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模具钢概况及其发展动向

时间: 2011-07-10 10:00 来源: 作者: 点击:

模具材料是模具制造业的物质和技术基础,其中模具钢是传统的模具材料,其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命和制造周期起着决定性的作用。

模具钢的发展也推动了工业产品向高级化、个体化、高附加值化的方向发展。

一、模具的分类

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,在模具材料中应用最广的当属模具钢。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、热作模具钢和塑料成型用模具钢三大类

1.1 冷作模钢

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。

1.2 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。

1.3 塑料模具用钢

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。

二、模具钢材料的选择

2.1 模具钢材料选择的基本原则

根据模具的生产条件和模具的工作条件的需要,结合模具钢材料的基本性能和相关的因素,未来选择适合模具需要的经济上合理,技术上先进的模具钢。对于一种模具,如果单纯以材料的基本性能考虑,几种模具材料都能符合要求,然而必须综合考虑模具的使用寿命,模具制造工艺过程的难易程度,模具制造的费用以及分摊到制造的每一个工件上的模具费用等多种因素,进行综合分析评价,才能得出符合实际的正确结论。

2.2 模具钢选择的主要指标

模具钢选择的主要指标,包括以下三个方面:模具钢的基本性能;模具钢的工艺性能;模具钢的冶金质量。

2.2.1 模具钢的基本性能

一般指模具钢的耐磨性、韧性、硬度和红硬性。这三种性能可以比较全面地反映模具钢的综合性能。

(1)耐磨性 模具工作时,表面往往要与工件产生多次强烈的摩擦,这样便要求制作模具的材料能承受机械磨损,即使在承受重载和高速摩擦时,也不至于和被加工工件的表面之间产生粘附、焊接招致工件表面擦伤,使模具仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度。

(2)模具钢的韧性 对于受强烈冲击载荷的模具,如冷作模具的冲头、锤用热锻模具、冷镦模具、热锻模具等,模具钢的韧性是十分重要的考虑因素,对于在高温下工作的模具,还必须考虑其在高温下的高温韧性。对于多向受冲击载荷的模具,还必须考虑其向性。

(3)硬度和红硬性 硬度是模具钢的主要技术性能指标,模具在工作时必须具有高的硬度和强度,才能保持其原来的形状和尺寸,一般冷作模具钢,要求其淬回火硬度为HRC60左右,而热作模具钢则为HRC45-50左右。

红硬性是指材料在一定温度下保持其硬度和组织稳定性抗软化的能力,对于热作模具钢和部分重载荷冷作模具钢,是重要的性能指标。

2.2.2 磨具钢的工艺性能

一般指可加工性、淬火温度范围和淬火变形程度、淬透性和淬硬性、氧化脱碳敏感性。

(1)可加工性 包括冷加工性能,如:切削、磨削、抛光、冷挤压、冷拉工艺性,热加工性能包括热塑性和热加工范围温度等。

(2)淬火温度范围和淬火变形 要求模具钢有较宽的淬火温度范围和程度较小的淬火变形。

(3)淬透性和淬硬性 淬硬性取决于钢的含碳量,淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。对于大部分要求高硬度的冷作模具,对淬硬性要求较高;对于大部分热作模具和塑料模具,对于硬度的要求不太高,往往更多考虑其淬透性;特别是对于一些大截面深型腔模具,为了使模具的心部也得到良好的组织和均匀的硬度,就要求选用淬透性好的模具钢。

(4)氧化脱碳敏感性 模具在加热过程中,如果产生氧化脱碳现象,就会改变模具的形状和性能,影响模具的硬度、耐磨性和使用寿命,招致模具早期失效。通过真空热处理等特殊热处理工艺,可避免氧化脱碳。

2.2.3 模具钢的冶金质量

冶金质量也对模具钢的性能有很大的影响,只有具有优秀的冶金质量,才能充分发挥模具钢的各种性能。冶金质量一般包括以下几方面:冶炼质量,锻造轧制工艺性能,热处理和精加工性能,导热性及精料和制品化程度。

除了上述性能要求之外,模具钢的通用性也是选用模具钢时必须考虑的因素。模具钢一般用量不大,品种规格很多,为了便于在市场卜采购和备料,应该考虑材料的通用性,除了特殊要求以外,尽可能采用大量的通用型模具钢,由于通用型模具钢技术比较成熟,性能数据完整,便于在设计和制造过程中参考。另外选用通用型模具钢,便于采购备料和材料管理。总之,选用高质量,高性能、高精度的模具钢的精料和制品,高效率、高速度、低成本的生产高质量的模具,已经成为当前工业发达国家模具制造业的主要发展趋势,我国也正在向这一方面努力。

三、国内外模具钢的发展概况与动向

3.1 模具钢生产技术的发展

模具是工业发展的基石,世界各国的制造业为了降低产品成本,提高产品质量和生产效率,改善材料利用率,节约能源,广泛地采用各种模具成形:工艺代替传统的切削加工工艺。目前机械制造、电子工业、轻工业等工业部门的产品约有60%~80%的工件采用模具成型。很多产品的质量、尺寸精度、表面粗糙度、更新换代的速度和产品的成本,很大程度上取决于模具的质量、使用寿命和制造周期。作为主要模具材料的模具钢则是模具制造的基础,随着模具工业的迅速发展,对模具钢的数量、质量、品种、规格、性能等各个方面、不断地提出更高、更新的要求。近年来,国内外模具钢的产量、生产技术、工艺装备、质量、品种等方面都取得了比较迅速的发展。

3.1.1 模具钢产量的发展

模具钢的产量近20年来增长很快,领先于其他钢类,模具钢的产量占合金工具钢的80%左右。我国模具钢的产量早已位居世界的前列。

3.1.2 模具钢钢种的发展

随着模具工作条件的日益苛刻,各国在原有的冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类的基础上,又相继发展了不少适应新的要求的新钢种。

l、在冷作模具钢中,所发展的材料有:

(1)高韧性、高耐磨性模具钢这些钢C、C含量低于传统的Crl2型模具钢,增加了Mo、V合金数量,其耐磨性优于Crl2MolVl钢,韧性和抗回火软化能力则高于Crl2,如美国钒合金钢公司早期发表的VascoDie(8Cr8M02V2Si)、日本大同特殊钢公司的DC53(CrSM02VSi),我国自行开发的则有7CrTM02V2Si(LD钢)、9CrW3M02V2(GM钢)等,分别用于冷挤压模具,冷冲模具及高强度螺栓的滚丝模具。

(2)低合金空淬微变形钢 这类钢的特点是合金含量低(≤5%),淬透性、淬硬性好,Φ100mm的工件可以空冷淬透、淬火变形小、工艺性好,主要用于制造精密复杂模具。如美国ASTM标准钢号A4(Mn2CrM-o)、A6(7Mn2CrMo)、日本大同特殊钢公司的G04。我国自行研制的Gr2Mn2SiWMoV和8Cr2MnMoWVS等钢种也属于低合金空淬微变形钢,后一种钢号还兼备优良的切削性。

(3)火焰淬火模具钢 这类钢的特点是淬火温度范围宽,淬透性好。由于火焰局部淬火的工艺简便、以缩短模具制造周期,降低制造费用等特点,已经广泛地用于制造剪切、下料、冲压、冷镦等冷作模具,特别是大型镶块模具,如东风汽车公司采用我国研制的7CrSiMiMoV火焰淬火钢制造汽车大型覆盖件镶块冲模刃口材料,取得了很好的使用效果。这类钢代表性的钢号有日本爱知公司的SX5(Cr8MoV),大同特殊钢公司的G05,日本日立金属公司的HMDl。

(4)粉末冶金冷作模具钢 采用粉末冶金工艺生产的高碳高合金钢,由于钢液雾化形成的微细钢粉凝固很快,可以完全避免一般工艺生产的高碳高合金冷作模具钢在浇注后缓慢凝固产生的粗大碳化物和偏析等缺陷。特点:磨削性好、韧性好、等向性好、热处理工艺性好。已发表的粉末冷冶金钢号有美国坩埚钢公司的CPM9V,CPMl0V,日本日立金属的HAP40等。

2.在热作模具钢中新发展的材料有:

1)通用型热作模具钢 1.5155NiCrMoV6为代表的低合金热作模具钢,以H13(4CrSMoSiVl)为代表的中合金热作模具钢;以HIO(3Cr3M03VSi)钨系钼系热作模具钢。目前在我国4CrSMoSiVl是产量最高的热作模具钢。

2)高淬透性特大型锻压模块用钢 淬透性好,尺寸较大的模具心部可以获得均匀的性能。如IS04957标准中的40NiCrMoV;法国NF-35-590标准中的dONCDl6;我国的4Cr2MoVNi、3Cr2MoWVNi等。

3)高热强性模具钢又可分为以下四类。

a.中合金高热强性模具钢,一般是在3Cr3M03Si-V(H10)和4CrSMoSiVl(HB)钢的基础上增加W、Mo、Co、Nb等元素,提高其高温性能。如美国ASTM标准钢号H10A、我国开发的3Cr3M03W2V等。

b.沉淀硬化型热作模具钢,这类钢的含碳量较低,一般在2%左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如V、Nb、Ni、Al、Mo等,模具淬火后,采用较低温度回火(≈400℃),硬度为40HRC左右,由于含碳量低,中温回火后的组织为板条状低碳马氏体,具有良好的韧性,而且具有良好的切削性,可以进行型腔加工。模具在使用过程中,与高温工件接触的工作表面被工件加热到钢的沉淀硬化温度(500~600℃),由于合金碳化物和金属间化合物的析出,工作表面的硬度可上升到45~48HRC,提高了型腔表面的耐磨性模具心部仍保留原有的组织和高韧性,从而提高了模具的使用寿命。如日本日立金属公司的YHD3、大同特殊钢公司的DH76等。

c.低碳高速钢和基体钢 高速工具钢具有良好的抗回火软化性能和高温硬度,但是其韧性和抗冷热疲劳性能较差。低碳高速钢是将高速钢的碳含量由1%左右降至0.3%-0.6%,在牺牲部分红硬性和耐磨性的情况下,提高韧性和抗冷热疲劳性能,如美国ASTM标准钢号H42,我国标准钢号6W6MoSCr4V。基体钢的化学成分相当于淬火后的高速钢基体组织成分,所以淬火后过剩碳化物的数量少,细小均匀,使钢的韧性和抗冷热疲劳性能进一步得到改善。如美国钒合金铁公司的VasooMA(5Gr4W3Mo2V),我国的6Cr4Mo3W2VNb。这种钢由于综合性能较好,即可以用于热作模具钢,也可以用于制造高性能的冷作模具。

d.奥氏体型热作模具钢,这类钢经固熔时效处理后,在700-800℃仍保持较好的强度,如日本日立金属公司的5Mnl8CrlOV2,我国的7Mnl0Cr8Nil0M03V2等。

3.塑料模具钢由原国标中的3Crl2Mo(P20)一个钢号发展成由有以下七大类构成的塑料模具用钢系列:

1)非合金塑料模具钢 主要用于制造生产通用型热塑性塑料生产工件批量不大,技术要求不太严格制品模具。如20、45等碳素结构钢和T8、T10等碳素工具钢。

2)预硬型塑料模具钢 采用中碳合金钢预先经过淬火和高温回火状态下(硬度为30~40HRC)交货:代表性的钢号如美国的P20、瑞典ASSAB公司的718(3Cr2MnNiMo),日本大同特殊钢公司的PDS5,我国的3Cr2Mo等。

3)时效硬化型塑料模具钢 由于时效温度低,变形小,而且有规律,适用于制造形状复杂,尺寸精度要求高的模具,如美国ASTM标准钢号P21,日本大同特殊钢公司的NAK55(2Ni2A1CuMoS),NAK80,我国的25CrNi3MoAl等。

4)渗碳型塑料模具钢 一般为C、Si含量很低的低碳钢或低碳合金钢,以保证钢在常温下具有高塑性和很低的变形抗力,以便进行型腔的冷挤压,挤压成型腔后进行渗碳淬火、回火,使模具表面具有高硬度和抗磨损性能,一般用于制造要求耐磨性较高的热固性塑料模具和增强塑料模具。如美国ASTM标准钢号P2(10CrMo)、P3(10CrNi);我国的20Cr、12CrNi2等。

5)整体淬硬型模具钢 一般都是借用高耐磨性冷作模具钢及热作模具钢。如Cr5M01V(A2)和Crl2MolVl(D2)等冷作模具钢和4Cr5MoSiVl等热作模具钢。

6)耐蚀塑料模具钢 有些塑料制品如聚氯乙烯、氟化塑料、阴燃塑料等在压制过程中对模具有腐蚀作用,因此,对此类塑料模具一般采用马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢,如瑞典ASSAB公司的STVAX(4Crl3),我国的研制的PCR(OCrl6Ni4Cu3Nb)等。

7)无磁塑料模具钢 为了适应磁性塑料制品的生产,国内外发展了一些无磁塑料模具钢,将奥氏体型模具钢通过时效硬化处理得到要求的硬度强度和低的导磁率,如日本日立金属公司的HPM7,我国的7Mnl5Cr2A13V2WMo等。

此外,为了适应塑料模具制造过程中的一些对钢的工艺性能的特殊要求,发展了以下四类专用的特种塑料模具钢种。

1)镜面磨削用塑料模具钢 纯净度、致密度高,材质均匀性好,且淬回火硬度较高。适用于制做光学仪器、电子设备的透明制品。如瑞典材料S136,日本大同特殊钢公司的S-STAR等。

2)非调质型预硬塑料模具钢 锻(轧)后直接得到要求的硬度,一般为30-40HRC。如我国的3Cr2MnMo-VS钢等。

3)高焊接性塑料模具钢 此类钢焊接性能很好,可以避免或简化焊前预热或焊后处理工艺,以便模具的堆焊修复工作。如日本大同特殊钢公司开发的PXZ、PX5及NAK55等。

4)易切削塑料模具钢 此类钢由于既加人了S等易切元素,又同时加入了Ca等变性剂,所以既改善了钢的切削性能,又抑制了硫对钢的力学性能和热加工性能的不利影响。如日本大同特殊钢公司的NAK55,DHA2F,我国的5NiCaS等。

3.1.3 模具钢品种规格的发展

模具制造业日益向通用化、标准化、系列化、高效率、短制造周期发展,为适应这些发展的需要,作为使用最频繁的模具材料的模具钢也在日益向多品种、精料化、制品化的方向迅速发展。如新型扁钢连轧机的不断投入和宽厚板轧机的技术改造的日益完善,模具钢的品种规格越来越多样化。

3.1.4 模具钢生产工艺和工艺装备的发展。

模具的工作条件日益苛刻,对模具材料的质量水平,特别是模具钢的纯净度,等向性的水平,提出了更高的要求,由于模具的加工费用昂贵,要求提高钢材的尺寸精度,减少加工公差,改善其切削性能,以降低模具的生产成本,国内外特殊钢企业针对以上要求,在模具钢的生产工艺装备上相应地做了大量的工作,取得了显著成绩。

具有体现在以下几方面:

1.不断改善冶炼工艺和装备;采用电炉+炉外精炼生产纯净度较高的模具钢。
2.选用更合理的热合工工艺;采用先进的轧制、锻造工艺,提高钢材成材率。
3.采用可进一步细化钢材组织的热处理方法;提高钢材的均匀性和等向性。
4.配备可生产高附加值模具钢的深度加工工艺装备;加工出高附加值的模板、模块、模架和模具标准件。
5.将模具钢的生产从分散趋于集中,便于形成规模大、功能全的模具钢生产基地。

3.2 我国模具生产技术现状及展望

建国以来,我国模具钢生产技术发展很快,从无到有,从仿制到自己开发,目前我国模具钢的产量已跃居世界前列。绝大部分国外的标准钢号和试制的的钢号,我国也都进行了生产或试制工作,通过几次钢种整顿和标准修订初步形成了我国的模具钢系列,在模具钢的生产技术,品种质量,工艺装备科研开发及材料应用等方面都取得了很多进展。但是,由于我国模具钢发展历史短,与国外相比还存在着不少问题和差距。

1、 钢种系列不够充实完整,有的钢种(如粉末冶金高合金模具钢)尚属空白。

2、 钢种的产品结构和选用不合理,很多模具钢仍沿用传统的几种老牌号,不能满足日益增长的模具产品的需求,导致模具使用寿命不高,产品精度低,粗糙度差。

3、 钢材品种规格少,目前国内市场上的模具钢产品仍以黑皮圆棒材为主。品种比较单一,精料和制品的比例很低。由于原料加工余量大,材料利用率低,拉长了模具的制造周期。

4、生产工艺和装备方面。

特殊钢的质量控制、检测手段落后,缺乏热处理深度加工和在线质量检验设备。缺少生产高性能粉末冶金模具钢的设备。缺乏专业化生产的工模具钢生产线和模具钢开发中心。针对以上问题,展望未来,急待开展以下工作:

1)、扩大模具钢的品种规格

充分发挥现有设备,特别是新引进设备的能力,大力发展高精度高质量模具扁钢和中厚模具钢板的生产。至少应达到模具钢产量的3%左右。扩大精料生产,根据需要提供剥皮、冷拔、银亮钢材的生产,逐步开发经过机械加工和淬回火处理的模块和制品,提高产品的附加值。

2)、完善模具材料系列,合理使用材料

结合模具工业的发展,形成我国新的模具钢系列,当前尤其应注意开展粉末冶金高性能模具钢的研究开发工作,以满足高性能长寿命模具生产的需要,相应地开展模具钢强韧化机理及模具失效机理的研究工作,指导材料研究,并相应地开展测试手段和测试技术的开发工作。

3)、建成几条技术先进的模具材料生产线

有计划地建立完善的科研试制基地和技术情报中心,在全国建成各具特色的几条技术先进的模具钢生产线,采用先进的工艺装备先进的技术,生产高纯净度、高等向性,品种规格齐全的高精度高质量模具钢钢材和制品,使我国模具钢的生产技术、产品质量迅速全面地达到国际先进水平。

4)、大力开拓模具钢的国外市场

充分发挥我国的资源优势,尽快研究出国外市场需求的高质量模具钢精品,以产顶进,变资源和原料出口为模具制品出口,创更高的经济效益和社会效益。

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