我国模具工业的现状与发展

我国模具工业的现状与发展

0进口模具钢价格相对较高目前，工业发达国家的软件产量超过了尺寸制造业和机械工业的产量。例如，日本1981年的柔性制造行业产值为7596亿卢布，机械工业的产值仅为5174亿卢布。20世纪80年代以来,我国模具工业发展迅速,近年以每年15%左右的速度递增。表1是2000~2007年我国模具产值、进口模具金额及模具钢产量的增长情况。日本2000年模具钢产量为14.4万吨,2005年为16.8万吨,我国在2000年模具钢产量已经超过日本成为世界第一。但我国生产的模具钢的品种、规格和质量还远远落后于瑞典、日本、美国等先进国家,我们每年仍要以高价从国外大量进口价格昂贵的优质模具钢。虽然我国模具制造业近年来得到迅猛发展,部分模具也已出口,但所生产的模具仍属中、低档水平。我国模具行业“十一五”规划中指出国产模具目前国内市场占有率不足80%,其中中、高档模具占有率不足30%,不足部分还得依赖进口。现我国已成为进口国外模具的世界第一大国。表2是进口模具钢与国产模具钢的价格对比。由表2可知,进口模具钢价格是国产模具钢的3~6倍,价格的悬殊充分反映了国产模具钢质量的落后。由于我国生产的是中、低档模具,产值低,再加生产效率低,故模具行业人均年产值仅1万美元,而先进国家模具行业人均年产值最高可达30万美元。由此可见,我国的模具制造业还相当落后。随着工业生产的不断发展,少、无切削加工工艺的广泛应用以及产品更新换代速度的加快,对模具钢提出了更多、更高的要求,现有钢种已不能满足需要,迫切需要开发新型模具钢。与此同时,还需不断提高国产模具钢的质量。本文将对国内外模具钢的现状及发展作简单的分析和评论。1高耐磨性钢的发展冷作模具的工作条件要求冷作模具钢具有良好的耐磨性和足够的强韧性。在冷作模具钢发展初期,多采用高碳钢T7A、T8A和T10A等制作冷作模具以保证所需要的硬度,但由于碳钢淬透性差、水淬变形大、抗回火能力低,故只能用于制作形状简单的小型模具。为提高淬透性以适应较复杂、尺寸较大的冷作模具的需要发展了低合金冷作模具钢,这类钢主要加入的是能提高淬透性的价廉的Cr、Mn、Si等合金元素。为了进一步提高淬透性以满足更大尺寸的模具的需要,发展了中合金及高合金冷作模具钢,所用的合金元素主要仍是Cr。随着生产规模的发展,生产批量的增加,要求不断提高模具寿命。为了提高寿命,必须提高耐磨性。众所周知,钢的耐磨性除决定于硬度外还与淬火加热时未溶碳化物有关,未溶碳化物硬度越高、量越多,粒度适中,耐磨性越高。为了增加未溶碳化物的量,在增加Cr含量的同时,还需增加碳含量,这就形成了著名的高Cr钢Cr12。但是Cr所形成的M7C3和M23C6型碳化物的硬度不高,为提高硬度就需要加入能形成MC、M2C、M6C等高硬度碳化物的合金元素W、Mo、V等,在Cr12基础上加入Mo与V就成了Cr12MoV。高硬度碳化物量的增加使钢的韧性下降,价格升高。为了在保持高耐磨性的前提下提高钢的韧性,唯一的办法就是改善未溶碳化物的形态、大小与分布。为此人们采用粉末冶金工艺、喷射成形工艺及CFW工艺来生产无碳化物偏析高碳高合金冷作模具钢,这类钢的价格都很昂贵。1.1与cr12钢的对比此类钢的主要发展趋势是降低高Cr钢Cr12的C及Cr含量以减少碳化物偏析,提高钢的韧性;与此同时提高钨、钼、钒等的含量以形成高硬度碳化物以提高耐磨性,从而使其综合性能优于Cr12钢。表3是瑞典Uddeholm钢厂及日本Hitachi钢厂等新开发的一些冷作模具钢(大连ASSAB公司提供),表3中给出了供对比用的Cr12及Cr12MoV钢的成分。由表3可见,前3种钢的Cr含量均保持12%不变,但提高了Mo、V含量,降低了碳含量;另4种钢则是不断降低Cr含量及碳含量,与此同时,提高Mo、V含量。我国近年发展的类似的钢有LD、GM、ER5等。这类钢主要用于冷挤压模、冷冲模、冷镦模及高强度螺栓的滚丝模等,都取得了良好的使用效果。1.2试验钢及设备目前我国在低合金冷作模具钢中用得最多的仍是CrWMn。近年来为了减少热处理变形、提高强韧性及淬透性,保证耐磨性以及保持低的价格,国内外发展了一系列低合金微变形冷作模具钢。这类钢的特点是:用Mo代W,调整Cr、Mn含量以提高钢的淬透性,并使钢在淬火和低温回火后能保留一定量的残留奥氏体以减少热处理变形;略微降低C含量,加入少量V以细化奥氏体晶粒,加入硅或镍提高基体强度,从而能在相同的硬度下,较CrWMn钢具有更高的强韧性。这些钢主要用于制造精密复杂模具。国外新发展的这类钢有美国的O1、A4、A6,日本的G04、ACD37、AKS3,我国新发展的有GD钢及DS钢。表4是这几种钢的化学成分。1.3热淬透模具钢一些大型、复杂模具,如汽车生产厂车体车间用的冲裁模等,因体积大,难以进行整体热处理,又因更新换代快,故对模具寿命要求不高,因此,国内外都发展了一些可以进行火焰淬火的冷作模具钢,这类钢可以采用氧-乙炔焰对模具的工作部分(刃口)进行局部空淬及回火。由于难以严格测定和控制淬火加热温度,因此要求这类钢具有宽的淬火温度及良好的淬透性。这类钢有日本爱知制钢公司的SX4(Cr8)、SX105V钢(7CrSiMnMoV),大同的G05,日立的HMD1、HMD5,瑞典的ASSAB635,我国也研制了一种与日本的SX105V成分相同的火焰淬火钢7CrSiMnMoV(简称CH)。表5是这几种钢的化学成分。1.4无碳化物偏析钢cfw工艺高合金冷作模具钢(如Cr12型)为莱氏体钢,这类钢淬、回火后存在大量淬火加热时未溶入奥氏体的碳化物,故耐磨性好,但由于存在碳化物偏析,故韧性差。为了提高韧性,必须设法消除碳化物偏析,目前可以采取的办法有:用热等静压粉末冶金工艺生产粉末钢;用CFW工艺生产CFW高合金钢;用喷射成形工艺生产喷射成形钢。任何一种牌号的高合金冷作模具钢均可用这3种工艺生产出无碳化物偏析钢,因为用这3种工艺生产,钢的成分可以不受状态图的限制,故其碳及合金元素含量还可进一步提高,从而使耐磨性也得到进一步提高。粉末钢现已发展到第三代。具有代表性的粉末冷作模具钢有瑞典的V10、美国的CPM10V、德国的320CrVMo13.5钢、日本的HAP系列、DEX系列、FAX系列和SPM系列。由于这类钢含有大量弥散分布的高硬度MC型碳化物,故其耐磨性介于硬质合金和高合金冷作模具钢之间,且韧性好,制成的模具可与硬质合金模具相竞争,较其它模具钢制的模具的寿命提高几倍到几十倍。缺点是价格要比普通高Cr钢高19~35倍。CFW工艺的原理与热等静压粉末冶金工艺原理基本一样,只是用钢板代替粉末,用热单向压代替热等静压,即将钢液铸成钢锭,锻轧成碳化物偏析小于二级的钢板,然后用真空压力焊焊成块钢,故称为CFW工艺,即铸、锻、焊工艺。目前我们已能生产200mm×200mm×450mm的块钢。喷射成形工艺起源于英国,一些国家已经采用这种工艺生产高合金模具钢,我国目前还处于起步阶段。1.5成本高,价格高,不能适用范围广耐磨性(高硬度)与耐冲击性(高韧性)历来是冷作模具钢的一对主要矛盾,虽然粉末冶金等工艺可以有效地解决耐磨性与耐冲击性之间的矛盾,但由于生产成本高,价格贵,难以广泛应用。为此近年来发展了复合模具钢,即用耐冲击的中碳钢与耐磨的冷作模具钢复合成复合冷作模具钢。复合工艺有:摩擦焊、爆炸焊、冷轧焊及真空压力焊等。目前我们已能用CFW工艺生产200mm×200mm×400mm高速钢或高Cr钢与中碳结构钢复合成的复合冷作模具钢。2热强性、淬透性和抗氧化性热作模具在较高温度下工作,因此要求热作模具钢具有:①足够的热强性;②良好的导热性以使热作模具在工作过程中温度不升得过高;③高的淬透性以满足尺寸不断增大的大型模具的需要;④具有良好的抗氧化性。以上几条是对热作模具钢的性能的基本要求。为了提高热强性、淬透性和抗氧化性,都需要提高合金元素含量。但是随着合金元素含量的增加,钢的导热系数将下降,这将使模具表面的温度升高。为了解决这一对矛盾,在发展新热作模具钢时必须在尽可能不降低导热系数的前提下提高热强性、淬透性和抗氧化性。20世纪80年代以前,常用的热作模具钢有5CrMnMo、5CrNiMo,这两种钢的淬透性都不高。为了提高淬透性,瑞典Uddeholm钢厂采用能控制流线分布的特种锻造工艺将钢锭锻成形状简单的模块,然后用水淬代替油淬以提高淬透性,用户在加工好型腔后只需进行回火即可使用。用水淬代替油淬来提高淬透性的效果有限,如要进一步提高淬透性,只能通过合金化。为了在合金化过程中尽可能不降低导热系数,必须提高合金化效率,办法是加入对C曲线影响较大且价格便宜的合金元素如Cr、Mn等以及采用多元微合金化,即除Cr、Mn外再加入Ni、Mo、W、Si、V等元素,合金元素总量变化不大,但影响淬透性的综合效果大。为了提高这类钢的热强性,可以用W、Mo取代部分Cr。因W、Mo提高热强性的作用优于Cr。按此思路已经发展了4Cr5MoSiV1(H13)及3Cr2W8V等著名的热作模具钢,今后这也仍将是发展热作模具钢的主要指导思想。2.1元素丰富的钢对于在工作时受冲击的热锻模钢而言,除前面已经提到的对性能的4条要求外还要求有良好的韧性。近20年来我国发展了数十种高淬透性热锻模用钢,此类钢的特点是:①降低碳含量以提高钢的韧性;②除Cr、Mn外又加入Mo、W、V、Ni、Si、Re等元素,元素总含量并不增加,但由于综合效应,大大地提高了钢的淬透性,使调质后可在较大截面上保持表面和心部的硬度一致。另外,在回火时将析出M2C和MC型碳化物,产生二次硬化,提高钢的热强性。这类钢适用于制作大型、复杂的重载荷锤锻模。在这几十种钢中,有的已经比较成熟,如5Cr2NiMoVSi,45Cr2NiMoVSi、5CrSiMnMoV、3Cr2MoWVNi等。国外在这方面新发展的钢有:日本大同的GF78、三菱的HD14(5CrNi2MoV)、高周波的KTVN(5CrNi3MoV);国际标准ISO中的40NiCrMoV7;法国NF标准中的40NCD16钢等。表6是这类钢的化学成分。2.2低碳高速钢及烷基钢这类钢主要用于制作热挤压模及压铸模等,其工作特点是受力较大,但冲击不大,而工作温度则比较高,故要求有高的热强性。这类钢的发展方向有三:(1)以H13钢为基础,降Cr增Mo加V,也就是在不增加合金元素总量的前提下降低Cr含量,提高W、Mo、V、Nb等含量,从而提高其热强性。属于这一类的我国新发展的钢有HM1(3Cr3Mo3W2V)、TM(4Cr3Mo2WMnVNb)、CH75(4Cr3Mo2VSi)及HD(4Cr3Mo2VNiNbB)等。(2)低碳高速钢及基体钢。众所周知,所谓基体钢即其成分与高速钢淬火后的基体成分相同的一种钢(即扣除未溶碳化物后的成分)。这两类钢的Cr含量与高速钢相同,均为4%,但碳含量低,低碳高速钢的合金元素含量与高速钢相同,基体钢的合金元素含量则低于高速钢。热处理也与高速钢相同,高温淬火后在560℃回火时有二次硬化效应,有高的红硬性,使用温度可以高达700℃。因为基体钢不存在碳化物偏析,故弯曲强度及冲击韧度均高于高速钢,且淬、回火硬度也可达到60HRC以上。故也是一种冷作模具钢。这两类钢有6W6Mo5Cr4V、65Nb等。(3)奥氏体热作模具钢工作温度在700~800℃之间时可以采用奥氏体热作模具钢。这类钢含有较多的合金元素,在任何温度下均为奥氏体,高温固溶处理后在700℃时效将析出M23C6,M7C3、MC等碳化物,有时效硬化效果。国外一般都采用高Ni系,我国缺Ni,故发展了低Ni奥氏体热作模具钢5Mn15及AH钢。表7是这两种钢的化学成分。由于这类钢的合金元素含量非常高,故导热系数低、膨胀系数大,极易开裂,只能用于不受急冷急热的工作温度高达800℃的热作模具。国外在高热强模具钢领域新发展的钢有美国的H10A、H25、H26,瑞典的QRO90,日本的QDH、YHD3、YHD26、YHD28、DH76、5Mn15Ni5Cr8Mo2V2钢等。2.3高温不锈钢的合成工作温度高于800℃时只能采用铁基、镍基及钼基高温合金,如美国的T2M、T2C、MHC,日本的Nimowal。这类模具材料的价格都很昂贵。3模具的基础和制备要求塑料模具对材料在强度和韧性上的要求低于冷作模具钢和热作模具钢,根据其主要失效形式(磨损、断裂和变形)和工作条件,对其性能要求可归纳为:①必要的耐磨性;②易切削;③抛光性和刻蚀性好;④导热好和热膨胀小;⑤耐腐蚀等。早期没有专用的塑料模具钢,一般塑料模具均采用普通结构钢或低合金钢制作,如正火或退火态的45钢或40Cr钢,制成的模具硬度偏低,耐磨性差,粗糙度高,不能满足各种塑料模具的需要。对于型腔复杂的模具的薄壁及细长型芯往往由于强度不足而造成弯曲、变形、塌陷等导致早期失效。为了提高塑料制品的质量,国内外研制了不少新型塑料模具钢。3.1模具的预硬加工和热处理预硬型塑料模具钢含碳量一般在0.3%~0.5wt%之间,为保证淬透性,大都含有Cr、Mn、Ni、Mo、V等元素。如美国的P20、445,日本的PDS,德国的MOVTREX-A(2312),瑞典的718等都具有较高的淬透性,调质后可在大截面上保持均匀一致的硬度。过去要求预硬硬度为29~35HRC,近年已提高至36~40HRC。为了改善预硬塑料模具钢的被切削性能,可加入S、Ca和Se等元素。这类钢的杂质少、组织微细均匀、无纤维方向性,制成模具后其型腔面的表面质量高。在硬度为30~40HRC的预硬状态下直接进行加工,精加工后的模具不再热处理,直接交付使用,避免了热处理变形。如美国的412、M-300,日本的YAG,英国的EAB,瑞典的STAVAX-13,中国的8Cr2MnWMoVS、5CrNiMnMoVSCa钢等。3.2金属间化合物破碎法这类钢的碳含量较低,含Ni、Ti、Al、Cu、Mo等元素。经固溶处理后进行机械加工,最后进行时效处理。由于时效处理时金属间化合物的析出,使硬度提高到40~45HRC。适于制作高精度塑料模具、透明塑料用模具等。代表钢号有日本的NAK80,国内开发的低Ni时效钢PMS(10Ni3MnCuAl)、25CrNi3MoAl、SM2(Y20CrNi3AlMnMo)、06Ni(06Ni6CrMoVTiAl)等。3.3模具钢和改性钢某些塑料(如聚氯乙烯、氟塑料、阻燃性ABS等)在熔融状态下,会分解出氯化氢、氟化氢和二氧化硫等气体,对模具型腔有一定的腐蚀性,因此应选用耐腐蚀模具钢制作,如Cr13钢。但因其含碳量低、耐磨性差,使用范围受到限制。为增加耐磨性,同时保持良好的抗蚀性可采用9Cr18钢。随着阻燃塑料、腐蚀性塑料制品的发展,对模具的耐蚀性提出了更高的要求,析出硬化型不锈钢就是为适应这种要求发展的一种新钢种,如我国的PRC钢,具有优良的耐蚀性能。另外国际标准ISO中的110CrMo17,瑞典的STAVAX(4Cr13)等都是优良的耐蚀塑料模具钢。3.4减少模具钢质量当前,高档塑料制品的需求量越来越多,高档塑料制品对于产品的表面质量要求很高,这就要求生产此类产品的模具钢具有高纯度的特点,因为如果纯度不高,钢内含有夹杂物或疏松,在抛光后的表面就会出现小孔、麻点等瑕疵,严重影响产品质量。提高模具钢纯度的同时也大大提高了模具钢的性能,德国蒂森把2344(4Cr5MoSiV1)电渣钢中的磷含量降低到≤0.003%,使钢的疲劳性能明显提高。为了提高钢的纯净度,普遍采用二次精炼工艺,其中包括真空炉外精炼、电渣重熔、真空自耗等工艺生产模具钢,以提高钢的纯净度,降低钢中有害夹杂物含量。采用电渣重熔炼制的4Cr5MoSiV1钢中非金属夹杂物含量大大降低,尤其是脆性非金属夹杂物,有效提高了钢的抛光性能,改善了表面粗糙度,对于高档的塑料模具非常重要。4主要的钢料质量问题从引言中可以了解到我国模具钢产量已居世界首位,但我们生产的模具钢的价格只有国外同样牌号的价格的1/3~1/6。我们在新模具钢的开发方面并不落后于国外,几乎在每一个领域,都有我们自己开发的新钢种,但是我们仍不得不从国外大量进口模具钢。作者通过社会调查了解到尽管国产模具钢的价格远远低于进口模具钢,但是许多追求模具质量的模具制造厂宁肯出高价购买进口模具钢而不用价廉的国产模具钢。销售瑞典Uddeholm生产的模具钢的ASSAB公司以及销售日本Hitachi等生产的模具钢的几家小公司生意都十分兴隆,这是为什么,值得我们深思。作者认为主要有以下几个原因。(1)国产模具钢质量差国产模具钢质量差主要表现在纯净度低,碳化物级别偏高,疏松级别超标,模块的纵横向性能相差悬殊。进口模具钢质量好一方面是因为采用了先进的设备和工艺,其中包括炉外精炼、真空脱气、电渣重熔、高温扩散。据我们所知,这几种工艺在我国几家大特钢厂的设备条件下都不难做到,但我们并没有充分发挥已有设备的作用;另一方面,国外工厂管理严格,生产的每一环节都认真执行,始终把质量放在第一位,而我们到今天为止,有了数量就有质量的错误观点依然阴魂不散,这也许是我们有了好设备生产不出好钢材的主要原因之一。(2)质量不稳定据工厂反映,国产模具钢质量很不稳定,同一厂家生产的同一牌号的钢好的与进口模具钢不相上下,坏的根本不能用。究其原因,除了上面已经提到的管理不到位、生产不认真外,另一个原因是国产模具钢的成分波动范围太大,大部分工厂至今仍按宽松的国标生产而没有自己的厂标。模具往往是单件生产,一般都按标准工艺进行热处理,难以根据钢料成分波动对热处理工艺参数进行调整,因此由于钢料