我国模具用钢的发展与应用

我国模具用钢的发展与应用

1模具钢的发展历程20世纪50年代，中国的所有乐器用外国钢号代替了中国的钢号。进入60年代,为了节约原材料和提高毛坯精度,少无切削工艺和精密成形技术有了迅速发展,为了提高生产效率,采用了许多高效压力加工设备,锻锤逐渐被压力机替代。原用模具钢的性能常不能满足服役条件对性能的高要求,影响了模具的使用寿命和压力加工新工艺新设备的推广应用。70年代末,精密及大型工程塑料制品的使用日益广泛,对塑料模具用钢的需求量急剧增加,对塑料模具钢的性能也提出了新的要求,而我国当时尚无塑料模具专用钢种。60年代以来,在国家有关部委的支持下,我国科技工作者结合国情,开发出不少新模具钢,其中一些使用性能优异、工艺性能也比较好的新钢种受到模具制造和使用单位的欢迎。在此期间也引进了一些国外通用的钢号,其中有些钢号通过生产试用,取得良好的效果。对一些使用效果较好的冷作模具钢和热作模具钢,有关部门还分别组织了性能对比试验研究,提出了选择和应用的建议。可以认为,我国已建立了较完整的模具钢钢种系列,其中一些钢的性能优异,达到国际先进水平。本文分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三部份论述,并与国外一些常用钢号和新开发的模具钢进行比较。2碳化物偏析对模具寿命的影响目前我国常用的冷作模具钢仍是低合金工具钢CrWMn和高碳高铬工具钢Cr12MoV及Cr12这些老的钢号。CrWMn钢有适当的淬透性和耐磨性,热处理变形小,但CrWMn钢锻后需较严格地控制冷速,否则易形成网状碳化物,导致模具在使用中的崩刃和开裂。高碳高铬工具钢有高的耐磨性,但其碳化物偏析较严重,特别在其规格尺寸较大时,反复镦拨收效不大,导致变形的方向性和强韧性降低。1981年,我国引入国际通用的高碳高铬工具钢D2(Cr12Mo1V1)。与Cr12MoV钢相比,D2钢的碳化物偏析较之Cr12MoV钢略有改善,强度与韧性稍有提高,D2钢制作的模具,其使用寿命亦有不同程度的提高。高速钢有更高的耐磨性和强度,常用于制作模具,但其韧性不能满足复杂大型和受冲击负荷大的模具的需要。为了改善这类钢的强韧性,我国开发了一些新的冷作模具钢。2.1可变性材料这类钢的主要特点是工艺性好,淬火温度低,热处理变形小,强韧性好,并具有适当的耐磨性。表1为这类钢的化学成分。铬或锰加入钢中可提高淬透性,并使钢在淬火和低温回火后保留一定量的残余奥氏体,可减少变形。加入硅或镍可使基体强韧化,并提高回火抗力,在相同硬度下,比其他同类钢有更高的强韧性。钼或钒的加入可以细化晶粒。表2为这类钢与其他一些冷作模具钢的强韧性对比,O1为国际通用的低合金冷作模具钢,GD钢(6CrMnNiMoVSi)经900°C淬火和200°C回火后仍保持适量(≈14%)稳定的残余奥氏体,未溶碳化物均匀细小,这有利于减少变形,提高钢的强韧性。GD钢热处理后变形小于CrWMn钢,用于制作易崩刃断裂的冷冲模具有高的使用寿命。近年国外,主要是日本,在汽车等生产线上用的模具零件,部分采用火焰表面淬火工艺,并研制出一些主要供火焰表面淬火用的模具钢,如SX105V。我国研制了一种与日本的SX105V成分相同的火焰淬火钢7CrSiMnMoV(简称CH)。火焰淬火时应加热模具刃口切料面,淬火前模具一般经180~200°C预热1~1.5h,再用喷枪加热至900~1000°C,可用火焰加热回火。淬火后硬度一般在60HRC以上,可得到厚度在1.5mm以上的淬硬层,变形量一般只有0.02%~0.05%,硬化层下又有一个高韧性的基体做衬垫,在工作过程中刃口不易发生开裂、崩刃等现象,表层还有一定的压应力,从而使模具获得较高的使用寿命。DS钢是一种高韧性耐冲击冷作模具钢,经900°C淬火和200°C回火后有高的强韧性,特别是冲击韧性高(表2),显著优于常用的高韧性刀片用工具钢6CrW2Si。DS钢主要用于制作耐冲击的剪切、冲压、冲孔等模具,有高的使用寿命。2.2基线钢的性能基体钢一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢。美国、日本在70年代初即研究过牌号为VascoMA、VascoMatrix1和MOD2的基体钢,相当于M2和M36高速钢的基体。我国也研制了一些基体钢,如65Cr4W3Mo2VNb(简称65Nb)、65W8Cr4VTi(简称LM1)65Cr5Mo3W2VSiTi(简称LM2)。表3为基体钢的化学成分。我国开发的几种基体钢的主要成分相当于高速钢淬火组织中的基体,但含碳量稍高于基体的含碳量,以增加一次碳化物量和提高耐磨性,此外还加入少量的强碳化物形成元素铌或钛,以形成比较稳定的碳化物,阻止淬火加热时晶粒的长大并改善钢的工艺性能。表4为65Nb钢(65Cr4W3Mo2VNb)与高速钢和Cr12MoV钢的强韧性对比,可见这类钢有高的强韧性。基体钢广泛用于制作冷挤压、厚板冷冲、冷镦等模具,特别适于难变形材料料用的大型复杂模具,65Nb钢还可用于做黑色金属的温热挤压模具。2.3新型铁艺钢为了改善Cr12型冷作模具钢的碳化物偏析,提高其韧性,并进一步增加钢的耐磨性,国内外做了大量研究工作,开发出不少新钢种,如我国LD、ER5和GM钢等,日本的TCD、AUF11、DC53,美国的VascoDIE。表5为这些钢的化学成分。这些钢的化学成分有如下特点:适当降低铬含量以改善碳化物偏析,增加钨、钼和钒的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性,因此这些钢大都采用较高的淬火温度(1100~1160°C)和多次高温回火(520~560°C)。与Cr12型冷作模具钢比较,这类钢的碳化物偏析有所改善,有较高的韧性。这类钢比Cr12型冷作模具钢有更好的耐磨性,因而制做的模具有更高的寿命,更适于高速冲床和多工位冲床的使用。LD钢的碳和铬含量比Cr12MoV要低得多,碳化物不均匀性显著优于Cr12MoV钢,采用适当含量的碳化物形成元素,以利于二次硬化,保证了强度和耐磨性,以硅增强铁素体基体,因此LD钢有高的强韧性。LD钢的适宜淬火温度为1100~1150°C,回火温度可选530~550°C,使用LD钢制作冷冲模、落料模、冷镦模等代替Cr12MoV钢,模具寿命有显著提高。ER5是一种高耐磨冷作模具钢,1120°C淬火和580°C回火三次后,有最佳的二次硬化效果,二次硬化主要靠VC粒子的均匀析出,VC粒子的直径为3.5nm。ER5的强度、韧性和抗冲击磨损的能力均优于D2钢(表6),用于制作精密、重载和高速冷冲模具,有高的使用寿命。GM钢由于合金元素与碳的配比适当,具有高的二次硬化能力,1120~1140°C淬火,540°C二次回火后,硬度可在64~66HRC,保证了优异的耐磨性能。GM钢的力学性能见表7。GM钢制作的模具在高速冲床上使用和用做多工位级进模,使用寿命比Cr12MoV提高数倍,用于制作高强度螺栓滚丝轮,滚制硬度为40~42HRC的42CrMo钢制螺栓,寿命比Cr12MoV钢提高10倍以上。对GM钢还可以采用1070°C淬火150°C二次回火的低淬低回工艺,硬度为62~63HRC,由于钢的晶粒非常细小,进一步提高了钢的强韧性和耐磨性,有利于提高模具寿命。2.4以模浆性、可磨削性、热处理工艺性等向性来分析粉末冶金技术的发展和热等静压的应用,导致70年代无偏析粉末高速钢的生产和使用,其主要特点是强韧性、可磨削性、等向性、热处理工艺性都优于一般高速钢,并有比较高的使用寿命。以后用此技术生产常规工艺无法生产的高碳高钒高耐磨冷模具钢,这类钢有较好的切削加工性和磨削性能,并有较好的韧性,制成的模具使用寿命与一些硬质合金相近。国外已生产多种牌号的粉末冶金高耐磨冷模具钢,国内尚少研究。3u2004中和al纤维压铸模我国过去常用的热作模具钢为5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V钢。5CrNiMo钢主要用做大中型锻模。但其淬透性不够高,回火稳定性也不高,其性能不能满足大截面锻模对性能的要求。3Cr2W8V钢广泛用做黑色和有色金属热挤压模和Cu、Al合金的压铸模。这种钢的热稳定性高,使用温度达650°C,但钨系热作模具钢的导热性低,冷热疲劳性差。我国在80年代初引进国外通用的铬系热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1),H13钢有良好的冷热疲劳性,在使用温度不超过600°C时,代替3Cr2W8V钢,模具寿命有大幅度提高,因此H13钢迅速得到推广应用,其产量已超过3Cr2W8V钢。为适应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热稳定性方面更高的要求,国内外研制了不少新热作模具钢,其化学成分见表8和表9。3.1热锻模技术5CrNiMo钢是我国使用最广的热锻模具钢,但在使用中发现5CrNiMo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的需要,截面尺寸大于300mm时,心部硬度已不能满足要求,5CrNiMo钢的使用温度不超过500°C。5CrNiMoV钢是国外广泛使用的锻模用钢,5CrNiMoV6是德国的钢号,这些钢中的Cr、Ni、Mo含量均高于国产5CrNiMo钢并含有少量的V,在400mm×400mm截面上可以完全淬透,回火稳定性比5CrNiMo钢高100°C,做大截面热锻模具,其使用寿命高于5CrNiMo钢。国内在80年代对此做过大量的分析和研究,并推荐5CrMnMoV钢用于大型、复杂的重载荷锤锻模。5Cr2NiMoVSi钢与5CrNiMo钢相比,碳含量稍低,提高了Cr和Mo的含量并加入适当的V和Si,因此有高的淬透性。经过调质后,可在500mm×500mm截面上保持表面和心部的硬度一致。在回火时,由于析出M2C和MC型碳化物,使钢有二次硬化,其热稳定性比5CrNiMo高出150°C以上。45Cr2NiMoVSi钢中,碳和硅稍有降低,更适宜做锤锻模。这种钢用于制造3t以上锻锤模和4000t以上机械压力机锻模,使用寿命较5CrNiMo和55CrNiMoV6提高0.5~1.5倍。3Cr2MoWVNi钢有二次硬化效应和比较高的热稳定性,用做热锻模有高的使用寿命。Ди32钢(俄国)有高的淬透性,可用于500mm×500mm截面的热锻模,具有比较高的热稳定性和强韧性。3.2热作模具钢的化学成分H13已是国内外广泛使用的热作模具钢,在使用温度不超过600°C时,有良好的冷热疲劳性能,用做热挤压模和铝合金压铸模,有比较高的使用寿命。但H13钢有较大的尺寸效应,在截面超过120mm以后,心部韧性显著下降,国外采用炉外精练、高温扩散退火、等向锻造等工艺,以改善其尺寸效应,减小Cr和Mo的成分偏析,国内多采用电渣重熔等工艺。3Cr3Mo3V钢是一种在国外应用较广的钼系热作模具钢,其性能介于铬系和钨系之间。为提高这种钢的热稳定性,可加入3%Co。近年国内外研制了一些强韧性好、热稳定性高的这类热作模具钢,表9列出了一部分有代表性的钢的化学成分。这些钢是在钼系3Cr3MoV钢的基础上发展起来的。QR080M是瑞典在80年代初研制成的一种热作模具钢,通过优化合金元素的配比,在合金元素总含量不高的情况下,使钢具有比较高的高温性能和冷热疲劳性能,QR090M是QR080M的改进钢号。QDH是日本最近开发的热作模具钢,较之H13有更好的高温强度、抗软化能力和冷热疲劳抗力,其冲击韧性亦稍高于H13。我国研制成的HM1钢是在3Cr3Mo3V钢的基础上增加钨并提高钒含量,在保持较好的强韧性条件下提高其热稳定性(国外加入钴),有比较好的综合性能,已比较广泛地用于制作热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等,TM钢与QR090M钢的成分不同之处是加入1%W。Y4钢的成分与QR090M不同之处是加入少量的Nb和微量B。HD2钢的研究工作表明,适当的合金元素配比对改善钢的性能是十分重要的,1%Ni能增加二次硬化峰值硬度,提高断裂韧性和钢的室温及高温塑性及韧性,少量Nb可以改善淬火工艺性能,但使塑性和韧性有所降低,硼能提高钢的室温和高温强度,而对钢的室温塑性和断裂韧性无太大影响。HD2钢有高的热稳定性,可以在700°C工作仍保持40HRC的硬度。回火时MC和M2C的沉淀强化对高的热稳定性起主要作用,基体的高的回复和再结晶抗力也有重要贡献。表10为HD2钢与3Cr2W8V钢的高温力学性能对比(43HRC)。在相同硬度时(43HRC),HD2钢的断裂韧性比3Cr2W8V钢高出30%。012A1是一种基体钢,在高速钢的基体上添加非碳化物形成元素Si和Al和弱碳化物形成元素Mn。012A1钢有比较高的热稳定性,断裂韧性高,碳含量适当,既可用于做热挤压模具,也可以做冷作模具,有较好的使用效果。3.3出模钢和模具钢析出硬化热作模具钢的特点是制作的模具在淬火和低温回火后进行机械加工,模具的硬度约为40HRC,加工后直接使用,在使用中模具表层受热产生碳化物析出,导致二次硬化,硬度可达48HRC,而心部组织未发生转变,这样,模具可以同时具有表层所需要的高温强度和心部的高韧性。由于模具是在机加工前进行热处理,不存在热处理变形和表面氧化脱碳问题。析出硬化钢在50年代已出现,如3Ni-3Mo钢(含碳0.2%),70年代日本研制了不少析出硬化钢,较成熟的是YHD3,其高温强度优于3Ni-3Mo钢,并已得到较广泛的使用,用于制作300mm×400mm截面的压力机模具。YHD3钢的化学成分(质量分数,%)为:C0.2、Ni0.80、Cr2.80、Mo1.80、W0.70、Co1.00、V0.40。YHD3钢存在的问题是热处理后硬度高,不易加工,另外还含有1%Co。我国研制了一种无钴析出硬化型热作模具钢2Cr3Mo2NiVSi(简称PH钢),其成分(质量分数,%)为C0.19、Si0.75、Mn0.55、Cr2.75、Mo2.00、Ni1.00、V0.40,还加入Zr0.05~0.12。这种钢用于制作压力机锻模,使用寿命比5CrNiMo高1~1.5倍。这种钢经1010°C淬火和400°C回火后硬度为44HRC,析出硬化量为3~4HRC。PH钢