模具材料與熱處理 課件 項目2 模具材料的應用與發(fā)展趨勢

項目二模具材料的應用與發(fā)展趨勢內容模具材料的應用與發(fā)展趨勢學習目標了解模具材料的應用與發(fā)展趨勢主要知識點模具工業(yè)的地位與作用模具材料及熱處理在模具工業(yè)中的地位與作用國外模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢我國模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢模具熱處理技術的應用及發(fā)展模具表面強化技術的應用及發(fā)展2.1模具工業(yè)在國民經濟中的地位與作用1.模具工業(yè)在現(xiàn)代工業(yè)中的作用

（1）模具是壓力加工和其他成形加工工藝中，使材料（金屬和非金屬）變形制成產品的一種重要工藝裝備，應用廣泛。它在鍛造、塑料加工、壓鑄等行業(yè)中起著重要的作用。

（2)少無切削加工是機械制造業(yè)發(fā)展的一個方向，而模具是利用壓力加工實現(xiàn)少無切削工藝的關鍵。模具成形有優(yōu)質、高產、低消耗和低成本等特點，因此得到了廣泛應用。（3）模具生產影響到產品開發(fā)、更新?lián)Q代和發(fā)展速度。

2.1模具工業(yè)在國民經濟中的地位與作用2.我國模具工業(yè)的現(xiàn)狀

目前,我國已成為制造業(yè)和模具生產的大國。2018年中國模具消費量達2555億元人民幣,約占世界模具消費的1/3,模具產值亦占世界模具總產值的1/3。2018年,中國模具出口量達60.85億美元,比上一年增長10.8%,占全球模具出口總量的1/4,出口遍及全球約200個國家和地區(qū)；模具進口量為21.4億美元,同比增長4.3%,占全球模具進口總量的1/8。2018年中國模具2555億元人民幣的消費量可以支撐起全國28萬億元的工業(yè)制成品市場,是“中國制造”的重要組成部分,扮演著從“大國重器”到人民生活變化提升的“幕后英雄”角色。以汽車行業(yè)為例,汽車制造的模具依存度已超過90%,全國95%以上的模具企業(yè)涉及汽車模具。近年來,中國模具企業(yè)加快“走出去”,完成相關并購超過20起,交易金額近70億美元,主要并購方向是模具的智能化、電動化和輕量化。

2.1模具工業(yè)在國民經濟中的地位與作用3.模具工業(yè)將進一步促進產業(yè)升級

(1)汽車行業(yè)領域：模具裝備是推進汽車產品升級換代、節(jié)能環(huán)保型汽車研發(fā)生產和汽車自主品牌發(fā)展的重要保障。(2)家電行業(yè)領域：家電零件成型依靠扳金沖壓、塑料、發(fā)泡、吸附等各類模具,模具制造的水平是實現(xiàn)我國家電轉型升級(如低噪音、節(jié)能節(jié)水、多間室)的技術保證。(3)航空裝備領域：飯金裝備、飛機內飾件模具成套技術的研究開發(fā)及產業(yè)化對航空制造、減輕飛機的自重、節(jié)約燃油等具有關鍵作用。(4)電子專用裝備及新興產業(yè)配套領域：IT模具中電腦周邊模具、媒體數(shù)碼產品模具、光電通信產品模具、網絡產品模具、鐘表禮品模具等的需求越來越大。(5)醫(yī)療器械制造領域：精密、超精密模具具有舉足輕重的地位。(6)軌道交通領域：動車組走行核心部件超高速(300千米以上/小時)精密軸承模具核心技術，鐵路重載貨車和城市軌道交通車輛用軸承、齒輪傳動裝置，高速動車組用齒輪箱精密鑄造模具等是軌道交通發(fā)展的必需。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.1國外模具鋼的發(fā)展狀況1.國外模具鋼種類的發(fā)展1）冷作模具鋼高韌性、高耐磨性模具鋼低合金空淬微變形模具鋼火焰淬火模具鋼粉末冶金冷作模具材料2）熱作模具鋼高淬透性特大型鍛壓模具鋼

高熱強性模具鋼高溫熱作模具材料3）塑料模具鋼預硬型塑料模具鋼時效硬化型塑料模具鋼耐蝕塑料模具鋼無磁塑料模具鋼2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.1國外模具鋼的發(fā)展狀況2.國外模具材料的發(fā)展趨勢1）多品種化國外為適應模具扁平的需要，扁鋼和中厚板的生產數(shù)量逐年增加，如日本1997年扁鋼產量已占合金工具鋼總產量的30%以上。2）制品化國外特殊鋼生產企業(yè)為了滿足模具制造業(yè)的生產需要,大力開發(fā)模具鋼的深加工,提供高附加值的模具制品,如經過精加工和浴回火處理的模塊、模架、模板及各種標準化配件。模具生產企業(yè)只需對選購的模塊的型腔或刃口部分進行加工,然后組裝在標準模架上即可,所以生產效率高、交貨周期短、制造費用低,能較好地滿足模具用戶的需要。3）精料化國外特殊鋼生產企業(yè)為模具制造業(yè)提供無氧化、無脫碳層、尺寸精度高的多種精密模具材料。如美國ASTM合金工具鋼標準專門對一些鋼材制定了詳細規(guī)定,為用戶提供高精度的模具材料。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況1.冷作模具鋼的發(fā)展狀況1）低合金冷作模具鋼近年來我國研制了一些新型低合金冷作模具鋼,這些鋼的主要特點是合金總量低、浴透性好、浴火溫度低、熱處理畸變小、強韌性高,并且有適當?shù)哪湍バ?）高韌性高耐磨性模具鋼為了改善Cr12型冷作模具鋼的碳化物偏析，提高韌性并進一步提高耐磨性國內冶金工作者做了大量研發(fā)工作，先后開發(fā)了多種高韌性高耐磨性模具鋼如LD(7Cr7Mo2V2Si)鋼、GM(9Cr6W3Mo2V2)鋼、ER5(Cr8MoWV3Si)鋼’以及Cr8MoV2Ti鋼、8Cr7Mo3W2V鋼等。與Cr12型模具鋼相比，這類新開發(fā)的鋼適當降低了C和Cr的含量，以改善碳化物偏析，還適當增加了W、Mo和V的含量，以增加二次硬化的能力和提高其耐磨性。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況1.冷作模具鋼的發(fā)展狀況3）基體鋼基體鋼是為了改善高速鋼碳化物分布不均勻和韌性較差等問題而研制開發(fā)的?；w鋼一般指其成分與高速鋼浴火組織中基體組織化學成分相同的鋼。4）無磁高強度模具鋼電子工業(yè)的發(fā)展對無磁模具鋼的需求量大大增加，傳統(tǒng)的無磁模具鋼7Mn15Cr2Al3V2WMo是一種高強度奧氏體型無磁模具鋼，其磁導率低并具有良好的強度和耐磨性，但由于其有冷作硬化現(xiàn)象，切削加工比較困難，為此，國內科技工作者研發(fā)了一些新型無磁模具鋼，有A18(18Mn12Cr18NiN)、WCG(8Mn15Cr18)、50Mn(50Mnl8Cr4WN)等，這幾種鋼磁導率較低，強度較高，并具有良好的可切削加工性能。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況1.冷作模具鋼的發(fā)展狀況5）鋼結硬質合金用硬質合金制造模具在不受沖擊、韌性要求不高的情況下性能比鋼要好，壽命很長但成本較高；更為困難的是由于受制造條件的限制難以制造形狀復雜的模具。我國研制的鋼結硬質合金有以TiC為硬質相的GT35、R5、DT、Ti等’和以WC為硬質相的TLMW50、GW50、GJW50等。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況2.熱作模具鋼的發(fā)展狀況1）中小型熱鍛模用鋼熱鍛模由于與被加熱到高溫的鍛件接觸，模具型腔表面溫度有時高達400℃以上，局部溫度甚至能達到600℃以上，傳統(tǒng)的熱鍛模具鋼5CrMnMo、5CrNiMo的高溫性能難以達到要求，其浴透性也不能滿足大截面錘鍛模的要求。為解決此問題，通過對國內外鍛模鋼的分析、對比和研究，國內較早開發(fā)的有2Cr3Mo3VNb、ER8(4Cr3Mo2MnVB)等3Cr-3Mo型和3Cr-2Mo型高強度熱作模具鋼，后又開發(fā)了3Cr3Mo3VNb。在3Cr-3Mo鋼中加入V、Nb可細化晶粒，降低過熱敏感性。這些新研制的熱作模具鋼浴火溫度范圍寬、浴透性好、高溫強度高，并且具有良好的塑韌性、熱穩(wěn)定性、抗冷熱疲勞和抗熱磨損等性能，在中小熱鍛模上使用，比5CrMnMo、5CrNiMo鋼制造的模具壽命有較大提高。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況2.熱作模具鋼的發(fā)展狀況2）大截面熱鍛模用鋼對于制造模塊厚度大于400mm的大型和特大型熱鍛模，5CrMnMo、5CrNiMo鋼的熱穩(wěn)定性、抗熱疲勞性、浴透性嚴重不足。國內在5CrNiMo鋼的基礎上適當降低碳含量，提高了Cr、Mo的含量，并加入適量的V和Si，先后開發(fā)了45Cr2(45Cr2NiMoVSi)、5Cr2(5Cr2NiMoVSi)、B2(3Cr2MoVNi)和3Cr2MoWVNi等大截面熱鍛模用鋼，其熱穩(wěn)定性、浴透性和使用壽命都有了較大提高。與5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2鋼提高了浴透性、高溫強度、熱穩(wěn)定性，而沖擊韌性相當；此外鋼的抗熱磨損和抗熱疲勞性能也優(yōu)于5CrNiMo鋼。45Cr2鋼的C和Si較5Cr2鋼稍有降低，更適宜作錘鍛模。這類鋼用于制造40000kN以上的機械壓力機鍛模和30kN以上的錘鍛模，使用壽命為5CrNiMo和5CrNiMoV鋼鍛模的1.5~2倍。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況2.熱作模具鋼的發(fā)展狀況3）熱擠壓模具鋼高熱強性模具鋼一般用于熱擠壓模、壓型模等。由于模具和高溫工件長期接觸，使模具本身溫度升高，易造成模具型腔(凹模)塌陷、磨損、表面氧化和熱疲勞，因此要求模具鋼具有較高的高溫強度、硬度和熱穩(wěn)定性，良好的耐磨性和抗氧化性能，較高的抗熱疲勞性能和斷裂韌度。特別受關注的是銅鋁合金擠壓模，特別是銅合金熱擠壓模的底模和穿針孔。由于模具長時間與被加熱到高溫的工件接觸，使模具的使用條件極其惡劣。經過對比研究，我國先后開發(fā)研制了提高此類模具使用壽命的新鋼種，如HD(4Cr3Mo2NiVNbB)鋼、Y4(4Cr3Mo2MnVNbB)鋼等，用于銅合金擠壓模，使用壽命為3Cr2W8V鋼模具的2倍左右。鋁合金熱擠壓模對鋼的韌性要求較高，國內引進的中合金銘系熱作模具鋼H13(4Cr5MoSiV1)已成為首選的模具用鋼、國內研制的高強韌性熱作模具鋼HM1(3Cr3Mo3W2V)、HM3(3Cr3Mo3VNb)也是較好的鋁合金熱擠壓模用鋼。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況2.熱作模具鋼的發(fā)展狀況4）壓鑄模具鋼金屬壓鑄工藝生產效率高，降低了生產成本，節(jié)約了原材料，生產的鑄件性能較好，近幾十年來已得到廣泛的應用。壓鑄模具的工作表面直接與液態(tài)金屬接觸，承受高壓、高速流動的液態(tài)金屬的沖蝕和加熱，以及隨后的急冷，因此對模具鋼的高溫強度、韌性、耐冷熱疲勞性能要求較高。為此，國內先后開發(fā)了幾種新型壓鑄模具用鋼，如Y4(4Cr3Mo2MnVNiB)、Y10(4Cr5Mo2MnVSi)等。其中，Y4鋼是銅合金壓鑄模具用鋼，使用壽命較3Cr2W8V鋼有明顯提高，該鋼種也可用于熱擠壓模；Y10鋼是鋁合金壓鑄模用鋼，也較3Cr2W8V鋼使用壽命長。國際上通用的H13(4Cr5MoSiV1)在鋁合金壓鑄模應用上也是首選鋼種。另外，國內研制的沉淀硬化鋼PH(2Cr3Mo2NiVSi)、低碳高速鋼和基體鋼(如6W6Mo5Cr4V鋼、6Cr4W3Mo2VNb鋼、65W8Cr4VTi鋼、5Cr4W5Mo2V鋼等)，以及奧氏體熱作模具鋼等，在熱作模具的應用上都取得了較好的成效，模具的使用壽命有所提高2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況3.塑料模具鋼的發(fā)展狀況1）預硬化型塑料模具鋼該類鋼一般為中碳低合金鋼，在鋼廠經過鍛打后制成模塊，預先熱處理至模具要求硬度，把鋼調至30~35HRC供使用單位制造模具，從而可避免由于熱處理而引起的模具變形和裂紋問題。預硬化塑料模具鋼主要用于制作形狀復雜的大、中型精密塑料模具。預硬化塑料模具鋼使用硬度一般在30~42HRC’尤其在高硬度區(qū)間(>35HRC)’可加工性能較差。為了改善預硬化型塑料模具鋼的加工性能’往往在預硬鋼中加入易切削元素S、Ca、Pb、Sb等。我國先后開發(fā)研制了一些易切削預硬化型塑料模具鋼，如5NiSCa(5CrNiMnMoVSCa)、8Cr2S(8Cr2MnWMoVS)、P20BSCa(40CrMnVBSCa)、SM1(Y55CrNiMnMoVS)等鋼，使鋼在高硬度下的切削加工性能得到顯著改善。預硬化易切削塑料模具鋼不僅可用于制造大、中型精密塑料模具，也可以用于制造精密復雜的冷作模具。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況3.塑料模具鋼的發(fā)展狀況2）時效硬化型塑料模具鋼對于形狀復雜、精密、要求使用壽命較長的塑料模具，為了避免其在浴火熱處理過程中產生變形，時效硬化型塑料模具鋼受到了關注。該類鋼一般碳含量不高，鋼中含有Ni、Al、Mo、Ti、Cu等合金元素，經固溶處理后硬度較低(一般堅32HRC)很容易進行加工，加工成型后再進行低溫時效熱處理，就能獲得要求的綜合力學性能和耐磨性。由于時效溫度較低，時效處理后模具變形極小，所以時效后不需再進行切削加工，就可得到精度很高的模具成品，使用壽命高于預硬型塑料模具鋼，適于制作要求高鏡面的熱塑性塑料制品模具。我國先后開發(fā)研制的時效硬化型塑料模具鋼有：PMS(1Ni3Mn2CuAlMo)、06Ni(06Ni6CrMoVTiAl)、SM2(20CrNi3AlMnMo)、25CrNi3MoAl等。其中SM2鋼中含有0.1%(質量分數(shù))的S，改善了其加工性能，是一種易切削時效硬化型塑料模具鋼。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況3.塑料模具鋼的發(fā)展狀況3）非調質塑料模具鋼國內在開發(fā)研究非調質塑料模具鋼方面較為滯后，近幾年才開發(fā)研制出來。非調質塑料模具鋼的特點是不經調質處理，鍛軋后即可達到預硬化硬度，有利于節(jié)約能源、降低生產成本、縮短生產周期。我國開發(fā)的新鋼種有：FT(2Mn2CrVTiSCaRe)、2Cr2MnMoVS、2Mn2CrVCaS、B20、B30等。2Cr2MnMoVS鋼在空冷條件下，100mm厚的截面上硬度可達40HRC以上。非調質塑料模具鋼FT(2Mn2CrVTiSCaRe)中加入了S、Ca、Re作為易切削元素，比S-Ca復合系易切削模具鋼有更好的切削性能。低碳MnMoVB系非調質貝氏體型大截面塑料模具鋼(B30)，鋼中加入S、Ca作為易切削元素，工業(yè)試生產表明400mm厚板坯熱軋后空冷，硬度沿截面分布較均勻。由于在模具制造過程中，非調質塑料模具鋼不需熱處理(浴火、回火)，避免了因熱處理可能產生的變形開裂等問題，改善了勞動條件，減少或避免了熱處理造成的污染，具有較好的經濟效益和社會效益，在模具制造業(yè)中得到推廣應用。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況3.塑料模具鋼的發(fā)展狀況4）冷擠壓成型塑料模具鋼冷擠壓成型塑料模具鋼,又稱滲碳型塑料模具鋼。滲碳型塑料模具鋼的碳含量很低,一般為質量分數(shù)0.1%~0.2%,塑性變形抗力很小,軟化退火后硬度堅160HBW,復雜型腔堅130HBW，以便進行型腔的冷擠壓。過去我國一般采用低碳鋼和低碳合金鋼,如15、20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、20Cr2Ni4和20CrMnTi等鋼。我國近年來研制了冷擠壓成型塑料模具專用鋼LJ(0Cr4NiMoV),該鋼冷擠壓成型后經滲碳、浴火和低溫回火后,表面硬度達58~62HRC,心部硬度為28HRC,模具耐磨性好,無塌陷及表面剝落現(xiàn)象,可用于制造形狀復雜和承受載荷較高的塑料成型模具。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況3.塑料模具鋼的發(fā)展狀況5）耐蝕塑料模具鋼一些塑料工廠生產批量較大的聚氯乙矯、氣化塑料、阻燃塑料等產品時,模具將受到化學性腐蝕,因此,模具材料需具有防蝕性能和較好的耐磨性,需選用耐蝕塑料模具鋼制造,國內常用的鋼種有：3Cr13、4Cr13、2Cr13、9Cr18、0Crl7Ni4CuNb等。國內近年來新開發(fā)研制的耐蝕塑料模具鋼有PCR(0Crl6Ni4Cu3Nb)鋼,這是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼,這種新型耐蝕塑料模具鋼在含有鹵素元素的介質中,其耐蝕性能明顯比0Cr17Ni4CuNb鋼好,并且有較好的綜合力學性能。2.2模具材料的生產現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.2.2我國模具鋼的發(fā)展狀況4.國內模具材料的發(fā)展趨勢近幾十年來,我國模具鋼生產技術發(fā)展很快,目前,我國模具鋼產量已躍居世界前列,建成了不少先進的生產工藝裝備,推廣應用了爐外精煉、電渣重熔等工藝技術,一些特殊鋼企業(yè)采用新工藝、新技術生產的模具鋼已達到國外同類鋼的水平,并形成了我國的模具鋼系列。但是,總體看來,我國模具鋼的生產技術、產品質量等與發(fā)達國家相比還存在一定差距,很多制造大型、精密、復雜、長壽命模具的鋼材還需進口。因此,我國模具鋼制造企業(yè)應該大力發(fā)展、推廣高性能的模具鋼品種,大力生產、推廣高純凈度、高精度、高均勻性、質量穩(wěn)定的模具材料,結合模具工業(yè)的發(fā)展,形成我國新的模具鋼系列,以滿足高性能、長壽命的模具生產需要,加快發(fā)展步伐,使我國在模具鋼的產量上、模具鋼的生產技術上和品種質量上都達到世界先進水平。2.3模具熱處理及表面強化技術的應用及發(fā)展2.3.1模具鋼的強韌化熱處理技術1.鍛造余熱滓火——雙細化工藝許多鋼可以采用鍛后余熱浴火、高溫回火、最終熱處理的雙重浴火工藝，以改善碳化物的分布，細化碳化物，提高模具的韌性基體，從而提高模具的壽命。2.固溶雙細化工藝固溶雙細化工藝完全利用熱處理方法，使碳化物細化、棱角圓整化，同時使奧氏體晶粒超細化。該工藝的主要措施是高溫固溶和循環(huán)細化。高溫固溶可以改善碳化物的形態(tài)和粒度；循環(huán)細化的目的在于使奧氏體晶粒超細化。2.3模具熱處理及表面強化技術的應用及發(fā)展2.3.1模具鋼的強韌化熱處理技術3.高溫滓火3Cr2W8V這類合金度比較高的熱作模具鋼，采用高溫浴火熱處理工藝，可以使大量合金碳化物在加熱時充分溶解，充分發(fā)揮各合金元素的作用，浴火后得到比較多的合金固溶度高的板條馬氏體組織，通過高溫回火后，有更多的高度彌散的合金碳化物析出，可以提高鋼的熱穩(wěn)定性、斷裂韌度和冷熱疲勞性能，使模具的使用壽命有所提高。4.降溫滓火一些廠家對高速鋼和基體鋼采用“低浴低回”的工藝比較好，浴火溫度偏低可大大提高模具的韌度，盡管模具的硬度略有降低，但對提高因折斷或疲勞破壞的模具壽命極為有利。2.3模具熱處理及表面強化技術的應用及發(fā)展2.3.1模具鋼的強韌化熱處理技術5.復相熱處理工藝(模具鋼的等溫淬火)所謂復相熱處理