模具钢 VIKING 瑞典

VIKING简介

      VIKING(ASSAB TOOLING瑞典一胜百高耐磨性高韧性冷作模具钢)是一种油冷、气冷硬化模具钢，具有下列特性：①良好的热处理尺寸稳定性；②良好的机加工和磨耐加工性能；③综合了极佳的韧性和耐磨性；④常用硬度范围为52－55HRC。

模具工作条件

      模具使用状态受多方面影响，如模具的润滑、冷却、模座刚性、被加工材料的特性（磨粒磨损和粘着磨损）、被加工件的厚度、模具及产品设计及模具使用寿命等等。在冲切过程中，模具必须具备一定的韧性。当冲切厚的板材和钢带时，模具冲切刃口会承受很高的拉应力，所以要求模具必须具有很高的韧性才不至于开裂。被加工件厚度越厚对模具韧性要求就越高，此时就必须选用高韧性且耐冲击的模具材料，同时还必须具有良好的耐磨性以保证合理经济的生产运转。

组织结构

      VIKING经1010℃淬火及540℃两次回火后的组织包括碳化物，回火马氏体和大约1%残余奥氏体。

VIKING性质

化学成分

      一般用于高载荷冲切和成型加工的耐冲击钢种都不能提供*佳的综合性能：

      S1 -淬透性和耐磨性

      W.-Nr.1.2767 -耐磨性差

      H13 -耐磨性和抗压强度不足

      S7 -长寿命生产运转中、耐磨性不足

      VIKING是一种适用于高载荷冲切和成型加工，具有高耐磨性和高韧性的多用途高合金模具钢。

      被加工材料厚度可达25mm之冲切和冲孔模；

      其它用途：精冲模；切边模；深拉模；冷锻模；摆碾模；轧辊；形状复杂的冷挤模；制管拉伸模等。

物理性能

      VIKING硬化至52-54HRC,室温及高温之物理性能.

抗拉强度

      抗拉强度是一个常用的参考数值,所有试样均取自直径为35mm的圆棒之轧制方向,试样经1010±℃油淬及回火二次至不同硬度。

抗压强度

      试样之取样及热处理方式与抗拉强度测试之试样相同。

VIKING应用

热处理

1.软性退火

      在保护气氛中加热至880℃，再以每小时约10℃的冷却速度炉冷到650℃，然后空冷。

2.应力消除

      粗加工后，模具加热至650℃，保温2小时，缓冷至500℃，然后空冷。

3.热锻

      锻造温度1090℃~900℃。模具缓慢加热并均匀至约700℃，然后快速加热至热锻温度。锻打后，模具应置于炉中、木炭中、沙子中或蛭石中缓慢冷却。

4.淬火

      （1）预热温度 ：600-700℃，

      （2）奥氏体化温度：980-1050℃,通常采用1010℃。

      （3）保温时间=模具达到淬火温度透热后，所在需要的保持时间。

      （4）防脱碳的保护措施

      淬火时，防脱碳和氧化的保护措施，建议如下：

      ①中性盐浴加热；②用铸铁屑,焦碳包裹模具；③保护气氛-吸热性气体；④真空。

      （5）淬火介质

      ①循环气体或空气；②高速气体；③在200-550℃分级炉中淬火,1-120分钟,然后空冷；④油。

      注意：模具冷却至50－70℃应马上回火。

      （6）转变温度

      当以每小时100℃的速度加热时,奥氏体大约在800℃开始形成；在约850℃转变结束。当以每小时100℃的速度冷却时，奥氏体大约在820℃时开始转变，约在750℃转变结束。

5.回火

      缓慢均匀加热至回火温度，回火二次，**回火温度180℃，保温至少2小时。

6.火焰硬化和感应硬化

      VIKING可用火焰硬化和高频感应硬化。为使火焰或感应硬化后获得均匀的硬度，模具应首先预硬至35±2HRC，火焰硬化或感应硬化后应至少在180℃回火。

7.空冷后的尺寸改变

      试样：100×100×25mm

8.氮化

      氮化处理使得模具具有一层坚硬的表面氮化层以提高其耐磨损和耐腐蚀性能。在525℃氨气氮化后，模具表面硬度可高达约1000HV。570℃软氮化二小时，模具可得到一层很薄的表面硬化层，硬度为900~1000HV。

电火花加工（EDM）

      硬化后模具进行电火花加工后应以低于上次回火温度25℃的温度再回火一次。

VIKING的焊接

      模具钢的焊接，采取适当保护措施（如模具预热，焊缝预加工，合适的焊条和焊接工艺）方可获得好的焊接效果。VIKING能够做焊接处理，模具经预热可减少焊接开裂的风险。

焊接注意要点如下：

      （1）退火状态VIKING的焊接

      ①预热至300-400℃；②在300-400℃时焊接；③模具缓慢冷却至约80℃后立即软性退火；④淬火和回火。

      （2）硬化状态VIKING的焊接

      ①预热至先前回火温度，**250℃，*高300℃；②在此温度焊接，焊接温度不得低于200℃；③空冷到约80℃；④焊补后应马上回火，回火温度低于上次回火温度25℃。

      注意：退火态VIKING焊接时，应选用与基体材料相同成分的焊条。硬化态VIKING电焊时，使用OK84.52焊条或UTP67焊条。氩弧焊时，使用UTP A 67S或Castolin CastoTIG5焊丝。

模具钢简介

      模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本、而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。

      模具钢大致可分为：冷轧模具钢、热轧模具钢和塑料模具钢三类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。由于这类用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢的性能要求也不同。

      冷轧模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具用钢，按其所制造具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳合金钢，碳质量分数在0.80%以上，铬是这类钢的重要合金元素，其质量分数通常不大于5%。但对于一些耐磨性要求很高，淬火后变形很小模具用钢，*高铬质量分数可达13%，并且为了形成大量碳化物，钢中碳质量分数也很高，*高可达2.0%~2.3%。冷作模具钢的碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常用的钢类有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。

      热轧模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型，包括热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。热变形模具在工作中除要承受巨大的机械应力外，还要承受反复受热和冷却的做用，而引起很大的热应力。热作模具钢除应具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性外，还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性，此外还要求具有较高的淬透性，以保证整个截面具有一致的力学性能。对于压铸模用钢，还应具有表面层经反复受热和冷却不产生裂纹，以及经受液态金属流的冲击和侵蚀的性能。这类钢一般属于中碳合金钢，碳质量分数在0.30%~0.60%，属于亚共析钢，也有一部分钢由于加入较多的合金元素（如钨、钼、钒等）而成为共析或过共析钢。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。

      塑料模具包括热塑性塑料模具和热固性塑料模具。塑料模具用钢要求具有一定的强度、硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性等性能。此外，还要求具有良好的工艺性，如热处理变小、加工性能好、耐蚀性好、研磨和抛光性能好、补焊性能好、粗糙度高、导热性好和工作条件尺寸和形状稳定等。一般情况下，注射成形或挤压成形模具可选用热作模具钢；热固性成形和要求高耐磨、高强度的模具可选用冷作模具钢。

性能要求

A.强度性能

      (1)硬度硬度是模具钢的主要技术指标，模具在高应力的作用下欲保持其形状尺寸不变，必须具有足够高的硬度。冷作模具钢在室温条件下一般硬度保持在HRC60左右，热作模具钢根据其工作条件，一般要求保持在HRC40~55范围。对于同一钢种而言，在一定的硬度值范围内，硬度与变形抗力成正比；但具有同一硬度值而成分及组织不同的钢种之间，其塑性变形抗力可能有明显的差别。

      (2)红硬性在高温状态下工作的热作模具，要求保持其组织和性能的稳定，从而保持足够高的硬度，这种性能称为红硬性。碳素工具钢、低合金工具钢通常能在180~250℃的温度范围内保持这种性能，铬钼热作模具钢一般在550~600℃的温度范围内保持这种性能。钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理工艺。

      (3)抗压屈服强度和抗压弯曲强度模具在使用过程中经常受到强度较高的压力和弯曲的作用，因此要求模具材料应具有一定的抗压强度和抗弯强度。在很多情况下，进行抗压试验和抗弯试验的条件接近于模具的实际工作条件（例如，所测得的模具钢的抗压屈服强度与冲头工作时所表现出来的变形抗力较为吻合）。抗弯试验的另一个优点是应变量的绝对值大，能较灵敏地反映出不同钢种之间以及在不同热处理和组织状态下变形抗力的差别。

B.韧性

      在工作过程中，模具承受着冲击载荷，为了减少在使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏，要求模具钢具有一定的韧性。

      模具钢的化学成分，晶粒度，纯净度，碳化物和夹杂物等的数量、形貌、尺寸大小及分布情况，以及模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素都对钢的韧性带来很大的影响。特别是钢的纯净度和热加工变形情况对于其横向韧性的影响更为明显。钢的韧性、强度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此，要合理地选择钢的化学成分并且采用合理的精炼、热加工和热处理工艺，以使模具材料的耐磨性、强度和韧性达到*佳的配合。

      冲击韧性系表特征材料在一次冲击过程中试样在整个断裂过程中吸收的总能量。但是很多工具是在不同工作条件下疲劳断裂的，因此，常规的冲击韧性不能全面地反映模具钢的断裂性能。小能量多次冲击断裂功或多次断裂寿命和疲劳寿命等试验技术正在被采用。

C.耐磨性

      决定模具使用寿命*重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨损主要是机械磨损、氧化磨损和熔融磨损三种类型。为了改善模具钢的耐磨性，就要既保持模具钢具有高的硬度，又要保证钢中碳化物或其他硬化相的组成、形貌和分布比较合理。对于重载、高速磨损条件下服役的模具，要求模具钢表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，保持润滑作用，减少模具和工件之间产生粘咬、焊合等熔融磨损，又能减少模具表面进行氧化造成氧化磨损。所以模具的工作条件对钢的磨损有较大的影响。

      耐磨性可用模拟的试验方法，测出相对的耐磨指数，作为表征不同化学成分及组织状态下的耐磨性水平的参数。以呈现规定毛刺高度前的寿命，反映各种钢种的耐磨水平；试验是以Cr12MoV钢为基准进行对比。

D.抗热疲劳能力

      热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外，还受到高温及周期性的急冷急热的作用，因此，评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标，它包括热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。

      热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命，抗热疲劳性能高的材料，萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多；机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后，在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时，每一应力循环的扩展量；断裂韧性反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的材料，其中的裂纹如要发生失稳扩展，必须在裂纹尖端具有足够高的应力强度因子，也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下，在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹，如果模具材料的断裂韧性值较高，则裂纹必须扩展得更深，才能发生失稳扩展。

      也就是说，抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的那部分寿命；而裂纹扩展速率和断裂韧性，可以决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。因此，热作模具如要获得高的寿命，模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。

      抗热疲劳性能的指标可以用萌生热疲劳裂纹的热循环数，也可以用经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均的深度或长度来衡量。

E.咬合抗力

      咬合抗力实际就是发生“冷焊”时的抵抗力。该性能对于模具材料较为重要。试验时通常在干摩擦条件下，把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料（如奥氏体钢）进行恒速对偶摩擦运动，以一定的速度逐渐增大载荷，此时，转矩也相应增大，该载荷称为“咬合临界载荷”，临界载荷愈高，标志着咬合抗力愈强。

用途

      加工模具时用的，由于模具的用途很广，各种模具的工作条件差别很大，所以，制造模具用材料范围很广，在模具材料中应用*广的当属模具钢。从—般的碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、高速工具钢、不锈耐热钢直到适应特殊模具需要的马氏体时效钢以及粉末高速钢、粉末高合金模具钢等。模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。

冷作模具钢

      冷作模具钢主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成型的模具。如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具钢的范围很广，从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。

热作模具钢

      热作模具钢主要用于制造对高温状态下的工件进行压力加工的模具。如：热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦锻模具等。常用的热作模具钢有：中高含碳量的添加Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具钢；对特殊要求的热作模具钢，有时采用高合金奥氏体耐热模具钢制造。

塑料模具钢

      由于塑料的品种很多，对塑料制品的要求差别也很大，对制造塑料模具的材料也提出了各种不同的性能要求。所以，不少工业发达的国家已经形成了范围很广的塑料模具用钢系列。包括碳素结构钢、渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐蚀塑料模具钢、易切塑料模具钢、整体淬硬型塑料模具钢、马氏体时效钢以及镜面抛光用塑料模具钢等。

高强度

      当今高强钢、超高强钢很好的实现了车辆的轻量化，提高了车辆的碰撞强度和安全性能，因此成为车用钢材的重要发展方向。但随着板料强度的提高，传统的冷冲压工艺在成型过程中容易产生破裂现象，无法满足高强度钢板的加工工艺要求。在无法满足成型条件的情况下，国际上逐渐研究超高强度钢板的热冲压成形技术。该技术是综合了成形、传热以及组织相变的一种新工艺，主要是利用高温奥氏体状态下，板料的塑性增加，屈服强度降低的特点，通过模具进行成形的工艺。但是热成型需要对工艺条件、金属相变、CAE分析技术进行深入研究，该技术被国外厂商垄断，国内发展缓慢。

      过去在生产深冲或者重冲工件，大家都认为耐压型(EP) 润滑油是保护模具的*好选择。硫和氯EP添加剂被混合到纯油中来提高模具寿命已经有很长的历史了。但是随着新金属--高强度钢的出现，环保要求的严格，EP油基润滑油的价值已经减少，甚至失去市场。

      在高温下高强度钢的成型，EP油基润滑油失去了它的性能，无法在极温应用中提供物理的模具保护隔膜。而极温型的IRMCO高固体聚合物润滑剂则可以提供必要的保护。随着金属在冲压模具中变形，温度不断升高，EP油基润滑油都会变薄，有些情况下会达到闪点或者烧着（冒烟）。IRMCO高分子聚合物润滑剂一般开始喷上去时稠度低得多。随着成形过程中温度的上升，会变得更稠更坚韧。实际上高分子聚合物极温润滑剂都有“热寻性”而且会粘到金属上，形成一个可以降低摩擦的隔膜。这个保护屏障可以允许工件延展，在*高要求的工件成型时没有破裂和粘接，以此来控制摩擦和金属流动。有效的保护了模具，延长了模具使用寿命，提高了冲压的强度。

质量提高

      1.利用Ca、稀土等微量元素对夹杂物的变质作用，改变钢中的夹杂物的结构形貌和物性，使钢中夹杂物球化、细化，从而提高钢材的力学性能。

      2.对钢锭进行高温扩散热处理，可以改善钢锭的成分不均匀性，从而提高钢材的横向性能。

      3.在热加工方面，对钢锭进行反复的镦拔和多向轧制，增大变形量，可降低钢中的碳化物偏析的级别，也有利于改善钢材的各向异性。

      4.钢的纯净度对模具钢材的等向性能有很大的影响，采用二次精炼技术（包括真空精炼、ESR和钢包喷粉等），可以提高钢材的纯净度，尤其降低钢中的有害杂质的含量，对提高性能十分有益。

发展方向

      模具日趋大型化。一方面，模具成型林间日趋大型化，另一方面，为了提高生产效率，一模多腔，因此大型模具钢需求量将逐年增加；模具的精度越来越高，要求钢材的质量好，尺寸稳定性好；塑料模具钢、压铸模具钢的需求量不断增加；中高档模具钢的需求量不断增加，低档次模具钢过剩；另外，随着模具标准件应用日益广泛，模具标准化、商品化程度的提高，对于模具钢产品质量、品种规格以及交货周期将提出更高的要求。此模具钢类似于一个4330合金，洁净钢生产技术。它具有优异的尺寸稳定性，并一直工作锌，铝合金压铸，塑料和橡胶模具的现场验证，并形成所有类型的金属片。它将接受各种形式的表面处理，包括火焰和感应硬化，硬质合金涂层，PVD和氮化。所以，SKD61模具钢不仅有模具钢的优点，更有一些合金钢产品的特点。将会带动国内模具钢产业的大发展。

      因此，钢铁企业要根据国内模具制造业发展的趋势和模具市场的需求，紧抓研制开发高精度、高韧性、耐腐蚀、高质量的模具钢新品种，使国产的热作和冷作模具钢达到世界先进水平。相信在未来的日子，我们生产模具钢的质量和技术会越来越好，模具钢的市场也会得到更快更好的发展，将会带领国内模具钢产业迈上更高层次的发展。美好的未来，我们拭目以待。

模具钢密度

      就国内外使用的模具钢材而言，模具钢密度一般都在7.85左右，通常模具钢是锻造件，密度在8000-8400千克/立方米。不同模具钢材中加入的合金元素比例不一样，模具钢密度会有小范围的差别。

      密度是物质的特性之一，每种物质都有一定的密度，不同物质的密度一般是不同。因此我们可以利用密度来鉴别物质。所以我们可以根据密度公式ρ=M/V，计算出任意一种模具钢的密度。

      根据密度公式：ρ=m/v，也就是说决定模具钢质量和体积的因素决定了模具钢密度。那么从微观的角度来讲的话，就是分子量和分子间隙共同决定物质的密度。体积、大小、质量、压强、压力和温度影响物质密度，虽然物质密度物质的本身属性，它是一定的，但是物质有各种状态，当物质形成态的转化的时候，密度才会变化。比如水，升温可导致水的气化，密度变小，加压又可以使水蒸气从新凝结为液态水，密度变大。大家都知道铁的密度7.8g/cm3，模具钢材是铁和一些微量的合金元素形成的，微量的合金元素占的比例非常少，但是在模具钢材成形的过程会形成不同的化合物，每一种化合物所占有的空间不一样，导致同样体积的模具钢材，其内部的空隙不一样，这就是影响模具钢密度的主要因素。但由于模具钢材加入的合金元素分量不到10%对模具钢材整体的影响小，所以密度也接近铁的密度。