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我国模具材料与模具热处理研究进展(1)
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:467

 五十年代,我国模具用钢全部因袭国外钢号。进入六十年代,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的发展,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。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。七十年代末,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。

六十年代以来,在国家有关部委的支持下,中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[1]。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[2,3]议。为满足高耐磨、长寿命模具的需要,五十年代末,我国硬质合金有了迅速的发展,同时也开发了多种钢结硬质合金,用做模具取得良好的效果。

本文分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、和钢结、模具热处理、展望和建议六部份论述。

1 冷作模具钢

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,并采用适当的热处理,使碳化物呈均匀细小的粒状,分布于基体上,否则易形成网状碳化物,导致模具在使用中的和开裂。高碳高铬工具钢有高的耐磨性,但其碳化物偏析较严重,导致变形的方向性和强韧性的降低。通过反复镦拨可在一定程度上改善其偏析程度。

1981年,我国引入国际通用的高碳高铬工具钢d2(cr12mo1v1)。和cr12mov钢相比,d2钢的碳化物偏析较之cr12mov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[4]。高速钢(主要是w6mo5cr4v2和w18cr4v)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,如:

1.1 低合金冷作模具钢

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。如gd(6crmnnimovsi)、7crsimnmov(简称ch)、ds钢等。gd钢用于制作易崩刃、断裂的冷冲模具有高的使用寿命[5]。ch钢的成分与日本的sx105v钢相同,是一种火焰淬火钢,常用于制做汽车等生产线上用的模具零件,火焰淬火时加热模具刃口切料面,硬化层下又有一个高韧性的基体做衬垫,从而使模具获得较高的使用寿命[3[。ds钢是一种冲击冷作模具钢,其冲击韧性显著优于常用的高韧性刀片用工具钢6crw2si[6]。

1.2 基体钢

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、日本在七十年代初即研究过牌号为vasco ma、vasco matrix i和mod2的基体钢,相当于m2和m36高速钢的基体,但未得到广泛的使用。我国研制了一些基体钢,如65cr4w3mo2vnb(简称65nb)、65w8cr4vti(简称lm1)65cr5mo3w2vsiti(简称lm2)钢等。 这些基体钢的主要特点是其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,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。这类基体钢已较广泛地用于制作冷挤压、厚板冷冲、冷镦等模具,特别适于难变形材料用的大型复杂模具,还可用做黑色金属的温热挤压模具[7]。

1.3 韧性较高的耐磨冷作模具钢

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,我国做了大量的研究工作,开发出不少新的钢种,如 ld[8]、er5[9]和gm[10]钢等。在这些钢中,适当降低了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。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。

2 热作模具钢

我国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。

我国在八十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,我国研制了不少的新热作模具钢,主要有:

2.1热锻模具钢

国内在八十年代,针对5crnimo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的需要和使用温度不超过500c的问题,对国内外用钢做过大量的分析对比和研究。研究工作表明,国外同类钢5crnimov中的cr、ni、mo含量均高于国产5crnimo钢,并含有少量的v,因而其淬透性和回火稳定性均高于国产5crnimo钢,并建议选用5crnimov钢,用于制做大型、复杂的重载荷锤锻模[11]。

国内还开发了大截面热锻模具钢5cr2nimovsi和45cr2nimovsi钢,已获得较广泛的应用[1]。与5crnimo钢相比,这些钢中的碳含量稍低,提高了cr和mo的含量并加入适当的v和si,因之有高的淬透性和热稳定性。45cr2nimovsi钢中的碳和硅,较之5cr2nimovsi钢,稍有降低,更适宜于做锤锻模。这种钢用于制造4000t以上机械压力机锻模和3t以上锻锤模,使用寿命较5crnimo和5crnimov提高0.5~1.5倍。3cr2mowvni钢也是我国开发的一种热锻模用钢,有高的使用寿命[11]。

2.2 热挤压用模具钢

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, 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。

我国研制了许多强韧性好、热稳定性高的热挤压用热作模具钢。一些钢是在国外钼系3cr3mo3v钢和铬系h13钢的基础上发展起来,并在合金化方面有一定特色,如hmi(3cr3mo3w2v)、 tm(4cr3mo2wmnvnb) 、y4(4cr3mo2mnvb)、y10(4cr5mo2siv1)、hd2(4cr3mo2vninbb)、012al(5cr4mo3simnval) 等钢。这些钢在保持较好的强韧性条件下,具有高的其热稳定性,分别用于制做热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等,有良好的使用效果[3,12]。

我国有关部门曾组织一些研究单位和使用单位,选择了27种国内外应用和新研制成功的热作模具钢,对其基本力学性能、工艺性能和使用性能进行测试和对比,并提出了各类热作模具的选材准则[2]。

3 塑料模具钢

塑料成形用模具产值已在模具工业总产值中占首位。 中国过去无专用塑料模具用钢。近年在引进国外塑料模具用钢的同时,自行研制和开发出一些新的塑料模具专用钢。

3.1 预硬型塑料模具钢

这类钢在钢厂经过充分锻打后制成模块,预先热处理至要求的硬度(一般预硬至30~35rhc)后,供使用单位制模。 p20(即3cr2mo)是国外使用最广泛的预硬塑料模具钢,已列入我国合金工具钢标准,八十年代以来已在我国一些工厂广泛采用。718是瑞典生产的改型p20钢,较p20有更高的淬透性,调质后可在大截面尺寸保持硬度均匀一致,亦在我国得到较广泛地使用。

3.2 易切削预硬钢[13]

为了改善预硬塑料模具钢的被切削性能,可加入易切削元素。美国、日本、德国都发展了一些易切削预硬钢。国外易切削预硬钢主要是s系,也有s-se系、ca系。但se价格较贵。s系易切削钢的各向异性较大,在截面增大时,硫化物的偏析比较严重。

我国研制了一些含硫易切削预硬塑料模具钢,如8cr2mnwmovs(8cr2s)和s-ca复合易切削塑料模具钢5crnimnmovsca(5nisca)。 5nisca钢采用了s-ca复合易切削系和喷射冶金技术,改善了硫化物的形态、分布和钢的各向异性,在大截面中硫化物的分布仍比较均匀。5nisca钢有高的淬透性和镜面抛光性,模具硬度为35~45hrc时,可顺利进行各种加工。

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