常用热作模具材料的选用及其发展

材料 工艺 M a t e r ia l T e c h n o lo g y 常用热作模具材料的选用及其发展 聂 小 武 湖南铁路科技职业技术学院 湖南株洲4 1 2 0 0 0 摘要 介绍了我国近年来热作模具材料的研制和应用发展 以及这些常用热作模具材料的牌号 化学成 分 性能和用途 并对我国热作模具材料今后的发展提出了一些建议 关键词 模具材料 应用 中图分类号 T G 2 4 l 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 9 6 5 8 2 0 1 2 0 2 0 0 4 6 3 1 前言 模具是机械制造业的重要技术装备 也是机械 制造业的龙头产业 被誉为 制造业 中的皇冠 进 入富裕社会的原动力 因此 模具技术成为衡量一 个国家制造业水平的重要指标之一 模具材料的选 择对于模具的正常使用 寿命以及成本有很大影 响 在选材时 既要综合考虑模具的种类 产品数 量 产品材质及工艺过程等因素 还要考虑模具材 料本身的力学性能 耐磨性 耐热性 淬透性 机械 加工性和成本等情况 均衡各种因素 选择出合适 的材料 从使用条件和用途出发 可以把模具材料 分为热作模具钢 冷作模具钢和塑料模具钢三大 类 热作模具钢主要用于制造 自由锻模 压力机热 锻模 热挤压模和压铸模等 影响热作模具工作的 条件主要有锻压设备的工艺参数 毛坯的材质 模 具的润滑和冷却方式 模具的几何结构和制造精度 等 本文结合多年的生产实践总结常用热作模具材 料 的选用及其发展情况 2 热作模具材料的性能要求 热作模具工作条件恶劣 其主要失效方式有以 下几种 变形与磨损 模具在高温下工作 型腔表面 常因高温退火而软化 由于摩擦而引起的形状尺寸 变化 它包括磨粒磨损 粘着磨损 氧化腐蚀磨损 基金项目 湖南省教育厅科学研究项目 项 目编号 0 9 C 1 2 3 1 收稿 E t 期 2 0 1 1 1 2 2 9 稿件编号 1 2 0 0 0 0 2 作者简介 聂小武 1 9 7 9 一 讲师 博士研究生 从事模具设计方面的 研 究 表面疲劳磨损等 磨损失效可表现为刃口变钝 棱角 变圆 平面凹凸 形状尺寸发生变化 在高压下易产 生局部塑 l生变形 在制件顶出 开模等过程中会产生 机械磨损 氧化与浸蚀 模具型腔表面直接与高温熔融 金属接触 表面将受严重的氧化腐蚀及钢液中某些 聚合物的化学浸蚀 比如 在黑色金属液态模锻生产 中 常常遇到仅使用数次后模具工作零件的形状就 发生变化的现象 热疲劳裂纹 在高温生产过程中 每生产一只 制件 模具都要经历一个温度上升与下降的热循环 当模具中的循环工作应力超过断裂力学产生裂缝的 危险应力时就会萌生出微裂缝 一般发生在应力集 中的位置 例如尺寸急变 刀痕 磨损沟痕等宏观缺 陷位置或是晶界 粗大脆性第二相微观缺陷位置 模 具型腔表面受这种周期性 的热应力作用则易于形成 热疲劳裂纹 熔蚀与粘焊 当金属温度高于或等于模具材 料的熔点温度时 有时会 因模具局部小区域温度过 高而熔化形成小凸起 这种小凸起脱落后即形成凹 坑 有时也会形成粘焊 热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相 接触 这是与冷作模具工作条件的主要区别 因此会 带来以下两方面的问题 首先是模腔表层金属受热 通常锤锻模工作时 其模腔表面温度可达 3 0 0 4 0 0 以上 热挤压模可达 5 0 0 8 0 0 C 以上 压铸模模 腔温度与压铸材料种类及浇注温度有关 如压铸黑 色金属时模腔温度可达 1 5 0 0 C 以上 这样高的使用 温度会使模腔表面硬度和强度显著降低 对热模具 钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高 包括高温 4 6 o FM r 中国铸造装备与技术 2 2 0 1 2 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m M a t e ria l T e c h n o lo g y 材料 工艺 硬度和高温强度 高的热塑变抗力 实际上反映了 钢的高回火稳定性 第二个问题是模腔表层金属产 生热疲劳 龟裂 热模的工作特点是具有间歇性 每 次使热态金属成形后都要用水 油 空气等介质冷 却模腔的表面 因此 热模的工作状态是反复受热 和冷却 从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷 缩 即反复承受拉压应力作用 其结果引起模腔表 面出现龟裂 称为热疲劳现象 由此要求热模具钢 具有高的热疲劳抗力 热作模具在高温下工作发生一系列组织结构 的变化 相应地还引起一系列性能的恶化 例如硬 度 强度和耐磨性的降低等 同时 急冷急热引起的 应力循环造成了疲劳破坏或其他因素所产生的各 种破坏 模具材料的选择 应该根据模具 的生产条 件和工作条件的需要 结合模具材料的基本性能和 相关的因素 来选择适合模具需要的 经济上合理 的 技术上先进 的模具材料 同时还必须兼顾到模 具 的使用性能要求 这是 因为模具 的使用性能不但 决定着模具生产效率的大小 还决定着模具操作的 可靠性 因此 对热作模具材料的一般要求 优 良的 抗氧化性 较高的高温强度 良好的耐磨性 优良的耐热疲劳l生 较高的抗腐蚀性与浸蚀性 尽可能高的导热性 尽可能低的线膨胀系数 事实上 欲寻找同时具备上述性能的材料是非 常困难的 所以要根据具体情况综合考虑 3 常用热作模具材料介绍 我 国通用 型热用模具钢原来主要是 5 C r N i Mo 5 C r Mn Mo 钢 和 3 C r 2 W8 V钢 3个钢号 5 C r N i M o钢 自2 0世纪 3 0年代初在工业中应用后至今仍广为 应用 为 了节约镍 人们又研制了 5 C r Mn Mo 钢 其强 度和淬透性不亚于 5 C r N i M o 钢 但韧性稍差 这两 种钢属高韧性热作模具钢 5 C r N i M o 钢主要用于做 大中型锻模 其淬透性不够高 其性能也不能满足 大截面锻模对性能的要求 3 C r Z W8 V钢于 2 0世纪 2 0年代开始在工业上使用 是一种高热强性热模钢 并具有 良好的锻造 机械加工和热处理工艺性能 3 C r 2 W8 V钢 广泛用于制造黑色和非铁金属热挤压 模及 C u A l 合金的压铸模 这种钢的热稳定性高 使用温度达 6 5 0 C 但钨系热作模具钢导热性低 冷 热疲劳I生 差 我国在 2 0 世纪 8 0 年代初引进了国外 中国铸造装备与技术 2 2 0 1 2 o FM T 4 7 通用的铬系热作模具钢 H 1 3 4 C r 5 M o S i V 1 钢 H 1 3 钢有良好的冷热疲劳性 在使用温度不超过 6 0 0 C 时代替了 3 C r 2 W8 V钢 模具使用寿命有大幅度提 高 因此 H 1 3 钢迅速得到推广使用 其产量超过了 3 C r 2 W8 V钢 按工作温度可将热作模具钢分为 3 类 第一 类 韧性模具钢 如 5 C r Mn Mo 5 C r N i Mo 4 C r 5 Mo S i V 以4 C r 5 M o S i V H 1 1 第二类 强韧性模具钢 如 H 1 3 4 C r 3 M o 2 V 4 C r 5 W2 V S i E R 8 以H1 3 为代表 第三 类 高强度钢 如 3 C r 2 W8 V H M 3 G R 以 3 C r 2 W8 V 为代表 常用热作模具常用钢的钢号 主要特性及用 途 如表 1 所示 4展 望 热作模具材料对模具的寿命 加工周期 生产成 本以及产品的质量具有显著影响 目前热作模具已 向精密化 大型化和多腔化的方向发展 对模具钢性 能的要求越来越高 虽然我国模具钢产量已居世界 前列 形成了我国 自己的模具钢系列 建成了不少先 进的生产工艺装备 但是热处理工艺水平较低 钢种 较少 模具钢的生产技术 产品质量等方面与先进国 家相比还存在着很多差距 很多制造大型 精密 长 寿命模具的钢材仍需从国外进口 一些发达国家的 模具钢已经逐步发展成为一个专用钢系列 比如美 国的 A S T M A 6 8 1 标准 因此 我国模具钢工业尚需 不断开拓创新 扩大模具钢的品种规格 降低生产成 本 积极推广应尉l生 能较好的通用型模具材料 提高 国内模具材料供应的专业水平 标准化 信息化已经 成为工业发展的一个趋势 模具材料的标准化也应 日 益完善 为模具制造业快速发展奠定基础 在充分 发挥现有模具材料潜能的同时 研制新的模具材料 研究新的热处理技术 改进热处理工艺及更新设备 开发新的强化处理方法 了 了 T 了 T 了 了 征 稿 启 事 l f 中 国 铸 造 装 备 与 技 术 杂 志 是由 中 国 科 协 主 管 中 国 机 1 I 械工 程学 会和 济 南铸 锻机 械研 究所 有限 公司 共同 主办 是铸 j 造行业最具影响力的国家级刊物之一 报导内容 铸造工艺 技术 装备 铸造合金 材料 技术经 l 验交流 计算机应用 铸件质量控制 标准宣惯 生产管理 行业 1 f 资 讯 等 1 欢迎广大铸造工作者踊跃投稿 稿件一经选用即付稿费 I 请勿一稿多投 编辑部地址 2 5 0 0 2 2 济南市二环南路8 0 6 0 号 电话 0 5 3 1 8 7 9 7 9 2 9 7 E m a i l c f m t z d s e o m e n z t s 1 8 8 1 6 3 c o n l 工 上土 上土上土土工上土 上 上 上上 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 材料 工艺 M a t e r ia l T e c h n o lo g y 表 1 热作模具常用钢的钢号 使用硬度 主要特性及用途 牌号 主要特性 硬度 HR C 主要用途 合金元素含量较低的热作模具钢 具有较高的淬透性和良好的 5 C r N i M O 韧性 强度 耐磨性 对回火脆性不敏感 钢的淬透性好 但容易 4 4 4 8 适合制造各种形状复杂 冲击载荷大 工作温度不 太高 边长 4 0 0 mm大中型锤锻模 及热切边模 出现白点 5 C r M n M o 该钢除淬透性 耐热疲劳性稍差外 其它性能都与 5 C r N i M o 相似 4 4 4 8 适合制造边长 4 0 0 ra m的中型锤锻模及热切边模 由于增加了合金元素 使抗回火能力及淬透性增大 其使用寿 5 C r Mn Mo S i V 4 4 4 9 适 于制作 中 小型锻模 不适于制作大型锤锻模 命 较 上 面两种材料有较大提高 但韧性不如 5 C r Ni Mo 4 C r 5 Mo S i VI H1 3 空冷硬化型热作模具钢 在较高温度 6 0 0 时 具有较高的强 度和硬度 高的耐磨性和韧性 并具有 良 好的热疲劳性 综合性 5 3 5 5 用来制造锤锻模 热挤压模及心棒 压力机模 精 4 C r 5 W2 S i V 锻机模及镶块 铝 铜及合金的压铸模具 能较好 但导热系数不高 易产生热疲劳裂纹 该钢含有较多易形成碳化物的元素铬和钨 具有良好的淬透性 和明显的二次硬化效果 在 6 5 0 C 时具有较高的强度和硬度 热 用于制造高温高应力下 而冲击负荷不大的凸模 3 C r 2 W8 V 4 8 5 1 和凹模 如制造压铸模 热挤压模 精锻模和有色 疲劳性能 具 有 良好的锻造性 但 其耐磨性 热疲劳性 韧性和 塑性稍差 金属成 型模等 4 C r 5 M 0 2 新型中合金高热强性热作模具钢 具有高的热强性 热稳定性 制造铝合金压铸模 并可代替 3 C r 2 W8 V钢制造 4 9 5O 4 C r 3 Mo 2 Mn VI Y 4 良好的韧性 导热性及工艺性能 中 小型压 力机模具 热挤压 精锻等模具 空冷硬化型的热作模具钢 在中温下具有较好的热强性 高的 用于制造铝合金压铸模 热挤压模 穿孔用工具 4 C r 5 Mo S i V H1 1 5 3 5 7 耐磨性及 良好 的疲劳性能 且热处理变形 小 心棒 压力机锻模 5 C r 3 7 C r 3 该类钢具有良好的韧性 高的耐磨性 硬度及红硬性 优良的制 4 3 4 5 用于制造热切边模 4 C r W2 S i 造工艺性 4C r M0 2 Mn VNbB 4 C r 3 M 0 2 N i V N b B 该类钢具有较好的淬透性 导热性 高温强度 良 好的冷热疲劳 3 0 3 8 用于制造铜 铝合金压铸模 4 C r 2 M0 2 Mn V B 性和热熔性 高的热稳定性及 良好 的加工工艺性 2 Cr M0 3 V Nb 属于析出硬化性热作模具钢 组织为板条状马氏体 具有 良 好 2 C r 3 Mo 2 NV S i P H 的韧性和可加工性 在使 用过程 中模具表面受热 析 出碳化物 4 5 4 8 用于制造压铸模 热挤压模 精锻模 和有色金属成 型模等 导致二 次硬化 该材料 纯度高 晶粒组 织细密 各 向同性 好 不论大小尺寸 韧 8 0 4 7 瑞典产 性 延展性优良 高温强度高 热应力疲劳抗力强 良好的淬透 3 2 3 8 适于制造锌 铝 铅压铸模 浇1 3 套 性 和热处理尺寸稳定性 Ap p l i c a t i o n a n d Pr o g r e s s i n M a t e r i a l s o f Ho t W o r k Di e NI E Xi a o W u H u n a n V o c a t i o n a l C o l l e g e o f R a i l w a y T e c h n o l o g y Z h u z h o u 4 1 2 0 0 0 H u n a