模具材料的选用及性能优化分析

1 模具材料的选用

模具材料的选用需要集合模具的具体生产条件和工作条件以及材料的性能等因素进行选择。

1.1 模具的工作条件

不同的工作条件下，模具材料的选择存在一定的差异，具体如下：

（1）在模具的工作过程中，对材料强度的要求随着其所需承载能力发生变化，对材料韧性的要求则随着其所受冲击力发生变化。

（2）冷作模具在工作过程中，所受的冲击力和摩擦力通常较大，因此对模具的强度、硬度及韧性等具有较高的要求，一般选用冷作模具钢作为主要材料；热作模具在工程中则主要受到高温及热应力的作用，因此，需要较好的抗疲劳性能和热稳定性，一般结合实际工作温度选择合适的热作模具钢。

不同的模具结构对模具材料的要求也有一定差异，针对模具结构的差异，可以按照如下方法选用不同的材料：

（1）模具在热处理加工过程中，受热与冷却速度的均匀性受到截面积的影响，当截面积越大时，均匀性越差。在这种条件下，需要选择导热性及淬透性较好的材料，从而保证截面性能的均匀性。

（2）当模具的形状较为简单时，容易加工成型，可以选择低成本的碳素工具钢作为主要材料；当模具形状较为复杂时，部分位置容易产生集中应力，因此，需要选择高性能合金材料，并配合合理的淬火方式进行加工。

（3）当模具的精度要求越高时，要求加工过程中的变形越小，因此，需要根据具体的加工精度选择不同变形大小的模具材料。

1.3 模具的设计因素

在通常情况下，会将尺寸小、结构简单的模具以整体结构进行设计，为了满足整体结构模具型腔工作所需性能，一般会选择性能较好的材料；而对于结构复杂的大型模具，由于材料的费用在模具制造的总成本中会占据较大的比例，因此，通常采用多部分结构进行拼接。模具本体主要是对整体结构进行支承，因此对性能要求不高，可以选择成本相对较低的碳素钢材料；而针对模具中对工作性能要求的关键部位，则应该选用高性能的材料。

2 模具材料性能优化方法

2.1 强韧化技术

为了使模具材料的性能充分发挥，通常采用热处理技术来尽可能地增加板条马氏体的相对数量，从而提升材料的强度和韧性。要想增加板条马氏体组织的数量，需要结合实际材料的特性选择合适的淬火温度及冷却速度，不同钢种的特性差异较大，在进行热处理工艺时难以进行精确控制。

下贝氏体形成于贝氏体转变时的较低温度范围，而中、高碳钢则为350℃～Ms之间[1]。铁素体在下贝氏体中呈细小状且均匀分布，在铁素体内存在沉淀析出大量弥散的细小碳化物，具有较高的位错密度。因此，下贝氏体具有极高的强度和韧性，同时还具有较好的机械性能，有效避免了板条马氏体容易造成模具变形的缺点。为了提升模具材料的强韧度，需要以模具的使用要求及破坏特征为出发点，尤其需要注意马氏体组织材料容易变形的问题，可以通过选用有下贝氏体组织的材料作为模具的主要制造材料。

2.2 表面强化技术

表面强化处理技术是提高模具材料性能的方法之一，通过利用表面工程技术对模具表面进行强化处理（包括改性和涂覆镀层两种方式），可以有效提高模具表面的性能，且不会对模具内部的性能产生任何影响。目前，常用的模具表面强化技术主要有化学热处理方法、表面覆层及处理和表面淬火及加工强化三种方法。

热作模具在工作过程中，由于基体硬度较小，在温度急速变化过程中，模具材料存在较大的弹塑性变形，同时加上模具型腔深切结构复杂，表面强化层容易发生塌陷、过早产生热疲劳、剥落等问题。针对这一问题，在对热作模具表面进行强化处理时，应该避免对硬度的过分追求，而是需要同时提升模具的强度、韧性和耐热强度，即可使模具材料在实际应用过程中具有较好的综合性能。

2.3 复合强化技术

通过合金化、塑性变形以及热处理等多种强化技术结合起来，可以更好地满足模具材料在不同工况下对性能的需求。

（1）弥散强化。弥散强化是通过对合金第二相外加一些坚硬的细质点，并使这些细质点以细小弥散的形态均匀分布在基体中，从而实现强化的目的。在通常情况下，冷作模具可以通过合适的实效处理，来实现强化；而热作模具则可以通过加入钛、铝等元素，利用微合金化，使过冷的奥氏体发生相间沉淀并由铁素体中析出弥散碳化物，这些微粒可以避免合金发生错位运动，从而使模具性能更加稳定。弥散强化对模具的工作温度具有一定的要求，通常要求模具的工作温度小于650℃，如果温度过高，就会使弥散为例集聚长大的速度加快，材料的塑性变形抗性快速下降，强度也随之下降。

（2）固溶强化。固溶强化主要是通过形成固溶体的方式提升材料的性能，其利用溶质原子与错位的交互作用来达到强化材料的目的。当模具的工作温度超高650℃时[2]，弥散强化的强化作用会出现大幅度降低，而固溶强化的效果与温度有关，当温度越高时，固溶强化的效果越明显，因此，当弥散强化效果降低时，可以利用固溶强化机制保证模具材料的性能。

3 结束语

模具材料的具体选择需要结合材料的化学成分、模具的性能要求、处理工艺等多个方面的因素。同时，还需要考虑材料的成本及加工难度等因素，确定合适的模具材料。另外，可以通过强化技术对模具材料的性能进行优化，以弥补材料在某些特定条件下或者某方面的性能缺陷，全面提升模具产品的质量水平，进一步推动整个装备制造业的发展。