我國模具用鋼的發(fā)展與應(yīng)用

我國模具用鋼的發(fā)展與應(yīng)用

1模具鋼的發(fā)展歷程20世紀50年代，中國的所有樂器用外國鋼號代替了中國的鋼號。進入60年代,為了節(jié)約原材料和提高毛坯精度,少無切削工藝和精密成形技術(shù)有了迅速發(fā)展,為了提高生產(chǎn)效率,采用了許多高效壓力加工設(shè)備,鍛錘逐漸被壓力機替代。原用模具鋼的性能常不能滿足服役條件對性能的高要求,影響了模具的使用壽命和壓力加工新工藝新設(shè)備的推廣應(yīng)用。70年代末,精密及大型工程塑料制品的使用日益廣泛,對塑料模具用鋼的需求量急劇增加,對塑料模具鋼的性能也提出了新的要求,而我國當(dāng)時尚無塑料模具專用鋼種。60年代以來,在國家有關(guān)部委的支持下,我國科技工作者結(jié)合國情,開發(fā)出不少新模具鋼,其中一些使用性能優(yōu)異、工藝性能也比較好的新鋼種受到模具制造和使用單位的歡迎。在此期間也引進了一些國外通用的鋼號,其中有些鋼號通過生產(chǎn)試用,取得良好的效果。對一些使用效果較好的冷作模具鋼和熱作模具鋼,有關(guān)部門還分別組織了性能對比試驗研究,提出了選擇和應(yīng)用的建議。可以認為,我國已建立了較完整的模具鋼鋼種系列,其中一些鋼的性能優(yōu)異,達到國際先進水平。本文分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三部份論述,并與國外一些常用鋼號和新開發(fā)的模具鋼進行比較。2碳化物偏析對模具壽命的影響目前我國常用的冷作模具鋼仍是低合金工具鋼CrWMn和高碳高鉻工具鋼Cr12MoV及Cr12這些老的鋼號。CrWMn鋼有適當(dāng)?shù)拇阃感院湍湍バ?熱處理變形小,但CrWMn鋼鍛后需較嚴格地控制冷速,否則易形成網(wǎng)狀碳化物,導(dǎo)致模具在使用中的崩刃和開裂。高碳高鉻工具鋼有高的耐磨性,但其碳化物偏析較嚴重,特別在其規(guī)格尺寸較大時,反復(fù)鐓撥收效不大,導(dǎo)致變形的方向性和強韌性降低。1981年,我國引入國際通用的高碳高鉻工具鋼D2(Cr12Mo1V1)。與Cr12MoV鋼相比,D2鋼的碳化物偏析較之Cr12MoV鋼略有改善,強度與韌性稍有提高,D2鋼制作的模具,其使用壽命亦有不同程度的提高。高速鋼有更高的耐磨性和強度,常用于制作模具,但其韌性不能滿足復(fù)雜大型和受沖擊負荷大的模具的需要。為了改善這類鋼的強韌性,我國開發(fā)了一些新的冷作模具鋼。2.1可變性材料這類鋼的主要特點是工藝性好,淬火溫度低,熱處理變形小,強韌性好,并具有適當(dāng)?shù)哪湍バ浴１?為這類鋼的化學(xué)成分。鉻或錳加入鋼中可提高淬透性,并使鋼在淬火和低溫回火后保留一定量的殘余奧氏體,可減少變形。加入硅或鎳可使基體強韌化,并提高回火抗力,在相同硬度下,比其他同類鋼有更高的強韌性。鉬或釩的加入可以細化晶粒。表2為這類鋼與其他一些冷作模具鋼的強韌性對比,O1為國際通用的低合金冷作模具鋼,GD鋼(6CrMnNiMoVSi)經(jīng)900°C淬火和200°C回火后仍保持適量(≈14%)穩(wěn)定的殘余奧氏體,未溶碳化物均勻細小,這有利于減少變形,提高鋼的強韌性。GD鋼熱處理后變形小于CrWMn鋼,用于制作易崩刃斷裂的冷沖模具有高的使用壽命。近年國外,主要是日本,在汽車等生產(chǎn)線上用的模具零件,部分采用火焰表面淬火工藝,并研制出一些主要供火焰表面淬火用的模具鋼,如SX105V。我國研制了一種與日本的SX105V成分相同的火焰淬火鋼7CrSiMnMoV(簡稱CH)?；鹧娲慊饡r應(yīng)加熱模具刃口切料面,淬火前模具一般經(jīng)180~200°C預(yù)熱1~1.5h,再用噴槍加熱至900~1000°C,可用火焰加熱回火。淬火后硬度一般在60HRC以上,可得到厚度在1.5mm以上的淬硬層,變形量一般只有0.02%~0.05%,硬化層下又有一個高韌性的基體做襯墊,在工作過程中刃口不易發(fā)生開裂、崩刃等現(xiàn)象,表層還有一定的壓應(yīng)力,從而使模具獲得較高的使用壽命。DS鋼是一種高韌性耐沖擊冷作模具鋼,經(jīng)900°C淬火和200°C回火后有高的強韌性,特別是沖擊韌性高(表2),顯著優(yōu)于常用的高韌性刀片用工具鋼6CrW2Si。DS鋼主要用于制作耐沖擊的剪切、沖壓、沖孔等模具,有高的使用壽命。2.2基線鋼的性能基體鋼一般指其成分與高速鋼淬火組織中基體化學(xué)成分相同的鋼。美國、日本在70年代初即研究過牌號為VascoMA、VascoMatrix1和MOD2的基體鋼,相當(dāng)于M2和M36高速鋼的基體。我國也研制了一些基體鋼,如65Cr4W3Mo2VNb(簡稱65Nb)、65W8Cr4VTi(簡稱LM1)65Cr5Mo3W2VSiTi(簡稱LM2)。表3為基體鋼的化學(xué)成分。我國開發(fā)的幾種基體鋼的主要成分相當(dāng)于高速鋼淬火組織中的基體,但含碳量稍高于基體的含碳量,以增加一次碳化物量和提高耐磨性,此外還加入少量的強碳化物形成元素鈮或鈦,以形成比較穩(wěn)定的碳化物,阻止淬火加熱時晶粒的長大并改善鋼的工藝性能。表4為65Nb鋼(65Cr4W3Mo2VNb)與高速鋼和Cr12MoV鋼的強韌性對比,可見這類鋼有高的強韌性?；w鋼廣泛用于制作冷擠壓、厚板冷沖、冷鐓等模具,特別適于難變形材料料用的大型復(fù)雜模具,65Nb鋼還可用于做黑色金屬的溫?zé)釘D壓模具。2.3新型鐵藝鋼為了改善Cr12型冷作模具鋼的碳化物偏析,提高其韌性,并進一步增加鋼的耐磨性,國內(nèi)外做了大量研究工作,開發(fā)出不少新鋼種,如我國LD、ER5和GM鋼等,日本的TCD、AUF11、DC53,美國的VascoDIE。表5為這些鋼的化學(xué)成分。這些鋼的化學(xué)成分有如下特點:適當(dāng)降低鉻含量以改善碳化物偏析,增加鎢、鉬和釩的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性,因此這些鋼大都采用較高的淬火溫度(1100~1160°C)和多次高溫回火(520~560°C)。與Cr12型冷作模具鋼比較,這類鋼的碳化物偏析有所改善,有較高的韌性。這類鋼比Cr12型冷作模具鋼有更好的耐磨性,因而制做的模具有更高的壽命,更適于高速沖床和多工位沖床的使用。LD鋼的碳和鉻含量比Cr12MoV要低得多,碳化物不均勻性顯著優(yōu)于Cr12MoV鋼,采用適當(dāng)含量的碳化物形成元素,以利于二次硬化,保證了強度和耐磨性,以硅增強鐵素體基體,因此LD鋼有高的強韌性。LD鋼的適宜淬火溫度為1100~1150°C,回火溫度可選530~550°C,使用LD鋼制作冷沖模、落料模、冷鐓模等代替Cr12MoV鋼,模具壽命有顯著提高。ER5是一種高耐磨冷作模具鋼,1120°C淬火和580°C回火三次后,有最佳的二次硬化效果,二次硬化主要靠VC粒子的均勻析出,VC粒子的直徑為3.5nm。ER5的強度、韌性和抗沖擊磨損的能力均優(yōu)于D2鋼(表6),用于制作精密、重載和高速冷沖模具,有高的使用壽命。GM鋼由于合金元素與碳的配比適當(dāng),具有高的二次硬化能力,1120~1140°C淬火,540°C二次回火后,硬度可在64~66HRC,保證了優(yōu)異的耐磨性能。GM鋼的力學(xué)性能見表7。GM鋼制作的模具在高速沖床上使用和用做多工位級進模,使用壽命比Cr12MoV提高數(shù)倍,用于制作高強度螺栓滾絲輪,滾制硬度為40~42HRC的42CrMo鋼制螺栓,壽命比Cr12MoV鋼提高10倍以上。對GM鋼還可以采用1070°C淬火150°C二次回火的低淬低回工藝,硬度為62~63HRC,由于鋼的晶粒非常細小,進一步提高了鋼的強韌性和耐磨性,有利于提高模具壽命。2.4以模漿性、可磨削性、熱處理工藝性等向性來分析粉末冶金技術(shù)的發(fā)展和熱等靜壓的應(yīng)用,導(dǎo)致70年代無偏析粉末高速鋼的生產(chǎn)和使用,其主要特點是強韌性、可磨削性、等向性、熱處理工藝性都優(yōu)于一般高速鋼,并有比較高的使用壽命。以后用此技術(shù)生產(chǎn)常規(guī)工藝無法生產(chǎn)的高碳高釩高耐磨冷模具鋼,這類鋼有較好的切削加工性和磨削性能,并有較好的韌性,制成的模具使用壽命與一些硬質(zhì)合金相近。國外已生產(chǎn)多種牌號的粉末冶金高耐磨冷模具鋼,國內(nèi)尚少研究。3u2004中和al纖維壓鑄模我國過去常用的熱作模具鋼為5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V鋼。5CrNiMo鋼主要用做大中型鍛模。但其淬透性不夠高,回火穩(wěn)定性也不高,其性能不能滿足大截面鍛模對性能的要求。3Cr2W8V鋼廣泛用做黑色和有色金屬熱擠壓模和Cu、Al合金的壓鑄模。這種鋼的熱穩(wěn)定性高,使用溫度達650°C,但鎢系熱作模具鋼的導(dǎo)熱性低,冷熱疲勞性差。我國在80年代初引進國外通用的鉻系熱作模具鋼H13(4Cr5MoSiV1),H13鋼有良好的冷熱疲勞性,在使用溫度不超過600°C時,代替3Cr2W8V鋼,模具壽命有大幅度提高,因此H13鋼迅速得到推廣應(yīng)用,其產(chǎn)量已超過3Cr2W8V鋼。為適應(yīng)壓力加工新工藝、新設(shè)備對模具鋼在強韌性和熱穩(wěn)定性方面更高的要求,國內(nèi)外研制了不少新熱作模具鋼,其化學(xué)成分見表8和表9。3.1熱鍛模技術(shù)5CrNiMo鋼是我國使用最廣的熱鍛模具鋼,但在使用中發(fā)現(xiàn)5CrNiMo鋼的淬透性不能滿足大截面錘鍛模的需要,截面尺寸大于300mm時,心部硬度已不能滿足要求,5CrNiMo鋼的使用溫度不超過500°C。5CrNiMoV鋼是國外廣泛使用的鍛模用鋼,5CrNiMoV6是德國的鋼號,這些鋼中的Cr、Ni、Mo含量均高于國產(chǎn)5CrNiMo鋼并含有少量的V,在400mm×400mm截面上可以完全淬透,回火穩(wěn)定性比5CrNiMo鋼高100°C,做大截面熱鍛模具,其使用壽命高于5CrNiMo鋼。國內(nèi)在80年代對此做過大量的分析和研究,并推薦5CrMnMoV鋼用于大型、復(fù)雜的重載荷錘鍛模。5Cr2NiMoVSi鋼與5CrNiMo鋼相比,碳含量稍低,提高了Cr和Mo的含量并加入適當(dāng)?shù)腣和Si,因此有高的淬透性。經(jīng)過調(diào)質(zhì)后,可在500mm×500mm截面上保持表面和心部的硬度一致。在回火時,由于析出M2C和MC型碳化物,使鋼有二次硬化,其熱穩(wěn)定性比5CrNiMo高出150°C以上。45Cr2NiMoVSi鋼中,碳和硅稍有降低,更適宜做錘鍛模。這種鋼用于制造3t以上鍛錘模和4000t以上機械壓力機鍛模,使用壽命較5CrNiMo和55CrNiMoV6提高0.5~1.5倍。3Cr2MoWVNi鋼有二次硬化效應(yīng)和比較高的熱穩(wěn)定性,用做熱鍛模有高的使用壽命。Ди32鋼(俄國)有高的淬透性,可用于500mm×500mm截面的熱鍛模,具有比較高的熱穩(wěn)定性和強韌性。3.2熱作模具鋼的化學(xué)成分H13已是國內(nèi)外廣泛使用的熱作模具鋼,在使用溫度不超過600°C時,有良好的冷熱疲勞性能,用做熱擠壓模和鋁合金壓鑄模,有比較高的使用壽命。但H13鋼有較大的尺寸效應(yīng),在截面超過120mm以后,心部韌性顯著下降,國外采用爐外精練、高溫擴散退火、等向鍛造等工藝,以改善其尺寸效應(yīng),減小Cr和Mo的成分偏析,國內(nèi)多采用電渣重熔等工藝。3Cr3Mo3V鋼是一種在國外應(yīng)用較廣的鉬系熱作模具鋼,其性能介于鉻系和鎢系之間。為提高這種鋼的熱穩(wěn)定性,可加入3%Co。近年國內(nèi)外研制了一些強韌性好、熱穩(wěn)定性高的這類熱作模具鋼,表9列出了一部分有代表性的鋼的化學(xué)成分。這些鋼是在鉬系3Cr3MoV鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。QR080M是瑞典在80年代初研制成的一種熱作模具鋼,通過優(yōu)化合金元素的配比,在合金元素總含量不高的情況下,使鋼具有比較高的高溫性能和冷熱疲勞性能,QR090M是QR080M的改進鋼號。QDH是日本最近開發(fā)的熱作模具鋼,較之H13有更好的高溫強度、抗軟化能力和冷熱疲勞抗力,其沖擊韌性亦稍高于H13。我國研制成的HM1鋼是在3Cr3Mo3V鋼的基礎(chǔ)上增加鎢并提高釩含量,在保持較好的強韌性條件下提高其熱穩(wěn)定性(國外加入鈷),有比較好的綜合性能,已比較廣泛地用于制作熱擠壓模、精鍛模、有色金屬壓鑄模等,TM鋼與QR090M鋼的成分不同之處是加入1%W。Y4鋼的成分與QR090M不同之處是加入少量的Nb和微量B。HD2鋼的研究工作表明,適當(dāng)?shù)暮辖鹪嘏浔葘Ω纳其摰男阅苁鞘种匾?1%Ni能增加二次硬化峰值硬度,提高斷裂韌性和鋼的室溫及高溫塑性及韌性,少量Nb可以改善淬火工藝性能,但使塑性和韌性有所降低,硼能提高鋼的室溫和高溫強度,而對鋼的室溫塑性和斷裂韌性無太大影響。HD2鋼有高的熱穩(wěn)定性,可以在700°C工作仍保持40HRC的硬度?；鼗饡rMC和M2C的沉淀強化對高的熱穩(wěn)定性起主要作用,基體的高的回復(fù)和再結(jié)晶抗力也有重要貢獻。表10為HD2鋼與3Cr2W8V鋼的高溫力學(xué)性能對比(43HRC)。在相同硬度時(43HRC),HD2鋼的斷裂韌性比3Cr2W8V鋼高出30%。012A1是一種基體鋼,在高速鋼的基體上添加非碳化物形成元素Si和Al和弱碳化物形成元素Mn。012A1鋼有比較高的熱穩(wěn)定性,斷裂韌性高,碳含量適當(dāng),既可用于做熱擠壓模具,也可以做冷作模具,有較好的使用效果。3.3出模鋼和模具鋼析出硬化熱作模具鋼的特點是制作的模具在淬火和低溫回火后進行機械加工,模具的硬度約為40HRC,加工后直接使用,在使用中模具表層受熱產(chǎn)生碳化物析出,導(dǎo)致二次硬化,硬度可達48HRC,而心部組織未發(fā)生轉(zhuǎn)變,這樣,模具可以同時具有表層所需要的高溫強度和心部的高韌性。由于模具是在機加工前進行熱處理,不存在熱處理變形和表面氧化脫碳問題。析出硬化鋼在50年代已出現(xiàn),如3Ni-3Mo鋼(含碳0.2%),70年代日本研制了不少析出硬化鋼,較成熟的是YHD3,其高溫強度優(yōu)于3Ni-3Mo鋼,并已得到較廣泛的使用,用于制作300mm×400mm截面的壓力機模具。YHD3鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)為:C0.2、Ni0.80、Cr2.80、Mo1.80、W0.70、Co1.00、V0.40。YHD3鋼存在的問題是熱處理后硬度高,不易加工,另外還含有1%Co。我國研制了一種無鈷析出硬化型熱作模具鋼2Cr3Mo2NiVSi(簡稱PH鋼),其成分(質(zhì)量分數(shù),%)為C0.19、Si0.75、Mn0.55、Cr2.75、Mo2.00、Ni1.00、V0.40,還加入Zr0.05~0.12。這種鋼用于制作壓力機鍛模,使用壽命比5CrNiMo高1~1.5倍。這種鋼經(jīng)1010°C淬火和400°C回火后硬度為44HRC,析出硬化量為3~4HRC。PH鋼