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钢材的纯净度对模具性能有怎样的影响?

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:互联网发布时间:2019年01月04日浏览:824

  模具行业被称为“制造业之母”,过去三十几年间,在中国逐渐发展成为全球制造业中心的过程中,模具行业在国内得以蓬勃发展。当下随着中国制造业的转型与升级,高端模具制造成为国内众多模具制造公司的发展方向。对于高端模具制造从业者来说,其中重要的一环是选择高品质的模具钢做为原材料以获得模具设计性能。然而对于大多数模具从业人员来说,如何研判一种模具材料品质的高低是一项专业且复杂的工作。本文力图通过对模具钢材料一项最常用的指标“纯净度指标”的分析,浅谈模具材料的品质对模具性能的影响。

  什么是钢材的纯净度

  钢材的纯净度主要描述钢材内部所含非金属夹杂物的数量、类型、形貌、尺寸及分布等有关信息。“非金属夹杂物”通常指残留在模具钢中的氧、硫、磷、氢、氮等有害杂质元素,这些杂质元素的含量在单位体积内百分比数值越小,则模具钢的纯净度越高。

  纯净度对模具性能的影响

  模具钢的纯净度(非金属夹杂物含量)对钢材的强度、塑性、断裂韧性、切削、疲劳、热脆以及耐蚀等性能都有很大影响。实验表明夹杂物的成分、数量、形状、分布以及在基体中的空间分布等都直接影响模具钢的物理特性,进而对模具的使用性能和寿命产生直接影响。

  在经过相同热处理和机加工后,牌号(化学成分)相同的模具钢材料,由于钢材本身纯净度不同,其生产出的模具在同样的工况条件下会表现出不同的使用性能。

  强度:模具钢材中的夹杂物颗粒越大、模具的强度越差,产生踏角、刮花的可能性越高。

  抛光:非金属夹杂物尤其是氧化物夹杂会明显影响模具型腔表面的光洁度,影响到抛光的等级,甚至导致整套模具经过完整加工后在抛光时发现不得不报废。

  塑性:带状夹杂物(主要以硫化物为主)的增加会导致横向断面收缩率明显降低。

  韧性:硫化物的含量增加会降低钢的各种韧性指标,钢的断裂韧性随着夹杂物数量或长度的增加而下降,会导致模具韧性下降,在设计模次内发生开裂、断裂或崩裂。

  抗疲劳性:夹杂物会使模具的抗疲劳性能下降,通常来说脆性夹杂物(A类)和大尺寸外来氧化物夹杂影响更加明显,导致模具提前报废失效。

  焊接性能:硫化物夹杂和大尺寸氧化物夹杂都会使模具的焊接性能下降。

  抗腐蚀性:复合夹杂物的存在会使模具产生点状锈蚀。

  切削性能:氧化铝、氧化钙、氧化锰和钙铝酸盐类氧化物夹杂,会在很大程度上降低钢材的切削性能。

  如何评测钢材的纯净度

  模具钢中常见的非金属夹杂物:依其性质、形态、变形特征和对材料性能的影响主要分为几个大类:

  (1) A硫化物 (2) B氧化铝 (3)硅酸盐 (4)球状氧化物 (5)氮化物

  根据这些夹杂物的数量和分布来评定钢的纯净度,成为评定模具钢品质的一个重要指标。通常钢厂在模具钢生产完毕后,会对其进行纯净度检测,主要采用的检测方法为:

  标准评级图法:

  目前国内外模具钢材料行业最广泛使用的评级方法为:AISI E45标准

  其对夹杂物的类别分为4类: A类:硫化物B类:氧化铝 C类: 硅酸盐 D类:球状氧化物。每类夹杂物按其厚度或直径的不同,又分为粗系和细系两个系列,每个系列由表示夹杂物含量递增的5级(1级至5级)图片组成。评定夹杂物级别时,允许评半级,如0.5级、1.5级等。评级图参考如下:

模具钢杂物评级

  综上所述,模具钢材的纯净度直接对模具后期的各项使用性能有显著影响,那么国内外钢厂是如何努力提高模具钢材料的纯净度,且其实际产品的夹杂物控制水平和效果又如何呢?在回答这些问题前,先让我们介绍下模具钢基体中夹杂物的组成和分类。模具钢中的夹杂物按照化学成分不同可以分为氧化物、硫化物、(碳)氮化物,磷化物等;按夹杂物可塑性可分为:塑性夹杂物;脆性夹杂物和点状不变形夹杂物等;按照夹杂物尺寸大小亦可分为显微夹杂和宏观夹杂;按夹杂物的来源可分为:外来夹杂(如耐火材料、熔渣、电渣或其反应产物)和内生夹杂(如在冶炼、浇注、凝固过程中固体钢内进行物化反应时来不及排出而残存的氧、硫、氮等反应生成物)。

  根据以上分类我们不难理解,模具钢材的纯净度和夹杂物控制水平会受到如下因素的影响:

  化学成分(合金成分的配比及合金含量都会影响非金属夹杂物的水平)冶炼工艺(除渣、除气、除杂等)二次冶炼(ESR:电渣重熔)炼钢设备的维护及清洁生产工艺的稳定性和质量控制体系等   国内目前模具材料行业中流行的说法“材料的纯净度与是否使用过二次冶炼(电渣重熔)技术有关”,是不正确的,其实影响材料纯净度的因素要复杂得多。举例来说:国内外很多使用电渣重熔ESR工艺的材料,其纯净度并没有达到一个很高的水平,有些时候甚至会由于电渣中的杂质混入降低了钢材的纯净度,在欧洲大部分钢厂并没有使用二次冶炼,仍能生产出纯净度极高的模具钢材。

  在模具钢生产和制造领域,瑞典的模具钢在全世界范围内都有很好的口碑,其中一个重要的原因:瑞典是全世界最早将“高纯净度”做为生产钢材中追求的最重要指标,且不断加以深入研究和探索的国家。在过去300多年的历史中,瑞典一直将这一优势保持,即使是微小差距也足以使其产品质量明显优于其他国家的特钢产品。瑞典的几个钢厂(伍德霍姆、斯堪纳钢铁集团、瑞钢集团)在国内的品牌无不主打“超纯净熔炼”或者“超纯净钢”的概念,以突出其产品优势。瑞典钢厂提供的模具钢(以:2738为例)其A.B.C.D四类夹杂物,在精炼级别加上超纯净熔炼技术下生产出的钢材,实测夹杂物都可以控制在(0.5/0.5/1/1)以内,这个指标远高于欧洲的通用标准(1.5/1.5/2.0/2.0)。瑞典斯堪纳钢厂更是在超纯净熔炼的基础上推出了VIP技术,在钢铁制造中利用对非金属夹杂物数量、尺寸和形态的控制,进一步提高模具钢的纯净度水平(据悉已达到P级的ESR水平)并同时改善了材料的等向性。在台湾市场,不少专业且聪明的模具钢供应商更是利用瑞典材料高纯净度这一特性,以瑞典生产的2311向客户推荐替代部分进口2738的应用,其抛光性能完全达到2738的水平,赢得了客户的满意度且为客户降低了成本。

  大道至简,看似模具钢一个简单的“纯净度”指标,却对模具的使用性能有着深远的影响。笔者仅以此文祝愿国内更多有远见的钢厂,秉承精益求精的精神在高端模具钢领域为客户带来稳定的高品质模具钢材料,在提升国产品牌的同时创造更多的价值。

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