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模具行業(yè)被稱(chēng)為“制造業(yè)之母”，過(guò)去三十幾年間，在中國(guó)逐漸發(fā)展成為全球制造業(yè)中心的過(guò)程中，模具行業(yè)在國(guó)內(nèi)得以蓬勃發(fā)展。當(dāng)下隨著中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，高端模具制造成為國(guó)內(nèi)眾多模具制造公司的發(fā)展方向。對(duì)于高端模具制造從業(yè)者來(lái)說(shuō)，其中重要的一環(huán)是選擇高品質(zhì)的模具鋼做為原材料以獲得模具設(shè)計(jì)性能。然而對(duì)于大多數(shù)模具從業(yè)人員來(lái)說(shuō)，如何研判一種模具材料品質(zhì)的高低是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)且復(fù)雜的工作。本文力圖通過(guò)對(duì)模具鋼材料一項(xiàng)更常用的指標(biāo)“純凈度指標(biāo)”的分析，淺談模具材料的品質(zhì)對(duì)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(nèi)部所含非金屬夾雜物的數(shù)量、類(lèi)型、形貌、尺寸及分布等有關(guān)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(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素的含量在單位體積內(nèi)百分比數(shù)值越小，則模具鋼的純凈度越高。
模具
純凈度對(duì)模具性能的影響
模具鋼的純凈度(非金屬夾雜物含量)對(duì)鋼材的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)表明夾雜物的成分、數(shù)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(jìn)而對(duì)模具的使用性能和壽命產(chǎn)生直接影響。
在經(jīng)過(guò)相同熱處理和機(jī)加工后，牌號(hào)(化學(xué)成分)相同的模具鋼材料，由于鋼材本身純凈度不同，其生產(chǎn)出的模具在同樣的工況條件下會(huì)表現(xiàn)出不同的使用性能。
強(qiáng)度：模具鋼材中的夾雜物顆粒越大、模具的強(qiáng)度越差，產(chǎn)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(huì)明顯影響模具型腔表面的光潔度，影響到拋光的等級(jí)，甚至導(dǎo)致整套模具經(jīng)過(guò)完整加工后在拋光時(shí)發(fā)現(xiàn)不得不報(bào)廢。
塑性：帶狀?yuàn)A雜物(主要以硫化物為主)的增加會(huì)導(dǎo)致橫向斷面收縮率明顯降低。
韌性：硫化物的含量增加會(huì)降低鋼的各種韌性指標(biāo)，鋼的斷裂韌性隨著夾雜物數(shù)量或長(zhǎng)度的增加而下降，會(huì)導(dǎo)致模具韌性下降，在設(shè)計(jì)模次內(nèi)發(fā)生開(kāi)裂、斷裂或崩裂。
抗疲勞性：夾雜物會(huì)使模具的抗疲勞性能下降，通常來(lái)說(shuō)脆性?shī)A雜物(A類(lèi))和大尺寸外來(lái)氧化物夾雜影響更加明顯，導(dǎo)致模具提前報(bào)廢失效。
焊接性能：硫化物夾雜和大尺寸氧化物夾雜都會(huì)使模具的焊接性能下降。
抗腐蝕性：復(fù)合夾雜物的存在會(huì)使模具產(chǎn)生點(diǎn)狀銹蝕。
切削性能：氧化鋁、氧化鈣、氧化錳和鈣鋁酸鹽類(lèi)氧化物夾雜，會(huì)在很大程度上降低鋼材的切削性能。
模具
如何評(píng)測(cè)鋼材的純凈度
模具鋼中常見(jiàn)的非金屬夾雜物：依其性質(zhì)、形態(tài)、變形特征和對(duì)材料性能的影響主要分為幾個(gè)大類(lèi)：
(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(jù)這些夾雜物的數(shù)量和分布來(lái)評(píng)定鋼的純凈度，成為評(píng)定模具鋼品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。通常鋼廠在模具鋼生產(chǎn)完畢后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行純凈度檢測(cè)，主要采用的檢測(cè)方法為：
標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法：
目前國(guó)內(nèi)外模具鋼材料行業(yè)更廣泛使用的評(píng)級(jí)方法為：AISIE45標(biāo)準(zhǔn)
其對(duì)夾雜物的類(lèi)別分為4類(lèi)：A類(lèi)：硫化物B類(lèi)：氧化鋁C類(lèi)：硅酸鹽D類(lèi)：球狀氧化物。每類(lèi)夾雜物按其厚度或直徑的不同，又分為粗系和細(xì)系兩個(gè)系列，每個(gè)系列由表示夾雜物含量遞增的5級(jí)(1級(jí)至5級(jí))圖片組成。評(píng)定夾雜物級(jí)別時(shí)，允許評(píng)半級(jí)，如0.5級(jí)、1.5級(jí)等。評(píng)級(jí)圖參考如下：
模具鋼雜物評(píng)級(jí)
綜上所述，模具鋼材的純凈度直接對(duì)模具后期的各項(xiàng)使用性能有顯著影響，那么國(guó)內(nèi)外鋼廠是如何努力提高模具鋼材料的純凈度，且其實(shí)際產(chǎn)品的夾雜物控制水平和效果又如何呢？在回答這些問(wèn)題前，先讓我們介紹下模具鋼基體中夾雜物的組成和分類(lèi)。模具鋼中的夾雜物按照化學(xué)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?shī)A雜物；脆性?shī)A雜物和點(diǎn)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(lái)源可分為：外來(lái)夾雜(如耐火材料、熔渣、電渣或其反應(yīng)產(chǎn)物)和內(nèi)生夾雜(如在冶煉、澆注、凝固過(guò)程中固體鋼內(nèi)進(jìn)行物化反應(yīng)時(shí)來(lái)不及排出而殘存的氧、硫、氮等反應(yīng)生成物)。
根據(jù)以上分類(lèi)我們不難理解，模具鋼材的純凈度和夾雜物控制水平會(huì)受到如下因素的影響：
化學(xué)成分(合金成分的配比及合金含量都會(huì)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(shè)備的維護(hù)及清潔生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和質(zhì)量控制體系等國(guó)內(nèi)目前模具材料行業(yè)中流行的說(shuō)法“材料的純凈度與是否使用過(guò)二次冶煉(電渣重熔)技術(shù)有關(guān)”，是不正確的，其實(shí)影響材料純凈度的因素要復(fù)雜得多。舉例來(lái)說(shuō)：國(guó)內(nèi)外很多使用電渣重熔ESR工藝的材料，其純凈度并沒(méi)有達(dá)到一個(gè)很高的水平，有些時(shí)候甚至?xí)捎陔娫械碾s質(zhì)混入降低了鋼材的純凈度，在歐洲大部分鋼廠并沒(méi)有使用二次冶煉，仍能生產(chǎn)出純凈度極高的模具鋼材。
在模具鋼生產(chǎn)和制造領(lǐng)域，瑞典的模具鋼在全世界范圍內(nèi)都有很好的口碑，其中一個(gè)重要的原因：瑞典是全世界更早將“高純凈度”做為生產(chǎn)鋼材中追求的更重要指標(biāo)，且不斷加以深入研究和探索的。在過(guò)去300多年的歷史中，瑞典一直將這一優(yōu)勢(shì)保持，即使是微小差距也足以使其產(chǎn)品質(zhì)量明顯優(yōu)于其他的特鋼產(chǎn)品。瑞典的幾個(gè)鋼廠(進(jìn)口、斯堪納鋼鐵集團(tuán)、瑞鋼集團(tuán))在國(guó)內(nèi)的品牌無(wú)不主打“超純凈熔煉”或者“超純凈鋼”的概念，以突出其產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。瑞典鋼廠提供的模具鋼(以：2738為例)其A.B.C.D四類(lèi)夾雜物，在精煉級(jí)別加上超純凈熔煉技術(shù)下生產(chǎn)出的鋼材，實(shí)測(cè)夾雜物都可以控制在(0.5/0.5/1/1)以?xún)?nèi)，這個(gè)指標(biāo)遠(yuǎn)高于歐洲的通用標(biāo)準(zhǔn)(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(chǔ)上推出了VIP技術(shù)，在鋼鐵制造中利用對(duì)非金屬夾雜物數(shù)量、尺寸和形態(tài)的控制，進(jìn)一步提高模具鋼的純凈度水平(據(jù)悉已達(dá)到P級(jí)的ESR水平)并同時(shí)改善了材料的等向性。在臺(tái)灣市場(chǎng)，不少專(zhuān)業(yè)且聰明的模具鋼供應(yīng)商更是利用瑞典材料高純凈度這一特性，以瑞典生產(chǎn)的2311向客戶(hù)推薦替代部分進(jìn)口2738的應(yīng)用，其拋光性能完全達(dá)到2738的水平，贏得了客戶(hù)的滿(mǎn)意度且為客戶(hù)降低了成本。
大道至簡(jiǎn)，看似模具鋼一個(gè)簡(jiǎn)單的“純凈度”指標(biāo)，卻對(duì)模具的使用性能有著深遠(yuǎn)的影響。筆者僅以此文祝愿國(guó)內(nèi)更多有遠(yuǎn)見(jiàn)的鋼廠，秉承精益求精的精神在高端模具鋼領(lǐng)域?yàn)榭蛻?hù)帶來(lái)穩(wěn)定的高品質(zhì)模具鋼材料，在提升國(guó)產(chǎn)品牌的同時(shí)創(chuàng)造更多的價(jià)值。
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