模具行業被稱為“制造業之母”，過去三十幾年間，在中國逐漸發展成為全球制造業中心的過程中，模具行業在國內得以蓬勃發展。當下隨著中國制造業的轉型與升級，高端模具制造成為國內眾多模具制造公司的發展方向。對于高端模具制造從業者來說，其中重要的一環是選擇高品質的模具鋼做為原材料以獲得模具設計性能。然而對于大多數模具從業人員來說，如何研判一種模具材料品質的高低是一項專業且復雜的工作。本文力圖通過對模具鋼材料一項很常用的指標“純凈度指標”的分析，淺談模具材料的品質對模具性能的影響。

 

　　什么是鋼材的純凈度

 

　　鋼材的純凈度主要描述鋼材內部所含非金屬夾雜物的數量、類型、形貌、尺寸及分布等有關信息。“非金屬夾雜物”通常指殘留在模具鋼中的氧、硫、磷、氫、氮等有害雜質元素，這些雜質元素的含量在單位體積內百分比數值越小，則模具鋼的純凈度越高。

 

 

　　純凈度對模具性能的影響

 

　　模具鋼的純凈度(非金屬夾雜物含量)對鋼材的強度、塑性、斷裂韌性、切削、疲勞、熱脆以及耐蝕等性能都有很大影響。實驗表明夾雜物的成分、數量、形狀、分布以及在基體中的空間分布等都直接影響模具鋼的物理特性，進而對模具的使用性能和壽命產生直接影響。

 

　　在經過相同熱處理和機加工后，牌號(化學成分)相同的模具鋼材料，由于鋼材本身純凈度不同，其生產出的模具在同樣的工況條件下會表現出不同的使用性能。

 

　　強度：模具鋼材中的夾雜物顆粒越大、模具的強度越差，產生踏角、刮花的可能性越高。

 

　　拋光：非金屬夾雜物尤其是氧化物夾雜會明顯影響模具型腔表面的光潔度，影響到拋光的等級，甚至導致整套模具經過完整加工后在拋光時發現不得不報廢。

 

　　塑性：帶狀夾雜物(主要以硫化物為主)的增加會導致橫向斷面收縮率明顯降低。

 

　　韌性：硫化物的含量增加會降低鋼的各種韌性指標，鋼的斷裂韌性隨著夾雜物數量或長度的增加而下降，會導致模具韌性下降，在設計模次內發生開裂、斷裂或崩裂。

 

　　抗疲勞性：夾雜物會使模具的抗疲勞性能下降，通常來說脆性夾雜物(A類)和大尺寸外來氧化物夾雜影響更加明顯，導致模具提前報廢失效。

 

　　焊接性能：硫化物夾雜和大尺寸氧化物夾雜都會使模具的焊接性能下降。

 

　　抗腐蝕性：復合夾雜物的存在會使模具產生點狀銹蝕。

 

　　切削性能：氧化鋁、氧化鈣、氧化錳和鈣鋁酸鹽類氧化物夾雜，會在很大程度上降低鋼材的切削性能。

 

 

　　如何評測鋼材的純凈度

 

　　模具鋼中常見的非金屬夾雜物：依其性質、形態、變形特征和對材料性能的影響主要分為幾個大類：

 

　　(1) A硫化物 (2) B氧化鋁 (3)硅酸鹽 (4)球狀氧化物 (5)氮化物

 

　　根據這些夾雜物的數量和分布來評定鋼的純凈度，成為評定模具鋼品質的一個重要指標。通常鋼廠在模具鋼生產完畢后，會對其進行純凈度檢測，主要采用的檢測方法為：

 

　　標準評級圖法：

 

　　目前國內外模具鋼材料行業很廣泛使用的評級方法為：AISI E45標準

 

　　其對夾雜物的類別分為4類： A類：硫化物B類：氧化鋁 C類： 硅酸鹽 D類：球狀氧化物。每類夾雜物按其厚度或直徑的不同，又分為粗系和細系兩個系列，每個系列由表示夾雜物含量遞增的5級(至5級)圖片組成。評定夾雜物級別時，允許評半級，如0.5級、1.5級等。評級圖參考如下：

 

 

　　綜上所述，模具鋼材的純凈度直接對模具后期的各項使用性能有顯著影響，那么國內外鋼廠是如何努力提高模具鋼材料的純凈度，且其實際產品的夾雜物控制水平和效果又如何呢？在回答這些問題前，先讓我們介紹下模具鋼基體中夾雜物的組成和分類。模具鋼中的夾雜物按照化學成分不同可以分為氧化物、硫化物、(碳)氮化物，磷化物等；按夾雜物可塑性可分為：塑性夾雜物；脆性夾雜物和點狀不變形夾雜物等；按照夾雜物尺寸大小亦可分為顯微夾雜和宏觀夾雜；按夾雜物的來源可分為：外來夾雜(如耐火材料、熔渣、電渣或其反應產物)和內生夾雜(如在冶煉、澆注、凝固過程中固體鋼內進行物化反應時來不及排出而殘存的氧、硫、氮等反應生成物)。

 

　　根據以上分類我們不難理解，模具鋼材的純凈度和夾雜物控制水平會受到如下因素的影響：

 

　　化學成分(合金成分的配比及合金含量都會影響非金屬夾雜物的水平)冶煉工藝(除渣、除氣、除雜等)二次冶煉(ESR：電渣重熔)煉鋼設備的維護及清潔生產工藝的穩定性和質量控制體系等   國內目前模具材料行業中流行的說法“材料的純凈度與是否使用過二次冶煉(電渣重熔)技術有關”，是不正確的，其實影響材料純凈度的因素要復雜得多。舉例來說：國內外很多使用電渣重熔ESR工藝的材料，其純凈度并沒有達到一個很高的水平，有些時候甚至會由于電渣中的雜質混入降低了鋼材的純凈度，在歐洲大部分鋼廠并沒有使用二次冶煉，仍能生產出純凈度很高的模具鋼材。

 

　　在模具鋼生產和制造領域，瑞典的模具鋼在全世界范圍內都有很好的口碑，其中一個重要的原因：瑞典是全世界很早將“高純凈度”做為生產鋼材中追求的很重要指標，且不斷加以深入研究和探索的國家。在過去300多年的歷史中，瑞典一直將這一優勢保持，即使是微小差距也足以使其產品質量明顯優于其他國家的特鋼產品。瑞典的幾個鋼廠(伍德霍姆、斯堪納鋼鐵集團、瑞鋼集團)在國內的品牌無不主打“超純凈熔煉”或者“超純凈鋼”的概念，以突出其產品優勢。瑞典鋼廠提供的模具鋼(以：2738為例)其A.B.C.D四類夾雜物，在精煉級別加上超純凈熔煉技術下生產出的鋼材，實測夾雜物都可以控制在(0.5/0.5/1/1)以內，這個指標遠高于歐洲的通用標準(1.5/1.5/2.0/2.0)。瑞典斯堪納鋼廠更是在超純凈熔煉的基礎上推出了VIP技術，在鋼鐵制造中利用對非金屬夾雜物數量、尺寸和形態的控制，進一步提高模具鋼的純凈度水平(據悉已達到P級的ESR水平)并同時改善了材料的等向性。在臺灣市場，不少專業且聰明的模具鋼供應商更是利用瑞典材料高純凈度這一特性，以瑞典生產的2311向客戶推薦替代部分進口2738的應用，其拋光性能完全達到2738的水平，贏得了客戶的滿意度且為客戶降低了成本。

 

　　大道至簡，看似模具鋼一個簡單的“純凈度”指標，卻對模具的使用性能有著深遠的影響。筆者僅以此文祝愿國內更多有遠見的鋼廠，秉承精益求精的精神在高端模具鋼領域為客戶帶來穩定的高品質模具鋼材料，在提升國產品牌的同時創造更多的價值。