模具工业中钢的应用

模具工业中钢的应用

中国已成为主要的制造国。2009年，销售额为980亿元，出口近19亿，拥有3万多家工厂和近100万员工。模具制造业已成为高新技术制造生产的一部分,目前以大型、精密、复杂和长寿命为代表的高水平模具比例已超过35%,精密模具的加工精度已达0.5μm。然而要制造高性能的模具,满足日益发展的市场需求,达到高精、快速、低成本制模,并延长模具的使用寿命,在原材料、加工、热处理与表面处理等各个环节都要严格把关,相互协调。随着模具工业的发展,对模具钢性能的要求也越来越高,为此各国模具钢生产企业均为制作不同性能要求的模具争相开发了一系列性能各异的新钢种,本文将作这方面的介绍。1具钢的发展主要指用于制作在常温下对金属进行压力加工或其他如冲、弯、拉、镦、挤等加工用模具的钢。国内外冷作模具钢的发展主要集中在获得高韧性、高耐磨性、空淬微变形、火焰淬火及粉末冶金钢等方面。国内冷作模具钢有碳素工具钢(T7等)、低合金工具钢(9Mn2V、CrWMn、GCr15等)、高碳高铬工具钢(Cr12、Cr12MoV等)、高碳中铬工具钢(Cr6WV等)、高速钢(W6Mo5Cr4V2等)等。1.1模具钢5cr3w2v2si我国研制并得到推广应用的钢种有:高强韧性的基体钢65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)、CG-2(6Cr4Mo3Ni2WV)、LMl(65W8Cr4VTi)、LM2(65Cr5Mo3W2VSiTi)、LD(7Cr7Mo2V2Si),其中有些是冷热兼用的模具钢;高耐磨性、高强韧性的莱氏体钢GM(9C16W3Mo2V2);微变形空淬钢GD(7CrNiMnMoV)、CH-1(7CrSiMnMoV),后者为专用火焰淬火钢。国内钢铁企业大多以我国钢铁命名法来表示钢号,部分以与美、日、法等国标准相似的钢号来表示牌号;还有企业牌号,如东北特钢,高碳高铬钢FT31-FT33(Cr12型),空淬钢FT34(Cr5Mo1V),油淬钢FT35、FT36、FT37(分别为9Mn2V、CrWMn、9CrWMn),高韧高耐磨钢FT38(Cr8Mo2VSi)及火焰淬火钢FT31(7CrSiMnMoV)等。1.2国外冷挤模中的钢1.2.1w6mo5cr4v2常见的有CRD(相当于Cr12)、SLD(相当于Cr12MoV)、SGT(9CrWMn),高速钢YXM1(相当于W6Mo5Cr4V2)、YXM4、XVC5,粉末高速钢HAP5R、HAP10、HAP40等。另外有新开发的SLD-MAGIC,火焰淬火钢HMD5、HMD1,基体钢YXR7、YXR3等。值得一提的是高性能冷作模具钢SLD-MAG1C,热处理后最高硬度可达62HRC,在耐磨性、表面强化处理、切削加工性、热处理尺寸变化等方面均优于原SLD钢。1.2.2cr12mov常规的有YK30、G0A(9CrWM)、DC11(Cr12MoV)。还开发有火焰淬火钢G05,高韧性、高耐磨性的DC53(改进型Cr12MoV),以及DCMX钢,后者不仅切削加工性好,而且热处理畸变小。1.2.3si1.2、mo2.0、v0.5有KD11(相当于Cr12Mo)钢、KD21(Cl.1、Cr8.2、Mn0.4、Si1.2、Mo2.0、V0.45)钢,后者高温回火后硬度仍可达60～63HRC,属高强、高韧、高耐磨的冷作模具钢。新开发的KD11S属高韧性细晶钢,热处理后仍可加工(即具有良好的切削加工性能),并且抗疲劳性能、韧性及耐磨性优良。1.2.4assab钢钢种有ASSABDF-3、XW-5、XW-10、XW-42、88、635、Viking、EM2等。还有ASSAB635钢,可用于厚板的冲切与成形,热处理后硬度可达56～58HRC,具有极高的韧性。另外有ASP系列粉末冶金高速钢,碳化物颗粒细小且分布均匀,韧性尤为突出。1.2.5材料及模具钢钢种有:低合金冷作模具钢K245、K455、K460、K510、K600、K605、K720,中合金冷作模具钢K305、K306,高合金冷作模具钢K100、K105、K107、K110(均为12%Cr型)及K329、K340、K360(均为8%Cr型)以及粉末冶金冷作模具钢K390、K890。2内外热作模具钢的发展主要用于热锻、热挤压以及锌、镁、铝、铜及其合金的压铸模具,要求材料具有良好的抗热疲劳性(热龟裂)、抗熔损(粘着)性及韧性。国内外热作模具钢的发展主要集中在如何提高热强性、热疲劳强度、淬透性及热导率等方面。开展的工作有:优化成分(如降Si、V提高Mo含量等);提高冶金质量,即提高纯净度、降低夹杂物和气体含量;达到高等向性,不仅采用二次精炼ESR、VAR,而且实施高温均匀化处理、大锻比等向锻造以及组织细化处理等;采用最佳的热处理工艺参数(包括表面处理)以获得高冲击值和合适的硬度及相应的其他性能。2.1国内热作模中的钢铁公司2.1.1有低耐热高韧性钢(5CrNiMo、5CrMnMo等,工作温度低于400℃);中耐热韧性钢(4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2Si等,工作温度低于600℃),以及高耐热钢(3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V等,工作温度高于600℃、低于650℃)2.2.2马氏体时效钢高速钢(工作温度600～700℃);中低合金超高强度钢(40CrNi2Mo、30CrNiMnSiA等,宜低于450℃使用);马氏体时效钢00Ni18Co8Mo5Ti(相当于18Ni(250)钢))和00Cr5Ni12Mo5TiAl(12Ni-5Cr-3Mo),这类钢先固溶(800～900℃),加工后时效((400～500℃)×3h),硬度57～60HRC;CrNi系奥氏体耐热钢(4Cr14Ni14W2Mo等)、高Mn系奥氏体钢(5Mn15Cr8Ni5Mo3V等)。2.2.3热作模具钢品牌高韧性钢5Cr2(5Cr2NiMoVSi)、5CrSiMnMoV等;高强韧性钢HM3(2Cr3Mo3VNb)、HD(4Cr3Mo2NiVNb)、TM(4Cr3Mo2MnWV)、Y4(4Cr3Mo2MnVNbB)、Y10(4Cr5Mo2MnVSi);高耐热性钢HM1(3Cr3Mo3W2V)、RM2(5Cr4W5Mo2V)、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)、GR(4Cr3Mo2W4VTiNb);冷热兼用的基体钢LM1、LM2、CG-2、RM2、012Al;析出硬化型PH(2Cr3Mo2NiVSi)钢。国内生产企业热作模具钢牌号的表示方法类似于上述冷作模具钢。如东北特钢4Cr5MoSiV1钢牌号为FT413、FT413(电渣);5CrNiMo钢牌号为FT42;3Cr2W8V钢牌号为FT43;4Cr5MoSiV钢牌号为FT410。近期围绕热作模具钢4Cr5MoSiV1(H13)的类似钢种,国内开展了大量的科技创新工作,并取得了不少成果,出现的牌号较多,举例如下。宝钢的H13钢分质量档次供货,牌号有SWGH13(通用电炉钢)、SWQH13(电渣重熔钢)、SWPH13(电渣重熔钢,纯度高,经高温均匀化及组织细化处理,等向性好)。上海大学研制的热作模具钢有SDH13(P级H13)、SDH8(降Si、V提高Mo含量的H13钢)、H13+0.01%Nb和SDHA(奥氏体热作模具钢)。新型奥氏体热作模具钢SDHA(C0.51,Si0.57,Mn14.3,Cr4.01,Mo1.72,V1.63)工作温度可达700～800℃,而马氏体热作模具钢一般最高使用温度仅600℃。一汽的HHD高性能热作模具钢(0.2%～0.35%C、8%～13%Cr、1%～2%Mo、0.7%～1.3%Ni、0.4%～1.0%V、0.3%～1.0%W、0.002%S、0.012%P及微量N、RE、Nb)。2.2国外的热作模式中的钢2.2.1其他热作模具钢除了DAC(4Cr5MoSiV1、SKD61)、DDC(4Cr5WMoSiV、SKD62)、YEM(SKD7)、HDC(SKD5)、YDC(SKD4)、MDC(SKD8)、DM(SKT4)等常规的热作模具钢外,还自行研发了DAC3、DAC10、DAC40、DAC55、YEM-K、MDC-K、DAC45、YXR3、YXR33、YHD28、YHD3及FDAC等新钢种。这些钢的性能差异见图1。值得一提的是DAC55钢,属高韧性、高温强度优良的改良型5Cr系钢。YXR系列为基体钢,YXR3钢韧性高,YXR33钢高温热强性好。YHD3钢为析出硬化型热作模具钢,FDAC为易切削热作模具钢,YHD28、YHD3、FDAC钢可以以预硬化状态交货(硬度约40HRC)。2.2.2优势钢有相当于H13(SKD61)钢的DHAl通用型钢,及经改良的DHA1-1(高韧性)、DH31-S、DH31-EX(高韧、高硬)、DH2F(高效预硬)及DHA-thermo(高的热传导性)钢等。新开发的DHA-WORLD钢通过成分优化(改变Si,Mn,Cr,Mo,V含量)和调整工艺获得了韧性、淬透性好,早期开裂倾向和热处理畸变小等优异性能。DH31-EX钢因采用电渣重熔,性能比DHA-WORLD钢有进一步改善。这些钢的特性参见图2。2.2.3日本高周波行业工厂仅提供3个牌号,分别为KDA(普通型SKD61)、KDA1S(切削性好、韧性高)和KDAMAX(极好的抗龟裂性)。2.2.4抗热疲劳性能ASSAB公司热作模具钢除原先的8402、8407钢外,新推出了QR090、HOTVAR(高C、高Si、低Cr、高Mo)、DIEVAR(降低Si、V量,提高Mo量)钢等品牌,均具有良好的抗热疲劳性能,大致成分参见表1。2.2.5超优质digitalinfrag/roin钢ADC3、SMV4S钢采用电渣重熔(ESR)或真空重熔(VAR)工艺炼制,具有高的抗热龟裂性、高韧性和高耐磨性,是北美压铸协会(NADCA)评定的超优质(superier)钢种。2.2.6c、mosiv1钢、w302钢、w3钢c有W100(3Cr2W8V)、W300、W400(相当于4Cr5MoSiV钢,前者比后者Si量低而V、Cr量高)、W302(4Cr5MoSiV1)、W360(改良的4Cr5MoSiV1钢,其C、Mo量稍高,Si、Cr量稍低),以及W303、W403(比4Cr5MoSiV1钢的Mo量高,V、Si量低,相当于DIN1.2367钢)。3模具加工技术的发展主要用于塑料件的注塑、压塑、吹塑模,应用极其广泛(塑料模具约占模具总量的40%以上),尤其对于要求镜面抛光的模具,对钢材质量、热处理的要求极高。国内外塑料模具钢的发展方向主要是改善切削性,预硬化,提高耐蚀性、抛光性等。其措施主要为调整成分,改进冶炼、浇注、锻造、热处理工艺,再配之以先进的冷加工工艺,从而高效、快速、低成本制取大型、精密、复杂、长寿命的塑料模具。3.1国内塑料模3.1.1硬化钢u2004一般按钢的类别和热处理状态进行分类,大致有:渗碳钢(20、20Cr、12CrNi3等);碳钢(SM45等);预硬化钢(3Cr2Mo、3Cr2NiMnMo等);淬硬钢(T7、5CrNiMo、9Mn2V、GCr15、Cr12MoV、4Cr5MoSiV1、W6Mo5Cr4V2等);时效硬化钢(0Cr17Ni4Cu4Nb等);耐蚀钢(2Cr13、1Cr18Ni9Ti等)。3.1.2预硬化钢的表征渗碳钢LJ(OCr4NiMoV专用作冷挤压成型);易切削预硬钢SM1(Y55CrNiMnMoVS)、8Cr2S(8Cr2MnWMoVS)、5NiSCa(5CrNiMnMoVSCa);时效硬化钢PMS(1Ni3Mn2CuAlMo)、25CrNi3MoAl、06Ni(06Ni6CrMoVTiAl)、SM2(20CrNi3AlMnMo);耐蚀钢PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb,属马氏体沉淀硬化不锈钢);淬硬钢GD(6CrNiSiMnMoV)。有关国内塑料模具钢牌号的表示方法与上述冷作模具钢牌号的表示方法类同。许多钢铁企业的预硬化钢均有各自的牌号,举例如下。预硬化钢FT61(3Cr2Mo)、FT62(3Cr2NiMnMo);耐蚀钢FT63(20Cr13)、FT64(40Cr13);高镜面钢FT68(10Ni3MnCuAl)。提供预硬化轧板(厚度10～305mm),有硬度为280～340HBW的Wisco2311(相当于3Cr2Mo)、Wisco2738(相当于3Cr2NiMnMo)钢和硬度为360～400HBW的WiscoP80A(10Ni3MnCuAl)钢。J30(轧板厚度20～80mm)。3.2国外的塑料模具3.2.1耐蚀型s-/d-table预硬通用预硬型PX4、PX5、PAC5000(38HRC时镜面度可达5000目),耐蚀型S-STAR(预硬,在53HRC时镜面度可达14000目),D-STAR(退火态)及G-STAR(预硬)。另外推出时效硬化型的NAK80及NAK-PRM钢(硬度均为40HRC),前者研磨镜面度达到8000目,后者达到10000目。3.2.2nix预硬钢体系除早期的预硬型618、718H、718S及耐蚀型S-136钢外,还推出具有优良机加工性能、焊接性能、抛光性能及皮纹性的NIMAX预硬钢(高锰低碳)。3.2.3硬化钢及耐蚀热处理钢塑模钢品种齐全,且成系列。典型的塑料模具钢有:表面预硬化钢(渗碳型)M100(20Mn)、M130(20Cr2Ni4);预硬