模具工業(yè)中鋼的應用

模具工業(yè)中鋼的應用

中國已成為主要的制造國。2009年，銷售額為980億元，出口近19億，擁有3萬多家工廠和近100萬員工。模具制造業(yè)已成為高新技術(shù)制造生產(chǎn)的一部分,目前以大型、精密、復雜和長壽命為代表的高水平模具比例已超過35%,精密模具的加工精度已達0.5μm。然而要制造高性能的模具,滿足日益發(fā)展的市場需求,達到高精、快速、低成本制模,并延長模具的使用壽命,在原材料、加工、熱處理與表面處理等各個環(huán)節(jié)都要嚴格把關(guān),相互協(xié)調(diào)。隨著模具工業(yè)的發(fā)展,對模具鋼性能的要求也越來越高,為此各國模具鋼生產(chǎn)企業(yè)均為制作不同性能要求的模具爭相開發(fā)了一系列性能各異的新鋼種,本文將作這方面的介紹。1具鋼的發(fā)展主要指用于制作在常溫下對金屬進行壓力加工或其他如沖、彎、拉、鐓、擠等加工用模具的鋼。國內(nèi)外冷作模具鋼的發(fā)展主要集中在獲得高韌性、高耐磨性、空淬微變形、火焰淬火及粉末冶金鋼等方面。國內(nèi)冷作模具鋼有碳素工具鋼(T7等)、低合金工具鋼(9Mn2V、CrWMn、GCr15等)、高碳高鉻工具鋼(Cr12、Cr12MoV等)、高碳中鉻工具鋼(Cr6WV等)、高速鋼(W6Mo5Cr4V2等)等。1.1模具鋼5cr3w2v2si我國研制并得到推廣應用的鋼種有:高強韌性的基體鋼65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)、CG-2(6Cr4Mo3Ni2WV)、LMl(65W8Cr4VTi)、LM2(65Cr5Mo3W2VSiTi)、LD(7Cr7Mo2V2Si),其中有些是冷熱兼用的模具鋼;高耐磨性、高強韌性的萊氏體鋼GM(9C16W3Mo2V2);微變形空淬鋼GD(7CrNiMnMoV)、CH-1(7CrSiMnMoV),后者為專用火焰淬火鋼。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)大多以我國鋼鐵命名法來表示鋼號,部分以與美、日、法等國標準相似的鋼號來表示牌號;還有企業(yè)牌號,如東北特鋼,高碳高鉻鋼FT31-FT33(Cr12型),空淬鋼FT34(Cr5Mo1V),油淬鋼FT35、FT36、FT37(分別為9Mn2V、CrWMn、9CrWMn),高韌高耐磨鋼FT38(Cr8Mo2VSi)及火焰淬火鋼FT31(7CrSiMnMoV)等。1.2國外冷擠模中的鋼1.2.1w6mo5cr4v2常見的有CRD(相當于Cr12)、SLD(相當于Cr12MoV)、SGT(9CrWMn),高速鋼YXM1(相當于W6Mo5Cr4V2)、YXM4、XVC5,粉末高速鋼HAP5R、HAP10、HAP40等。另外有新開發(fā)的SLD-MAGIC,火焰淬火鋼HMD5、HMD1,基體鋼YXR7、YXR3等。值得一提的是高性能冷作模具鋼SLD-MAG1C,熱處理后最高硬度可達62HRC,在耐磨性、表面強化處理、切削加工性、熱處理尺寸變化等方面均優(yōu)于原SLD鋼。1.2.2cr12mov常規(guī)的有YK30、G0A(9CrWM)、DC11(Cr12MoV)。還開發(fā)有火焰淬火鋼G05,高韌性、高耐磨性的DC53(改進型Cr12MoV),以及DCMX鋼,后者不僅切削加工性好,而且熱處理畸變小。1.2.3si1.2、mo2.0、v0.5有KD11(相當于Cr12Mo)鋼、KD21(Cl.1、Cr8.2、Mn0.4、Si1.2、Mo2.0、V0.45)鋼,后者高溫回火后硬度仍可達60～63HRC,屬高強、高韌、高耐磨的冷作模具鋼。新開發(fā)的KD11S屬高韌性細晶鋼,熱處理后仍可加工(即具有良好的切削加工性能),并且抗疲勞性能、韌性及耐磨性優(yōu)良。1.2.4assab鋼鋼種有ASSABDF-3、XW-5、XW-10、XW-42、88、635、Viking、EM2等。還有ASSAB635鋼,可用于厚板的沖切與成形,熱處理后硬度可達56～58HRC,具有極高的韌性。另外有ASP系列粉末冶金高速鋼,碳化物顆粒細小且分布均勻,韌性尤為突出。1.2.5材料及模具鋼鋼種有:低合金冷作模具鋼K245、K455、K460、K510、K600、K605、K720,中合金冷作模具鋼K305、K306,高合金冷作模具鋼K100、K105、K107、K110(均為12%Cr型)及K329、K340、K360(均為8%Cr型)以及粉末冶金冷作模具鋼K390、K890。2內(nèi)外熱作模具鋼的發(fā)展主要用于熱鍛、熱擠壓以及鋅、鎂、鋁、銅及其合金的壓鑄模具,要求材料具有良好的抗熱疲勞性(熱龜裂)、抗熔損(粘著)性及韌性。國內(nèi)外熱作模具鋼的發(fā)展主要集中在如何提高熱強性、熱疲勞強度、淬透性及熱導率等方面。開展的工作有:優(yōu)化成分(如降Si、V提高Mo含量等);提高冶金質(zhì)量,即提高純凈度、降低夾雜物和氣體含量;達到高等向性,不僅采用二次精煉ESR、VAR,而且實施高溫均勻化處理、大鍛比等向鍛造以及組織細化處理等;采用最佳的熱處理工藝參數(shù)(包括表面處理)以獲得高沖擊值和合適的硬度及相應的其他性能。2.1國內(nèi)熱作模中的鋼鐵公司2.1.1有低耐熱高韌性鋼(5CrNiMo、5CrMnMo等,工作溫度低于400℃);中耐熱韌性鋼(4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2Si等,工作溫度低于600℃),以及高耐熱鋼(3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V等,工作溫度高于600℃、低于650℃)2.2.2馬氏體時效鋼高速鋼(工作溫度600～700℃);中低合金超高強度鋼(40CrNi2Mo、30CrNiMnSiA等,宜低于450℃使用);馬氏體時效鋼00Ni18Co8Mo5Ti(相當于18Ni(250)鋼))和00Cr5Ni12Mo5TiAl(12Ni-5Cr-3Mo),這類鋼先固溶(800～900℃),加工后時效((400～500℃)×3h),硬度57～60HRC;CrNi系奧氏體耐熱鋼(4Cr14Ni14W2Mo等)、高Mn系奧氏體鋼(5Mn15Cr8Ni5Mo3V等)。2.2.3熱作模具鋼品牌高韌性鋼5Cr2(5Cr2NiMoVSi)、5CrSiMnMoV等;高強韌性鋼HM3(2Cr3Mo3VNb)、HD(4Cr3Mo2NiVNb)、TM(4Cr3Mo2MnWV)、Y4(4Cr3Mo2MnVNbB)、Y10(4Cr5Mo2MnVSi);高耐熱性鋼HM1(3Cr3Mo3W2V)、RM2(5Cr4W5Mo2V)、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)、GR(4Cr3Mo2W4VTiNb);冷熱兼用的基體鋼LM1、LM2、CG-2、RM2、012Al;析出硬化型PH(2Cr3Mo2NiVSi)鋼。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)熱作模具鋼牌號的表示方法類似于上述冷作模具鋼。如東北特鋼4Cr5MoSiV1鋼牌號為FT413、FT413(電渣);5CrNiMo鋼牌號為FT42;3Cr2W8V鋼牌號為FT43;4Cr5MoSiV鋼牌號為FT410。近期圍繞熱作模具鋼4Cr5MoSiV1(H13)的類似鋼種,國內(nèi)開展了大量的科技創(chuàng)新工作,并取得了不少成果,出現(xiàn)的牌號較多,舉例如下。寶鋼的H13鋼分質(zhì)量檔次供貨,牌號有SWGH13(通用電爐鋼)、SWQH13(電渣重熔鋼)、SWPH13(電渣重熔鋼,純度高,經(jīng)高溫均勻化及組織細化處理,等向性好)。上海大學研制的熱作模具鋼有SDH13(P級H13)、SDH8(降Si、V提高Mo含量的H13鋼)、H13+0.01%Nb和SDHA(奧氏體熱作模具鋼)。新型奧氏體熱作模具鋼SDHA(C0.51,Si0.57,Mn14.3,Cr4.01,Mo1.72,V1.63)工作溫度可達700～800℃,而馬氏體熱作模具鋼一般最高使用溫度僅600℃。一汽的HHD高性能熱作模具鋼(0.2%～0.35%C、8%～13%Cr、1%～2%Mo、0.7%～1.3%Ni、0.4%～1.0%V、0.3%～1.0%W、0.002%S、0.012%P及微量N、RE、Nb)。2.2國外的熱作模式中的鋼2.2.1其他熱作模具鋼除了DAC(4Cr5MoSiV1、SKD61)、DDC(4Cr5WMoSiV、SKD62)、YEM(SKD7)、HDC(SKD5)、YDC(SKD4)、MDC(SKD8)、DM(SKT4)等常規(guī)的熱作模具鋼外,還自行研發(fā)了DAC3、DAC10、DAC40、DAC55、YEM-K、MDC-K、DAC45、YXR3、YXR33、YHD28、YHD3及FDAC等新鋼種。這些鋼的性能差異見圖1。值得一提的是DAC55鋼,屬高韌性、高溫強度優(yōu)良的改良型5Cr系鋼。YXR系列為基體鋼,YXR3鋼韌性高,YXR33鋼高溫熱強性好。YHD3鋼為析出硬化型熱作模具鋼,FDAC為易切削熱作模具鋼,YHD28、YHD3、FDAC鋼可以以預硬化狀態(tài)交貨(硬度約40HRC)。2.2.2優(yōu)勢鋼有相當于H13(SKD61)鋼的DHAl通用型鋼,及經(jīng)改良的DHA1-1(高韌性)、DH31-S、DH31-EX(高韌、高硬)、DH2F(高效預硬)及DHA-thermo(高的熱傳導性)鋼等。新開發(fā)的DHA-WORLD鋼通過成分優(yōu)化(改變Si,Mn,Cr,Mo,V含量)和調(diào)整工藝獲得了韌性、淬透性好,早期開裂傾向和熱處理畸變小等優(yōu)異性能。DH31-EX鋼因采用電渣重熔,性能比DHA-WORLD鋼有進一步改善。這些鋼的特性參見圖2。2.2.3日本高周波行業(yè)工廠僅提供3個牌號,分別為KDA(普通型SKD61)、KDA1S(切削性好、韌性高)和KDAMAX(極好的抗龜裂性)。2.2.4抗熱疲勞性能ASSAB公司熱作模具鋼除原先的8402、8407鋼外,新推出了QR090、HOTVAR(高C、高Si、低Cr、高Mo)、DIEVAR(降低Si、V量,提高Mo量)鋼等品牌,均具有良好的抗熱疲勞性能,大致成分參見表1。2.2.5超優(yōu)質(zhì)digitalinfrag/roin鋼ADC3、SMV4S鋼采用電渣重熔(ESR)或真空重熔(VAR)工藝煉制,具有高的抗熱龜裂性、高韌性和高耐磨性,是北美壓鑄協(xié)會(NADCA)評定的超優(yōu)質(zhì)(superier)鋼種。2.2.6c、mosiv1鋼、w302鋼、w3鋼c有W100(3Cr2W8V)、W300、W400(相當于4Cr5MoSiV鋼,前者比后者Si量低而V、Cr量高)、W302(4Cr5MoSiV1)、W360(改良的4Cr5MoSiV1鋼,其C、Mo量稍高,Si、Cr量稍低),以及W303、W403(比4Cr5MoSiV1鋼的Mo量高,V、Si量低,相當于DIN1.2367鋼)。3模具加工技術(shù)的發(fā)展主要用于塑料件的注塑、壓塑、吹塑模,應用極其廣泛(塑料模具約占模具總量的40%以上),尤其對于要求鏡面拋光的模具,對鋼材質(zhì)量、熱處理的要求極高。國內(nèi)外塑料模具鋼的發(fā)展方向主要是改善切削性,預硬化,提高耐蝕性、拋光性等。其措施主要為調(diào)整成分,改進冶煉、澆注、鍛造、熱處理工藝,再配之以先進的冷加工工藝,從而高效、快速、低成本制取大型、精密、復雜、長壽命的塑料模具。3.1國內(nèi)塑料模3.1.1硬化鋼u2004一般按鋼的類別和熱處理狀態(tài)進行分類,大致有:滲碳鋼(20、20Cr、12CrNi3等);碳鋼(SM45等);預硬化鋼(3Cr2Mo、3Cr2NiMnMo等);淬硬鋼(T7、5CrNiMo、9Mn2V、GCr15、Cr12MoV、4Cr5MoSiV1、W6Mo5Cr4V2等);時效硬化鋼(0Cr17Ni4Cu4Nb等);耐蝕鋼(2Cr13、1Cr18Ni9Ti等)。3.1.2預硬化鋼的表征滲碳鋼LJ(OCr4NiMoV專用作冷擠壓成型);易切削預硬鋼SM1(Y55CrNiMnMoVS)、8Cr2S(8Cr2MnWMoVS)、5NiSCa(5CrNiMnMoVSCa);時效硬化鋼PMS(1Ni3Mn2CuAlMo)、25CrNi3MoAl、06Ni(06Ni6CrMoVTiAl)、SM2(20CrNi3AlMnMo);耐蝕鋼PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb,屬馬氏體沉淀硬化不銹鋼);淬硬鋼GD(6CrNiSiMnMoV)。有關(guān)國內(nèi)塑料模具鋼牌號的表示方法與上述冷作模具鋼牌號的表示方法類同。許多鋼鐵企業(yè)的預硬化鋼均有各自的牌號,舉例如下。預硬化鋼FT61(3Cr2Mo)、FT62(3Cr2NiMnMo);耐蝕鋼FT63(20Cr13)、FT64(40Cr13);高鏡面鋼FT68(10Ni3MnCuAl)。提供預硬化軋板(厚度10～305mm),有硬度為280～340HBW的Wisco2311(相當于3Cr2Mo)、Wisco2738(相當于3Cr2NiMnMo)鋼和硬度為360～400HBW的WiscoP80A(10Ni3MnCuAl)鋼。J30(軋板厚度20～80mm)。3.2國外的塑料模具3.2.1耐蝕型s-/d-table預硬通用預硬型PX4、PX5、PAC5000(38HRC時鏡面度可達5000目),耐蝕型S-STAR(預硬,在53HRC時鏡面度可達14000目),D-STAR(退火態(tài))及G-STAR(預硬)。另外推出時效硬化型的NAK80及NAK-PRM鋼(硬度均為40HRC),前者研磨鏡面度達到8000目,后者達到10000目。3.2.2nix預硬鋼體系除早期的預硬型618、718H、718S及耐蝕型S-136鋼外,還推出具有優(yōu)良機加工性能、焊接性能、拋光性能及皮紋性的NIMAX預硬鋼(高錳低碳)。3.2.3硬化鋼及耐蝕熱處理鋼塑模鋼品種齊全,且成系列。典型的塑料模具鋼有:表面預硬化鋼(滲碳型)M100(20Mn)、M130(20Cr2Ni4);預硬