模具钢最新研发动向

1、    模具钢最新研发动向         1 概要模具是制造业重要的工艺基础。模具制造分为原材料制造、加工、热处理与表面处理。若各工艺不能达到最佳化组合，很难制造高性能模具。即使取得一项新技术，若其他相关工艺不能与该项新技术相匹配，则不能改善模具寿命，甚至出现相反效果，所以不得已只能采用成熟技术。日本正是靠先进模具制造技术，而在世界上保持了很强的竞争力。鉴于模具制造特殊性，日本大同特殊钢公司不仅以致力高性能模具材料为研究开发宗旨，并将新模具材料的制造、加工、热处理及表面处理

2、相关技术的开发研究列入研制优先位置。即从以往单纯只提供模具材料，到包括模具材料、加工、热处理、表面处理及根据CAE模具的复合应力解析进一步提供支援，形成整个解析的提案体制。以此思路为基础，介绍最新开发的模具材料、热处理及表面处理实例。2 新型模具钢2.1 热锻模具、压铸模具热作模具钢需要进行压铸、温热锻造，以得到稳定、长寿模具。热锻模具损耗分为磨损、热裂、裂纹。压铸模具损耗分为磨损、熔损、热裂和裂纹。模具损耗中的磨损、熔损、热裂可通过焊接修补等进行修复。但不能修复裂纹，尤其是大裂纹，改善模具寿命的最大课题是防止模具出现大裂纹。通常，在实际模具中采用2mm U型缺口加工的夏比冲击试验样，若冲击值

3、小于20J/cm2，出现裂纹风险很高。因此，模具材料及其热处理多采用冲击值做品质管理准则。模具多采用理论寿命长、单价高的压铸模具，如以北美压铸协会（NADCA）标准为代表的型材接受准则。设定冲击值标准，进行高品质模具的寿命试验。降低冲击值的原因基本上分为以下两类：第一类是由材料引起。在低冲击值试样破坏源，存在钒碳化合物粗大晶间碳化物、氧化物及硫化物等非金属夹杂物。该种破坏源造成冲击值大幅降低。为避免此种情况，得到稳定的高冲击值，应采用电渣重熔（ESR）二次精炼及随后热处理的最佳制造工艺，开发出大幅降低晶间碳化物与非金属夹杂物的DHA1-ES热作模具钢。DHA1-ES热作模具钢各部位的冲击值偏差

4、小及保持各向同性，得到稳定、高可信度。与JIS-SKD6钢相比，DHA1-ES钢威布尔分布斜率大，冲击值偏差小。对高可靠性DHA1-ES热作模具钢施以适当热处理，就能抑制裂纹发生，提高模具寿命。威布尔分布分析法可通过数量有限的试样评价整批产品可靠性与失效机理。用此比较试样冲击值偏差。该产品可靠性符合威布尔分布。在威布尔概率纸上以直线表示，简单、直观；能以较少试验样本得出较精确的失效分析，处理伽玛分布、指数分布、瑞莱分布及正态分布。第二类原因是热处理不当造成冲击值降低。人们早已认识到，热作模具钢的韧性与淬火冷却速率相关，淬火冷却速率越大，韧性越高。硬度为48HKC时、冷却速率如小于2/mm-5/

5、mm，将显著降低冲击值。这是因降低冷却速率，生成粗大贝氏体组织。该粗大贝氏体组织形成裂纹破坏源。因此为改善韧性，尽量加速冷却模具。但加速冷却会出现热处理变形与淬裂问题，不易处理。压铸模具在服役条件下不断承受高速、高压喷射、金属冲刷腐蚀和加热作用，因此要求模具材料应具有良好抗热疲劳性、红硬性和抗高温液态金属冲刷、腐蚀性能，且应有较好工艺性能。此外，压铸模具中推行模具大型化，在物理冷却速率下不能将SKD61钢做成大型模具。在此前提下，开发出经缓慢淬火获得高冲击值，用于制作大型模具DH31-SS1热作模具用钢。图1示出SKD61与DH31-SS1的冷却速率与冲击值关系。即使冷却速率小于0.5/min

6、，DH31-SS1钢仍能稳定获得35J/cm2以上的夏比冲击值。 与SKD61热作模具钢相比，即使在较低的冷却速率下，DH31-SS1大型模具也能获得足够高冲击值，避免了模具早期裂纹风险。与SKD61模具钢制成相同规格模具，在缓冷时仍能得到很高冲击值，避免了淬裂，因此这种模具材料易于热处理。且在海外模具制造中，即使现场热处理作业者技术不高，仍能制造出高稳定性能模具。此外，为避免模具温度升高，开发出改善产品铸造凝固组织及高效循环作业、高热传导率压铸模具铸造材料。同时，开发了不增加昂贵钼添加量，降低硅含量，在模具表面形成致密氧化薄膜，改善摩擦特性的温热作锻造模具等材料。锤锻模受强烈冲击载

7、荷；模锻压力机速度慢，冲击载荷较轻，但因模具与热坯接触时间长，工作温度相对较高，热疲劳较重。受力过大、过热、磨损及热疲劳是模具失效主因。热作模具钢包括锻压、热挤压和压铸模具钢。热作模具锻造中，除上述热作压铸模具钢外，磨耗及热负荷大的模具常采用铸型锋钢。为提高耐磨性，通常锋钢含有大量晶间碳化物。晶间碳化物是破裂源，因此，锋钢作为模具使用时，晶间碳化物增加裂纹倾向性。铸型锋钢与通常锋钢不同，通过适当改善组织与制造工艺，在保持硬度前提下，尽量减少晶间碳化物，提高耐裂纹性。与使用硬度40HRC-53HKC热作压铸钢比，铸型锋钢使用硬度为53HRC-63HRC，缺口敏感性比热作压铸钢高。晶间碳化物和非金

8、属夹杂物显著影响铸型锋钢。即使残存很少，也会诱发模具破坏。含各种形式碳化物铸型锋钢，合金设计复杂，很难同时实现高硬度及替代晶间碳化物。残存晶间碳化物是以往铸型锋钢模具发生破坏的原因之一。近年来，以计算热力学（Thermo-Calc）为代表，依据热力学数据制成计算状态图，灵活应用该技术，开发出完全替换碳化物的DRM系列马特里克斯超高强度锋钢。用于温热作锻造。图2示出DRM1与以往模具相比，显著改善冲击值，模具寿命提高1倍以上。 为提高模具耐蚀性，模具可采用氮化处理或直接采用耐蚀模具钢；为减少模具磨损和避免模具使用过程中出现过热，采用适当润滑和通水冷却；为减少模具热疲劳损坏，还可采用马氏

9、体时效钢压铸模型芯。2.2 冷冲压成型模具冷冲压成型模具冷作模具钢广泛采用SKD11及DC53为代表的SKD11改良型8Cr系冷作模具钢。该冷作模具钢含有粗大晶间碳化物组织，若未经热处理，夏比冲击值低，与上述热作压铸模具钢相比，改善冲击值不显著。在提高淬火模具冲击值的同时，更应关注减少热处理产生形变，获得足够的硬度范围内，常采用缓冷淬火。有两种热处理形变，一种是因冷却不当产生热处理形变，另一种是淬火马氏体相变及随后回火出现尺寸胀缩变化。用淬火方法可减少热处理形变，但淬火、回火后不可避免出现尺寸胀缩变化。对于冷作模具钢的模具制造，考虑热处理后尺寸变化极其重要。之前以SDK11为代表冷作模具钢尺寸

10、变化各向异性，造成淬火后沿锻压纵向伸长，横向收缩趋势。若严格管理购进材料轧制或锻压纵向与横向尺寸变化，就可制造预测尺寸变化的模具。若不掌握材料取向性，很难制造预测尺寸变化的模具。淬火后需进行大量整修是导致降低模具生产率的主要原因。因此，需要开发热处理尺寸变化各向同性，易控制的冷作模具钢。试验表明，粗大晶间碳化物量越多，热处理后各向异性尺寸变化越明显，为此，开发出无粗大晶间碳化物的DCMX铸型锋钢。SKD11和DCMX两种淬火钢，随着回火温度升高，尺寸变化率降低；当回火温度约为500时，显著增加尺寸变化率。这是因为500区域残留奥氏体分解导致增加尺寸变化率。在任何回火温度，SKD11纵向尺寸变化

11、率均比横向尺寸变化率低，造成各向异性。为缩小尺寸变化量，可通过调节回火温度加以尺寸调整。鉴于SKD11纵、横向不同的尺寸变化量导致尺寸变化各向异性。为期望较小尺寸变化量，用调节回火温度进行尺寸调整，通常，冷作模具钢在490-530高温回火。但SKD11尺寸变化造成各向异性，即使调节回火温度也不会使各方向尺寸变化趋于零。而DCMX钢不存在各向异性，在调整回火温度时，存在纵向与横向尺寸变化量为零的回火温度，在该条件下回火热处理模具尺寸毋须整修。同以往SKD11和8Cr系冷作模具钢相比，DCMX不存在粗大的晶间碳化物，易于制造高性能的冷作模具钢，冲击值高，提高了模具耐磨性，改善模具服役条件，延长模具

12、使用寿命。2.3 塑料模具塑料分为热固性塑料和热塑性塑料两大类。塑料制品的尺寸、形状、精度、表面粗糙度有不同要求，因此，对塑料模具钢的耐磨性、抗腐蚀性、耐热性、耐压性、磁学性能、微变形和镜面抛光性能等有不同的要求。近年伴随信息技术（IT）产品快速普及，与IT相关联使用的塑料制品大幅增加，如制造液晶屏幕保护膜、CD、DVD数字视频光盘等。同以往相比，目前的塑料制品要求极高的光学镜面性。另外，除光学用途外，以液晶电视框架为代表的塑料制品，要求创意性极高。这些塑料制品无需焊接成型，无喷涂使用，因此，以往模具上并不关注的镜面研磨后产生很小的波纹等也成为问题。由此，更迫切需求模具气孔率低，避免研磨后模具

13、材料出现波纹而影响镜面抛光性能。为应对这种需求，NAK塑料模具作进一步改善。40HRC级塑料模具钢大幅降低夹杂物，通过淬火、回火调质制成50HRC的MR-NAK高级塑料模具钢，与SUS420J2系塑料模具的镜面性相当，而获得很高评价。MR-NAK模具钢气孔夹杂物比其他模具钢少得多。MR-NAK模具钢作为塑料模具材料，在短期内就可制造出这种镜面性要求极严格的模具。另外，在以前NAK塑料模具钢常见研磨后产生波纹，而通过制造MR-NAR模具钢工艺大幅减少。除MR-NAK外，进一步改善SUS420J2系S-STAR模具材料中的夹杂物，开发了超镜面性的D-STAR塑料模具钢，适用于制造液晶屏幕用的T塑膜

14、。3 新型热处理及其表面处理技术如上所述，同其他模具材料相比，热作模具钢淬火使得提高韧性和防止裂纹产生矛盾。集各热处理厂家经验与智慧大成，日本大同特殊钢公司于20世纪80年代开发了HIT法高韧性热处理技术，并实用化。作为压铸模具热处理方法得到用户高度评价。为应对近年来更高韧性化与低形变需求，日本大同特殊钢公司又于2007年开发实用的e-HIT法。e-HIT法是通过有限元法解析推算模具的温度分布和应变，是高水准同时达到高韧性与防止裂纹范例的设计方案。与以往的HIT法相比，e-HIT法热处理形变降低1/2，冲击值达到期望值的1.5-2倍。在温热作的锻造模具与压铸模具中，多采用氮化表面处理，改善模具

15、表面耐磨性与热裂、熔损。通过氮化，表面硬度、有效硬化层深度、化合物层厚度，有无印记等氮化品质严重影响模具寿命，以最佳氮化条件改善模具寿命是非常有效的手段。另外，氮化品质随模具材料成分变化而变化。以往模具材料与氮化条件的最佳组合由试生产作决断。为降低判断工作量，而开发模拟技术。采用这种模拟技术改善模具寿命、在变更模具材料时，毋需单靠经验进行氮化，而从预先试验得到的最佳氮化条件，而大幅减少工作量。以往，模具表面处理常用氮化为主，为进一步提高耐磨性，可采用适当硬质碳化物与氮化物进行模具TD及CVD（化学气相沉积）表面覆盖处理。但这些均为相变点以上高温处理，热处理形变成为课题。近年来，随着热处理与表面处理技术进步，用500以下PVD（物理气相沉积）处理，获得充分密着性的覆盖膜，取代TD处理、CVD（化学气相沉积）处理