Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD模具鋼的切邊沖孔
隨著環境和能源問題的日益突出以及對安全的關注，高強度鋼零件得到越來越多的應用，高強鋼板冷加工時變形抗力大，所需要的壓力也大，還會受一定程度的沖擊載荷，對冷作模具強度、耐磨性、韌性等性能要求更高。
1500MPa超高強度零件的切邊沖孔是各國的難題，切邊沖孔的效率仍有很大的提升空間。日本和瑞典的高速粉末鋼SKH-9和ASP60雖然適合高難度的切邊工藝，但在耐磨性和韌性還有待提升，而且高速粉末鋼的價格昂貴，制約其在切邊沖孔刀具上的使用。
目前各國主要采用以下2種方法提高模具鋼的性能：①優化模具鋼的成分和開發新鋼種；②改進模具鋼的生產流程和工藝控制技術。
現以5種常用冷作模具鋼（Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD）為研究對象，通過對其成分、性能、組織進行分析，綜合對比考慮強韌性、耐磨性、價格等因素，選取最合適的切邊沖孔模具材料，為研究高性價比切邊沖孔所需模具刀口的模具鋼材料提供指導。
1 試驗材料及方法
試驗中硬度測量使用型號為HB-3000、69-1布洛維氏硬度計，分別按照標準《GB/T231金屬布氏硬度試驗方法》和《GB/T230金屬洛氏硬度試驗方法》測試。將退火態試樣鑲嵌、磨制、拋光后用新配制的體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用NikonMA100型倒置式光學顯微鏡（OM）對試樣中間位置進行組織形貌觀察及圖像采集。
回火態的沖擊試樣尺寸：10mm×10mm×55mm，無缺口，參照《GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》檢測，沖擊試驗機為JB-50B型沖擊試驗機（沖擊能量為500J），試驗溫度為室溫。
磨損試驗采用銷盤式摩擦磨損試驗儀，試驗在常溫狀態下進行無潤滑摩擦，試樣尺寸為？20mm×3mm的圓片。工作時，試驗儀在載荷磨球的作用下用電機帶動旋轉平面試樣運轉，磨球為SiC鋼球，直徑？5mm。60N載荷無潤滑磨損時間為1h，速度為477r/min。磨損后使用白光干涉儀觀察磨損形貌及計算磨損體積。
2 成分分析
使用PMI-MASTER型直讀光譜儀測量5 種鋼的化學成分，如表1所示。
3 冶金質量分析
對5種材料進行對比分析，主要包括退火態硬度及金相、化學成分、非金屬夾雜物評級與共晶碳化物評級。5種鋼的退火態硬度值如表2所示，根據高品質鍛制冷作模具鋼聯盟技術標準（LB-C3-2016），Caldie、Cr12MoV和DC53滿足要求，ASP60和LD的退火態硬度偏高。冷作模具鋼一般在退火態進行機械加工，退火態硬度較低便于成形加工。
根據《GB/T14979-94共晶碳化物不均勻度評定法》，評級圖片對比第四評級圖（適用于熱軋、鍛制及冷拉合金工具鋼鋼材）。通過與標準評級圖的比對，得出5種鋼的共晶碳化物不均勻度如表3所示。
根據《GB/T10561-2005/ISO4967：1998鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，將退火態的金相照片與標準圖譜進行對比，分別對每類夾雜物進行評級，并與高品質鍛制冷作模具鋼聯盟技術標準（LB-C3-2016）對比，評級結果如表4所示。
性能分析4冷作模具鋼在工作時承受巨大的壓應力、彎曲力、沖擊力及摩擦力，因此主要的失效形式為開裂、崩刃和磨損。模具零件工作時承受連續、高強度的沖擊力，且由于形狀復雜、易產生應力集中而導致開裂，需要具備較高的強韌性。模具零件形狀及機加工工藝復雜、造價高，工作時摩擦力和摩擦面積大而導致磨損較大，因此修模困難，需要具備更高的耐磨性。
01 強韌性
對5種鋼的回火態硬度及沖擊韌性進行檢測并對比分析，回火態的硬度及沖擊能量數值如表5所示。
圖4 5種鋼的硬度與沖擊能量
由表5和圖4可看出，Caldie、Cr12MoV、ASP60和DC53的硬度較高，但Cr12MoV、ASP60、DC53和LD的沖擊能量較低。Caldie在保持硬度較高的同時具有很高的沖擊能量，故Caldie具有最優的強韌性，能更好地滿足切邊沖孔的工作要求。
02 耐磨性
冷作模具鋼在工作時受到較大的應力與摩擦力，要求其在摩擦下仍保持尺寸精度，故必須具有高的耐磨性以提高模具使用壽命。而模具鋼在工作過程中的磨損比較復雜。材料的硬度越高，抵抗接觸變形的能力越強，材料的耐磨性也越好。但硬度不是唯一的影響因素，因此有必要進行摩擦磨損性能測試。
（a）Caldie
（b）Cr12MoV
（c）ASP60
43J$SAT]1SW7]0%C%I.hc)
（d）DC53
JFT11H]BH10T.hc)
（e）LD
圖5 磨損形貌
采用銷盤式摩擦磨損試驗儀對Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53、LD的耐磨性能進行檢測，其磨損形貌分別如圖5所示。通過白光干涉儀測量計算，Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD的磨損體積分別為0.2427、0.2454、0.1378、0.2577、0.2334mm3。ASP60由于粉末冶金工藝制造，耐磨性能優異，其余4種鋼的耐磨性能相當。
通過對5種常用冷作模具鋼（Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD）進行成分、性能和組織對比分析，得到了以下結論：①通過對冶金質量的對比分析，Caldie的純凈度最優，冶金質量最好；②ASP60耐磨性能最優，其余4種的耐磨性能相當；③綜合考慮性能和性價比，Caldie為合適的高性價比切邊沖孔所需模具刀口的模具鋼材料。
1500MPa超高強度零件的切邊沖孔是各國的難題，切邊沖孔的效率仍有很大的提升空間。日本和瑞典的高速粉末鋼SKH-9和ASP60雖然適合高難度的切邊工藝，但在耐磨性和韌性還有待提升，而且高速粉末鋼的價格昂貴，制約其在切邊沖孔刀具上的使用。
目前各國主要采用以下2種方法提高模具鋼的性能：①優化模具鋼的成分和開發新鋼種；②改進模具鋼的生產流程和工藝控制技術。
現以5種常用冷作模具鋼（Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD）為研究對象，通過對其成分、性能、組織進行分析，綜合對比考慮強韌性、耐磨性、價格等因素，選取最合適的切邊沖孔模具材料，為研究高性價比切邊沖孔所需模具刀口的模具鋼材料提供指導。
1 試驗材料及方法
試驗中硬度測量使用型號為HB-3000、69-1布洛維氏硬度計，分別按照標準《GB/T231金屬布氏硬度試驗方法》和《GB/T230金屬洛氏硬度試驗方法》測試。將退火態試樣鑲嵌、磨制、拋光后用新配制的體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用NikonMA100型倒置式光學顯微鏡（OM）對試樣中間位置進行組織形貌觀察及圖像采集。
回火態的沖擊試樣尺寸：10mm×10mm×55mm，無缺口，參照《GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》檢測，沖擊試驗機為JB-50B型沖擊試驗機（沖擊能量為500J），試驗溫度為室溫。
磨損試驗采用銷盤式摩擦磨損試驗儀，試驗在常溫狀態下進行無潤滑摩擦，試樣尺寸為？20mm×3mm的圓片。工作時，試驗儀在載荷磨球的作用下用電機帶動旋轉平面試樣運轉，磨球為SiC鋼球，直徑？5mm。60N載荷無潤滑磨損時間為1h，速度為477r/min。磨損后使用白光干涉儀觀察磨損形貌及計算磨損體積。
2 成分分析
使用PMI-MASTER型直讀光譜儀測量5 種鋼的化學成分，如表1所示。
3 冶金質量分析
對5種材料進行對比分析，主要包括退火態硬度及金相、化學成分、非金屬夾雜物評級與共晶碳化物評級。5種鋼的退火態硬度值如表2所示，根據高品質鍛制冷作模具鋼聯盟技術標準（LB-C3-2016），Caldie、Cr12MoV和DC53滿足要求，ASP60和LD的退火態硬度偏高。冷作模具鋼一般在退火態進行機械加工，退火態硬度較低便于成形加工。
根據《GB/T14979-94共晶碳化物不均勻度評定法》，評級圖片對比第四評級圖（適用于熱軋、鍛制及冷拉合金工具鋼鋼材）。通過與標準評級圖的比對，得出5種鋼的共晶碳化物不均勻度如表3所示。
根據《GB/T10561-2005/ISO4967：1998鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，將退火態的金相照片與標準圖譜進行對比，分別對每類夾雜物進行評級，并與高品質鍛制冷作模具鋼聯盟技術標準（LB-C3-2016）對比，評級結果如表4所示。
性能分析4冷作模具鋼在工作時承受巨大的壓應力、彎曲力、沖擊力及摩擦力，因此主要的失效形式為開裂、崩刃和磨損。模具零件工作時承受連續、高強度的沖擊力，且由于形狀復雜、易產生應力集中而導致開裂，需要具備較高的強韌性。模具零件形狀及機加工工藝復雜、造價高，工作時摩擦力和摩擦面積大而導致磨損較大，因此修模困難，需要具備更高的耐磨性。
01 強韌性
對5種鋼的回火態硬度及沖擊韌性進行檢測并對比分析，回火態的硬度及沖擊能量數值如表5所示。
圖4 5種鋼的硬度與沖擊能量
由表5和圖4可看出，Caldie、Cr12MoV、ASP60和DC53的硬度較高，但Cr12MoV、ASP60、DC53和LD的沖擊能量較低。Caldie在保持硬度較高的同時具有很高的沖擊能量，故Caldie具有最優的強韌性，能更好地滿足切邊沖孔的工作要求。
02 耐磨性
冷作模具鋼在工作時受到較大的應力與摩擦力，要求其在摩擦下仍保持尺寸精度，故必須具有高的耐磨性以提高模具使用壽命。而模具鋼在工作過程中的磨損比較復雜。材料的硬度越高，抵抗接觸變形的能力越強，材料的耐磨性也越好。但硬度不是唯一的影響因素，因此有必要進行摩擦磨損性能測試。
圖5 磨損形貌
采用銷盤式摩擦磨損試驗儀對Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53、LD的耐磨性能進行檢測，其磨損形貌分別如圖5所示。通過白光干涉儀測量計算，Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD的磨損體積分別為0.2427、0.2454、0.1378、0.2577、0.2334mm3。ASP60由于粉末冶金工藝制造，耐磨性能優異，其余4種鋼的耐磨性能相當。
通過對5種常用冷作模具鋼（Caldie、Cr12MoV、ASP60、DC53和LD）進行成分、性能和組織對比分析，得到了以下結論：①通過對冶金質量的對比分析，Caldie的純凈度最優，冶金質量最好；②ASP60耐磨性能最優，其余4種的耐磨性能相當；③綜合考慮性能和性價比，Caldie為合適的高性價比切邊沖孔所需模具刀口的模具鋼材料。
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