汽車制造用模具材料與模具熱處理技術(shù)的進展

1、汽車制造用模具材料與模具熱處理技術(shù)的進展 隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車用模具的制造水平也得到了日新月異的提高。在汽車生產(chǎn)中，幾乎所有的模具類型都已被涉獵，如冷沖模、熱鍛模、冷鐓模、熱鐓模、壓鑄模和鑄塑模等（見表1），因此汽車制造對模具的需求量特別大。 對一個汽車企業(yè)來說，隨著市場經(jīng)濟的深入發(fā)展，車型原來的30 年一貫制，現(xiàn)改為一年內(nèi)上幾個車型。一般中型載重汽車的改型需要模具4000多套，重量達2000t。模具費用已占產(chǎn)品成本的15%30%，它的總產(chǎn)值在工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)超過機床工業(yè)。汽車質(zhì)量的改善、生產(chǎn)效率的提高、成本的降低，以及產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，在很大程度上取決于模具的制造精度和質(zhì)量、制造周

2、期、生產(chǎn)成本及使用壽命等因素。所以有人說，模具是汽車工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，它是汽車制造業(yè)走向成熟的標(biāo)志。 支持模具制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)是模具材料工業(yè)。近幾年來，隨著技術(shù)的引進和提高，模具材料的發(fā)展極為迅速。我國的幾大模具鋼廠的產(chǎn)量每年平均增長速率為12%，從19861997年的11年間，產(chǎn)量由4.88萬t上升到11.3萬t，與國外相比其發(fā)展速度可以說不相上下。此外，品種也在不斷增加，常用的模具材料都是國產(chǎn)的，多數(shù)不常用的模具材料，我國也能生產(chǎn)。這就為汽車制造業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。2005年國內(nèi)模具鋼在各行業(yè)的消費比例如表2所示，各類模具的使用壽命如表3所示。 模具制造的關(guān)鍵工序熱處理技術(shù)也由原來的較低

3、水平發(fā)展到國際水平。如真空淬火技術(shù)、感應(yīng)淬火技術(shù)和激光淬火技術(shù)等，都得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。熱處理后的表面處理工藝也有很大的提高，如PVD、TD、滲氮、液體碳氮共滲和噴涂都有很大的改進和提高。焊接技術(shù)在模具制造領(lǐng)域也得到廣泛的發(fā)展。盡管模具制造廠家已經(jīng)大幅度地提高了產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量，但它離汽車工業(yè)發(fā)展的需求還相差甚遠，如多數(shù)模具公司不能按期交貨、模具質(zhì)量不好等，其深層原因是模具制造中的不可控因素較多，尤其是模具材料和熱處理技術(shù)。 由于經(jīng)濟全球化帶來技術(shù)的全球化，內(nèi)資企業(yè)、外資企業(yè)和國外企業(yè)的技術(shù)水平各有高低，因此，我們今天的多數(shù)情況不能分是國內(nèi)還是國外，要從整個世界來看模具工業(yè)的發(fā)展。 一、汽車制

4、造用模具材料的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展，模具的工作條件日益苛刻，對模具的性能、質(zhì)量和品種等也不斷地提出更高的要求，為此，世界各國近年來都積極地開發(fā)了具有各種特性以適應(yīng)不同要求的新型模具鋼和鑄鐵，并在品種、質(zhì)量、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)裝備上做了大量工作，取得了長足的進步。 1. 模具鋼高速發(fā)展并系列化 塑料模具鋼根據(jù)其性能和使用條件可分為： (1) 小尺寸模具用鋼，中碳調(diào)質(zhì)鋼。(2) 大中型模具用鋼，預(yù)硬型中碳低合金鋼。(3)為改進切削性能的含硫、鉛及預(yù)硬化易切削模具鋼。 (4) 時效鋼和馬氏體時效鋼。用于制造復(fù)雜、精密和光潔的模具。 (5) 高淬透性的冷作和熱作模具。用于制造整體淬火模具。 (

5、6) 滲碳型塑料模具。 (7) 耐蝕型塑料模具。 (8) 鏡面拋光模具。 2. 開發(fā)出先進的冷、熱作模具鋼 通用的冷作模具鋼分三類：低合金冷作模具鋼，如9CrWMnV、中合金冷作模具鋼Cr5Mo1V及高合金冷作模具鋼Cr12Mo1V1等。除此之外，又開發(fā)出以下幾種新型冷作模具鋼： (1) 高韌性、高耐磨性冷作模具鋼 如美國的8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2VWSi，日本的QCM8(8Cr8Mo2VSi)、DC53(Cr8Mo2VSi)、TCD(Cr8V2MoTi) 等。這類鋼優(yōu)點很多，組織中的碳化物細小、彌散，抗彎強度高，斷裂韌性、耐磨性、可切削性、可磨削性及抗回火性好，且熱處理變形小，將

6、來可發(fā)展成為一種通用型模具鋼。 (2) 火焰淬火冷作模具鋼 7CrMnSiMoV應(yīng)用最為普遍，另外有日本的SX5(Cr8MoV)、美國的CC#1等。其特點是淬火溫度范圍寬、淬透性較高及火焰淬火方便易行。 (3) 粉末冶金冷作模具鋼 粉末冶金方法可以生產(chǎn)常規(guī)工藝難以生產(chǎn)的超高碳、高合金（尤其是高釩含量）、高耐磨性的模具鋼，以及碳基碳化鈦。如德國的X320CrVMo135，wC3%、wV5%，細小、彌散分布的碳化物的面積達50%，其壽命高于硬質(zhì)合金模具。 熱作模具鋼的發(fā)展也很快。用量最大的為三類通用型熱作模具鋼：低合金熱作模具鋼有5CrNiMo和5CrMnMo；中合金熱作模具鋼有4Cr2MoVNi

7、、11（4Cr5MoSiV）、H13（4Cr5MoSiV1)、H12（4Cr5MoWSiV）和H10（4Cr3Mo3SiV1）；高合金熱作模具鋼應(yīng)用最多的是21（3Cr2W8V）。此外，還開發(fā)出一系列高性能熱作模具鋼，主要有以下幾種： (1) 基體鋼 基體鋼的化學(xué)成分相當(dāng)于淬火后的高速鋼基體組織的化學(xué)成分，所以淬火后殘留的共晶碳化物數(shù)量很少，回火后碳化物細小且彌散分布，鋼的強韌性和熱疲勞性能好。如美國的Vasco MA。 (2) 低碳高速鋼 是通過將高速鋼的wC降至0.3%0.6%而得到，這樣可以減少其共晶碳化物的數(shù)量，既保持較高的紅硬性，又改善了鋼的韌性和熱疲勞性能，如美國的H25、H26和

8、H42。 (3) 高溫?zé)嶙髂＞咪?對于馬氏體為基體的熱作模具鋼，這類鋼導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)大、熱疲勞性差，不宜用于制作激冷、激熱條件下工作的高溫模具，如日本的5Mn15Cr10V2。 (4) 高溫耐蝕模具鋼 可改善模具在高溫下抗液體合金及其他介質(zhì)的沖蝕和抗高溫氧化能力，用于制作壓鑄模和壓制玻璃的模具等。如3Cr13MoV等。 (5) 高淬透性熱作模具鋼 如為適應(yīng)特大型模具模塊用鋼的需要，在5CrNiMoV的基礎(chǔ)上，開發(fā)出的4NiCr2MoV；法國NF35590標(biāo)準(zhǔn)中的40NCD16（4Ni4Cr2Mo）；中國的4Cr2MoVNi。 (6) 中合金高韌性熱作模具鋼 這類鋼能夠比較合理地使用合金元

9、素，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，因此近幾年發(fā)展較快。通過在H13鋼的基礎(chǔ)上降低鉻含量，提高釩含量，發(fā)展為以MC型碳化物為主強化相的鋼種。代表性的是瑞典的QRO80。 3. 鑄鐵材料應(yīng)用也非常廣泛 汽車表面覆蓋件拉延模常用鑄鐵材料應(yīng)用較多，如HT300、QT6002、Mo、MoCr及MoV，日本的TGC600、FCD250、FCD540，以及德系車常用的GGG70L等。 二、汽車用模具熱處理的最新發(fā)展?fàn)顩r 模具材料有了很大發(fā)展，模具的熱處理技術(shù)發(fā)展也很快。模具的熱處理主要有以下幾個方面的應(yīng)用。 1.整體熱處理技術(shù) 多數(shù)模具需要整體熱處理，如壓鑄模、鍛模、冷鐓模和部分沖模等。整體熱處理的設(shè)備有鹽浴爐、箱

10、式爐和真空爐。根據(jù)模具的使用場合和尺寸大小選擇相應(yīng)的熱處理設(shè)備。一般尺寸較小，表面不允許有氧化脫碳的模具多使用鹽浴爐加熱淬火；尺寸較大，不太重要，且型面可以熱后加工的模具多采用箱式爐加熱淬火；高合金鋼多數(shù)采用真空淬火處理。箱式爐要有很好的密封性，為了防止氧化脫碳，可以向爐內(nèi)通入保護氣體，另外還可以將工件涂上防氧化脫碳涂料和在熱處理加熱時向爐內(nèi)放一些木炭。為了防止工件變形和氧化脫碳，世界各國均采用真空熱處理爐來處理模具，采用真空熱處理還可以提高模具的使用壽命。真空熱處理分氣淬和油淬兩種。油淬要比氣淬變形大得多，熱處理后加工余量大的模具適宜油淬。使用真空熱處理氣淬爐時，不同的淬火充氣壓力可以獲得不

11、同的熱處理變形，壓力越大變形越大，壓力越小變形越小，使用時要根據(jù)不同工件選擇不同的參數(shù)。 2. 表面淬火 表面淬火適用于變形小、工件尺寸較大、其余部分起輔助作用的場合。汽車覆蓋件模具多數(shù)比較大，采用表面淬火的比較多，其中空冷鋼、鑄鐵和合金鑄鐵等材質(zhì)的模具多用表面淬火。表面淬火的方法也不盡相同，有火焰淬火、感應(yīng)淬火和激光淬火。 火焰淬火按其使用的氣體不同可分為乙炔火焰淬火和丙烷火焰淬火。采用丙烷火焰淬火可以跟水，用以減少模具變形和提高模具的硬度。 感應(yīng)淬火多用于德系合資企業(yè)訂貨的模具。德系模具要求表面淬火方式為感應(yīng)加熱淬火，采用1050kHz的超音頻加熱電源。它具有加熱層深的優(yōu)點，一般與表面硬度

12、相同的淬硬層深度在2mm左右，缺點是變形大、易開裂。目前，國內(nèi)模具制造公司多用挪威EFD公司生產(chǎn)的感應(yīng)淬火設(shè)備，該設(shè)備穩(wěn)定可靠，功率多為1825kW，有的為50kW。功率越大，效率越高，但難以控制；功率越大變形越小，開裂傾向越小，但易燒化。 激光淬火是近幾年發(fā)展起來的表面淬火技術(shù)。它具有淬硬層薄、硬度高、韌性好和位置確定等特點。其最大優(yōu)點是淬火后模具變形小，可以重復(fù)幾次淬火。其缺點是設(shè)備投資大，國產(chǎn)全套設(shè)備在200萬元左右，效率不是很高，它比感應(yīng)淬火慢得多，收費價格也高。激光淬火的功率一般在3 000W以上，以5 000W居多。 以上三種工藝的模具表面淬火特性比較見表4。 3. 深冷處理 模具

13、鋼經(jīng)深冷處理（-110-196）后，可以提高其力學(xué)性能，一些模具經(jīng)深冷處理后顯著提高了使用壽命。模具鋼的深冷處理可以在淬火和回火工序之間進行， 也可在淬火、回火之后進行。如果在淬火、回火后鋼中仍保留有殘留奧氏體，則在深冷處理后仍需要再進行一次回火。此外，深冷處理也能提高鋼的耐磨性。深冷處理不僅用于冷作模具，也可用于熱作模具和硬質(zhì)合金。深冷處理技術(shù)已越來越受到模具熱處理工作者的關(guān)注，現(xiàn)在已開發(fā)出專用深冷處理設(shè)備。不同鋼種在深冷過程中的組織變化和微觀機制，以及對力學(xué)性能的影響結(jié)果是不同的。 同一種材料不同的幾何形狀和不同的使用狀態(tài)，經(jīng)深冷處理后的壽命是不同的。 4.表面涂覆技術(shù) 氣相沉積按形成的基

14、本原理，分為化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。CVD處理是用化學(xué)方法使反應(yīng)氣體在基礎(chǔ)材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成覆蓋層（TiC、TiN）的方法。CVD有多種方法，通常，CVD的反應(yīng)溫度900，涂層硬度2000HV，但高溫容易使工件變形，且沉積層界面易發(fā)生反應(yīng)。CVD的發(fā)展趨勢是降低溫度，開發(fā)新的涂層成分。例如，金屬有機化合物CVD(MOCVD)、激光CVD(LCVD)和等離子CVD(PCVD)等。PVD是一種物理氣相沉積，一般以TiN涂層較多，此外還有TiC、TiCN、TiAlN、CrN、Cr7C3和W2C等涂層。層深在5mm左右，不影響模具的精度。 表面噴涂技術(shù)是用氧氣乙炔將物質(zhì)等

15、噴在模具表面。涂料與基體結(jié)合堅固，可以實現(xiàn)提高表面厚度和增加耐磨性的目的。 模具局部堆焊技術(shù)。許多車身落料模具都要求刃口有很好的強韌性，使用整體模具鋼比較浪費，而采用在較低廉材料上堆焊刃口的方法可以節(jié)約大量的鋼材和降低生產(chǎn)成本。美國、日本和德國在這方面的發(fā)展比較成熟，我國模具堆焊也取得了長足的進步。 5.滲碳、滲氮、滲硼和滲金屬處理 化學(xué)熱處理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗咬合性和抗氧化性等性能。幾乎所有的化學(xué)熱處理工藝均可用于模具鋼的表面處理。 研究工作表明，高碳及低合金工具鋼和中高碳高合金鋼均可進行滲碳或碳氮共滲。高碳低合金鋼滲碳或碳氮共滲時，應(yīng)盡可能選取較低的加熱溫度和較短的保

16、溫時間，此時可保證表層有較多的未溶碳化物核心，滲碳和碳氮共滲后，表層碳化物呈顆粒狀，碳化物總體積也有明顯增加，可以增加鋼的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb鋼制模具進行滲碳以及65Nb鋼制模具真空滲碳后，模具的壽命均有顯著提高。 采用500650高溫回火的合金鋼模具，均可在低于回火溫度的范圍內(nèi)或在回火的同時進行表面滲氮或氮碳共滲。 滲氮工藝目前多采用離子滲氮、高頻滲氮等工藝。離子滲氮可以縮短滲氮時間，并可獲得高質(zhì)量的滲層。此外，離子滲氮還可以提高壓鑄模的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞性和抗粘附性能。 氮碳共滲可在氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)中進行，滲層脆性小，共滲時間比滲氮時間大為縮短。壓鑄模、熱擠壓模經(jīng)

17、氮碳共滲后可顯著提高其熱疲勞性能。氮碳共滲對冷鐓模、冷擠壓模、冷沖模和拉伸模等均有很好的應(yīng)用效果。 冷作模具和熱作模具還可以進行硫氮或硫氮碳共滲。近年來許多的研究工作都表明，稀土有明顯的催滲效果，從而開發(fā)了稀土氮共滲、稀土氮碳共滲等新工藝。 模具的滲氮處理有離子滲氮和氣體滲氮兩種。熱鐓模采用離子滲氮，可以明顯提高模具的使用壽命。壓鑄?？梢圆捎脷怏w滲氮，滲氮后抗腐蝕能力大大增強。 滲硼可以是固體滲硼、液體滲硼和膏劑滲硼等，應(yīng)用最多的是固體滲硼，市場上已有固體滲硼劑供應(yīng)。固體滲硼后，表層的硬度高達14002800HV，耐磨性高，耐腐蝕性和抗氧化性能都較好。 滲硼工藝常用于各種冷作模具上，由于耐磨性

18、的提高，模具壽命可提高數(shù)倍或十余倍。采用中碳鋼滲硼有時可取代高合金鋼制作模具。滲硼也可應(yīng)用于熱作模具，如熱擠壓模等。 滲硼層較脆，擴散層比較薄，對滲層的支撐力弱，為此，可采用硼氮共滲或硼碳氮共滲，以加強過渡區(qū)，使其硬度變化平緩。為改善滲硼層脆性，可采用硼釩、硼鋁共滲。 滲金屬包括滲鉻、滲釩和滲鈦等工藝，均可用于處理冷作和熱作模具，其中TD法（熔鹽滲金屬）已得到一些應(yīng)用，可使模具壽命提高幾倍乃至十幾倍。 三、對汽車用模具制造的展望和建議 在當(dāng)今經(jīng)濟全球化的發(fā)展背景下，模具材料和熱處理得到蓬勃發(fā)展。一項技術(shù)的開發(fā)很快被應(yīng)用于世界各地是很平常的現(xiàn)象。隨著汽車技術(shù)的提升必然要求提高汽車用模具的制造水平

19、，在今后，汽車用模具材料的開發(fā)和先進熱處理技術(shù)也將得到很大發(fā)展。 1. 模具鋼生產(chǎn)向制品化、精料化和模具鋼經(jīng)銷的商品化的方向發(fā)展 在“十五”期間，我國每年模具用鋼超過30萬t，其中15萬t是鑄鋼件；15萬t是圓鋼、板材和塊料。近年來，國外模具鋼的進口量逐年減少，我們模具鋼的出口量在不斷增加。我國模具鋼生產(chǎn)的制品化、精料化和經(jīng)銷的商品化程度在逐步提高。在一些工業(yè)發(fā)達國家，冶金企業(yè)供應(yīng)經(jīng)機加工的模具鋼制品已達50%60%，而我國已經(jīng)逐步改進模具鋼以黑皮圓棒供貨的局面。因為越來越多的模具制造廠要求在模具設(shè)計完成后，模具鋼供應(yīng)廠商能迅速提供所需鋼材，減少庫存鋼材數(shù)量，縮短模具制造的生產(chǎn)周期。國內(nèi)鋼廠等生產(chǎn)企業(yè)為適應(yīng)這一商品市場機制，逐步向模具生產(chǎn)廠家提供板料模具鋼和塊料模具鋼，這是市場經(jīng)濟發(fā)展的結(jié)果。 2. 大力推廣應(yīng)用性能優(yōu)良的新型模具鋼，不斷完善模具鋼鋼種系列 目前，已開發(fā)出不少有一定特色的新型模具鋼，其中一些鋼的性能優(yōu)異，以很低的成本就可以達到或超過同類鋼的水平。這些新鋼種的推廣數(shù)量和應(yīng)用范圍很大，這些性能良好的新型模具鋼有廣闊的推廣前景，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。 3.進一步提高模具材料的質(zhì)量 我國某些特殊鋼廠已采用新的冶金設(shè)備和工藝生產(chǎn)模具鋼，如爐外精煉、真空冶煉、快鍛機和精鍛機等，一些