°C?600°C應具有優(yōu)良的強度和韌性,還應在1000°C?200°C溫度區間具有良好的抗冷熱疲勞性能。
(2)等溫鍛造模具材料則需要在鍛造溫度(如900°C或1000°C)條件下,不但始終具有很高的高溫硬度、好的耐磨性、足夠的韌性和高的抗蠕變性能,而且模具材料在其工作溫度下的抗拉強度應該達到鍛造溫度下鍛件材料流變應力的3倍?5倍。
2.機械負荷性質(zhì)
模具材料必須滿(mǎn)足模具工作的機械負荷環(huán)境。例如,模具是在沖擊負荷、還是在靜壓負荷下 工作,負荷的大小和應力狀態(tài),以及在加壓條件下熾熱鍛件與模具的接觸時(shí)間等。
(1)錘鍛模具承受極大的沖擊負荷,除要求模具材料具有髙的強度和耐磨性外,還要求模具材料具有優(yōu)良的沖擊韌性。
(2)液壓機模具承受靜壓負荷,模具材料對機械負荷的要求不如錘鍛模具高,但是在加壓條件下熾熱鍛件與模具的接觸時(shí)間長(cháng),對模具材料的高溫耐磨性有更高的要求。
(3)機械壓力機和螺旋(含摩擦)壓力機模具所承受的負荷性質(zhì)介于鍛錘和液壓機之間,對模具材料的要求是二者的折中,但是,這類(lèi)設備生產(chǎn)鍛件批量大,因此要求模具材料具有更高的耐磨性。
(4)冷鍛和冷擠壓模具的工作應力極高(甚至接近模具材料的屈服強度),但冷鍛和冷擠壓往往是在靜態(tài)負荷的壓應力狀態(tài)下進(jìn)行,因此,應選擇低溫強度高但塑性和沖擊韌性適度的模具材料。
3.模具結構
根據模具的大型整體結構、小型鑲塊結構和預應力結構的不同,應按照模具材料的特性有針 對性的選材。
(1)大型整體結構的錘鍛模具應該選擇淬透性好、材質(zhì)均勻穩定、沖擊韌度高的模具材料,如傳統的模具鋼5CrNiMo和5CrMnMo等。大型液壓機的鑲塊模具尺寸較大,也多選擇 5CrNiMo 和 SCrMnMo 等。
(2)小型鑲塊結構的模具多用于機械壓力機和螺旋(含摩擦)壓力機,這類(lèi)模具生產(chǎn)鍛件批量大,應該選擇優(yōu)質(zhì)模具鋼3Cr3W8V、4Cr5W2VSi和4Cr5MoVlSi(H13),以及更***次的新型 模具鋼 3Cr3Mo3VNb和SRM-1 等。
(3)預應力結構的模具多用于冷擠壓和冷鍛等工作應力極高的場(chǎng)合,如W6Mo5Cr4V2、 SLM- 11和基體鋼等,熱擠壓模具鑲塊常選擇303W8V和SRM- 1。
4.鍛件批量
鍛件批量的大小對模具材料的選擇影響很大。
(1)大批量生產(chǎn)的汽車(chē)、工具和五金鍛件的模具,宜選擇性?xún)r(jià)比高的優(yōu)質(zhì)模具鋼,如熱作模具鋼 3Cr3Mo3VNb、3Cr2MoWVNi(B3)、SRM- 1,冷作模具鋼 7Cr7Mo2V2Si(LD)、SLM- 11和 鋼結硬質(zhì)合金等。
(2)航空航天鍛件以及胎模鍛件的批量小,多數模鍛件的批量只有幾十件,部分只有幾百件,不宜過(guò)分追求模具材料的***性,建議選擇基本能滿(mǎn)足要求的模具材料,以降低鍛件成本。建議選擇材質(zhì)穩定的5CrNiMo和5CrMnMo等普通模具鋼,甚至可以選擇更加價(jià)廉的鑄造模具鋼ZG45Mn2以及T7、45、40Cr等。但是,對于高合金化難變形合金的小批量航空航天鍛件,由于變形抗力高,也應該選用高強度的優(yōu)質(zhì)模具鋼,如3Cr3Mo3VNb、3Cr2MoWVNi(B3)和SRM-1等。
5.綜合經(jīng)濟性
無(wú)疑,上述模具的熱負荷、機械負荷性質(zhì)、模具結構和所生產(chǎn)的鍛件批量都與模具選材的經(jīng) 濟性密切相關(guān)。此外,企業(yè)的工藝、操作水平和加工條件等綜合技術(shù)水平以及選材的理念和傳統 習慣等因素也都影響選材的綜合經(jīng)濟性。
1)以企業(yè)整體經(jīng)濟效益為原則
模具選材的綜合經(jīng)濟性問(wèn)題十分復雜,除考慮模具的經(jīng)濟性外,還應該包括選材對鍛件的綜合成本乃至零件成本的經(jīng)濟性。
這樣,既要考慮模具材料的價(jià)格,又要考慮模具材料的性?xún)r(jià)比,更要考慮選材對鍛造全過(guò)程 經(jīng)濟性的影響。例如,選材對模具的維護和維修成本以及延誤鍛造工時(shí)及輔助費用的成本等的影響;還應該考慮由于選材對鍛件幾何形狀和尺寸公差的影響。另外,鍛件幾何形狀和尺寸公差 的一致性對后續的檢驗(如分組)和機械加工(如裝卡)工時(shí)都有影響。
(1)選用性?xún)r(jià)比高的模具材料。選購模具材料不僅要看價(jià)格,更要看質(zhì)量(使用壽命),即它的性?xún)r(jià)比或模具壽命與價(jià)格的比。一般,模具材料費僅占模具成本的25%左右,而模具加工、熱處理、安裝、調試和管理約占75%。以普通模具材料的性?xún)r(jià)比為1作為基準,假設優(yōu)質(zhì)模具材料比普通模具材料價(jià)格提高1倍,使用壽命也提高1倍,由于模具材料費用的增加使模具成本增加25%,即模具成本變?yōu)?. 25,而模具壽命變?yōu)?,則優(yōu)質(zhì)模具材料的性?xún)r(jià)比為1. 6。
例如,沈陽(yáng)嘉泰模具材料開(kāi)發(fā)有限公司開(kāi)發(fā)的高強高韌新型熱作模具材料SRM- 1的強度 比H13高50%,硬度可達到55HRC?58HRC,韌性較好(見(jiàn)表2-3-8和表2-3 -9),使用壽命為H13和3Cr2W8V材料的3倍?5倍,而價(jià)格僅為它們的2倍左右。按照上述材料費用僅占模 具成本25%計算,模具材料費用提高1倍,粗略地計算,使模具整個(gè)壽命期的總成本增加25%, 即便取***低的3倍壽命,其性?xún)r(jià)比也可以達到3 : 1.25(即2. 4),可見(jiàn)綜合經(jīng)濟性十分顯著(zhù)。
(2)選用***工藝生產(chǎn)的模具材料.相同牌號的模具材料,由于生產(chǎn)工藝(冶煉、鍛造和熱處理)不同,其冶金質(zhì)量、性能和使用壽命差別很大。例如,采用優(yōu)質(zhì)原料和ESR整體工藝精煉、
精鍛等工藝制作的模塊比一般工藝生產(chǎn)的H13鋼可提高一倍或更高的使用壽命。
(3)選用雙金屬模具模塊。有些錘鍛模體積大,可以選用雙金屬模塊,以節約貴重材料,降低模具材料費用。例如模膛部分可以采用3Cr3Mo3VNb或SRM- 1,而后部或燕尾可以采用 5CrNiMo,或40Cr材料。擠壓沖頭工作部位需高強、高硬度、高韌性的優(yōu)質(zhì)模具材料,而桿部可用普通模具鋼,這樣既能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求又能降低模具材料費用和提高經(jīng)濟效益。
2)按照企業(yè)條件選材
對于綜合技術(shù)(鍛造工藝和操作、模具加工和熱處理等)水平和管理水平高、實(shí)力強的企業(yè), 建議選擇優(yōu)質(zhì)模具材料及新開(kāi)發(fā)的有發(fā)展前途的模具材料,這樣有利于企業(yè)的綜合效益和發(fā)展。 對于目前實(shí)力相對較弱的企業(yè),則應根據本企業(yè)的選材傳統習慣,穩妥一些,建議選擇成熟的質(zhì)量穩定的傳統模具材料,當然,從長(cháng)遠發(fā)展考慮,也應逐步擴大優(yōu)質(zhì)模具材料及新型有發(fā)展前途的模具材料的應用??傊?,以企業(yè)當前和長(cháng)遠的整體經(jīng)濟效益為原則。