模具材料与热处理 课件 项目2 模具材料的应用与发展趋势

项目二模具材料的应用与发展趋势内容模具材料的应用与发展趋势学习目标了解模具材料的应用与发展趋势主要知识点模具工业的地位与作用模具材料及热处理在模具工业中的地位与作用国外模具材料的生产现状和发展趋势我国模具材料的生产现状和发展趋势模具热处理技术的应用及发展模具表面强化技术的应用及发展2.1模具工业在国民经济中的地位与作用1.模具工业在现代工业中的作用

（1）模具是压力加工和其他成形加工工艺中，使材料（金属和非金属）变形制成产品的一种重要工艺装备，应用广泛。它在锻造、塑料加工、压铸等行业中起着重要的作用。

（2)少无切削加工是机械制造业发展的一个方向，而模具是利用压力加工实现少无切削工艺的关键。模具成形有优质、高产、低消耗和低成本等特点，因此得到了广泛应用。（3）模具生产影响到产品开发、更新换代和发展速度。

2.1模具工业在国民经济中的地位与作用2.我国模具工业的现状

目前,我国已成为制造业和模具生产的大国。2018年中国模具消费量达2555亿元人民币,约占世界模具消费的1/3,模具产值亦占世界模具总产值的1/3。2018年,中国模具出口量达60.85亿美元,比上一年增长10.8%,占全球模具出口总量的1/4,出口遍及全球约200个国家和地区；模具进口量为21.4亿美元,同比增长4.3%,占全球模具进口总量的1/8。2018年中国模具2555亿元人民币的消费量可以支撑起全国28万亿元的工业制成品市场,是“中国制造”的重要组成部分,扮演着从“大国重器”到人民生活变化提升的“幕后英雄”角色。以汽车行业为例,汽车制造的模具依存度已超过90%,全国95%以上的模具企业涉及汽车模具。近年来,中国模具企业加快“走出去”,完成相关并购超过20起,交易金额近70亿美元,主要并购方向是模具的智能化、电动化和轻量化。

2.1模具工业在国民经济中的地位与作用3.模具工业将进一步促进产业升级

(1)汽车行业领域：模具装备是推进汽车产品升级换代、节能环保型汽车研发生产和汽车自主品牌发展的重要保障。(2)家电行业领域：家电零件成型依靠扳金冲压、塑料、发泡、吸附等各类模具,模具制造的水平是实现我国家电转型升级(如低噪音、节能节水、多间室)的技术保证。(3)航空装备领域：饭金装备、飞机内饰件模具成套技术的研究开发及产业化对航空制造、减轻飞机的自重、节约燃油等具有关键作用。(4)电子专用装备及新兴产业配套领域：IT模具中电脑周边模具、媒体数码产品模具、光电通信产品模具、网络产品模具、钟表礼品模具等的需求越来越大。(5)医疗器械制造领域：精密、超精密模具具有举足轻重的地位。(6)轨道交通领域：动车组走行核心部件超高速(300千米以上/小时)精密轴承模具核心技术，铁路重载货车和城市轨道交通车辆用轴承、齿轮传动装置，高速动车组用齿轮箱精密铸造模具等是轨道交通发展的必需。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.1国外模具钢的发展状况1.国外模具钢种类的发展1）冷作模具钢高韧性、高耐磨性模具钢低合金空淬微变形模具钢火焰淬火模具钢粉末冶金冷作模具材料2）热作模具钢高淬透性特大型锻压模具钢

高热强性模具钢高温热作模具材料3）塑料模具钢预硬型塑料模具钢时效硬化型塑料模具钢耐蚀塑料模具钢无磁塑料模具钢2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.1国外模具钢的发展状况2.国外模具材料的发展趋势1）多品种化国外为适应模具扁平的需要，扁钢和中厚板的生产数量逐年增加，如日本1997年扁钢产量已占合金工具钢总产量的30%以上。2）制品化国外特殊钢生产企业为了满足模具制造业的生产需要,大力开发模具钢的深加工,提供高附加值的模具制品,如经过精加工和浴回火处理的模块、模架、模板及各种标准化配件。模具生产企业只需对选购的模块的型腔或刃口部分进行加工,然后组装在标准模架上即可,所以生产效率高、交货周期短、制造费用低,能较好地满足模具用户的需要。3）精料化国外特殊钢生产企业为模具制造业提供无氧化、无脱碳层、尺寸精度高的多种精密模具材料。如美国ASTM合金工具钢标准专门对一些钢材制定了详细规定,为用户提供高精度的模具材料。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况1.冷作模具钢的发展状况1）低合金冷作模具钢近年来我国研制了一些新型低合金冷作模具钢,这些钢的主要特点是合金总量低、浴透性好、浴火温度低、热处理畸变小、强韧性高,并且有适当的耐磨性2）高韧性高耐磨性模具钢为了改善Cr12型冷作模具钢的碳化物偏析，提高韧性并进一步提高耐磨性国内冶金工作者做了大量研发工作，先后开发了多种高韧性高耐磨性模具钢如LD(7Cr7Mo2V2Si)钢、GM(9Cr6W3Mo2V2)钢、ER5(Cr8MoWV3Si)钢’以及Cr8MoV2Ti钢、8Cr7Mo3W2V钢等。与Cr12型模具钢相比，这类新开发的钢适当降低了C和Cr的含量，以改善碳化物偏析，还适当增加了W、Mo和V的含量，以增加二次硬化的能力和提高其耐磨性。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况1.冷作模具钢的发展状况3）基体钢基体钢是为了改善高速钢碳化物分布不均匀和韧性较差等问题而研制开发的。基体钢一般指其成分与高速钢浴火组织中基体组织化学成分相同的钢。4）无磁高强度模具钢电子工业的发展对无磁模具钢的需求量大大增加，传统的无磁模具钢7Mn15Cr2Al3V2WMo是一种高强度奥氏体型无磁模具钢，其磁导率低并具有良好的强度和耐磨性，但由于其有冷作硬化现象，切削加工比较困难，为此，国内科技工作者研发了一些新型无磁模具钢，有A18(18Mn12Cr18NiN)、WCG(8Mn15Cr18)、50Mn(50Mnl8Cr4WN)等，这几种钢磁导率较低，强度较高，并具有良好的可切削加工性能。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况1.冷作模具钢的发展状况5）钢结硬质合金用硬质合金制造模具在不受冲击、韧性要求不高的情况下性能比钢要好，寿命很长但成本较高；更为困难的是由于受制造条件的限制难以制造形状复杂的模具。我国研制的钢结硬质合金有以TiC为硬质相的GT35、R5、DT、Ti等’和以WC为硬质相的TLMW50、GW50、GJW50等。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况2.热作模具钢的发展状况1）中小型热锻模用钢热锻模由于与被加热到高温的锻件接触，模具型腔表面温度有时高达400℃以上，局部温度甚至能达到600℃以上，传统的热锻模具钢5CrMnMo、5CrNiMo的高温性能难以达到要求，其浴透性也不能满足大截面锤锻模的要求。为解决此问题，通过对国内外锻模钢的分析、对比和研究，国内较早开发的有2Cr3Mo3VNb、ER8(4Cr3Mo2MnVB)等3Cr-3Mo型和3Cr-2Mo型高强度热作模具钢，后又开发了3Cr3Mo3VNb。在3Cr-3Mo钢中加入V、Nb可细化晶粒，降低过热敏感性。这些新研制的热作模具钢浴火温度范围宽、浴透性好、高温强度高，并且具有良好的塑韧性、热稳定性、抗冷热疲劳和抗热磨损等性能，在中小热锻模上使用，比5CrMnMo、5CrNiMo钢制造的模具寿命有较大提高。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况2.热作模具钢的发展状况2）大截面热锻模用钢对于制造模块厚度大于400mm的大型和特大型热锻模，5CrMnMo、5CrNiMo钢的热稳定性、抗热疲劳性、浴透性严重不足。国内在5CrNiMo钢的基础上适当降低碳含量，提高了Cr、Mo的含量，并加入适量的V和Si，先后开发了45Cr2(45Cr2NiMoVSi)、5Cr2(5Cr2NiMoVSi)、B2(3Cr2MoVNi)和3Cr2MoWVNi等大截面热锻模用钢，其热稳定性、浴透性和使用寿命都有了较大提高。与5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2钢提高了浴透性、高温强度、热稳定性，而冲击韧性相当；此外钢的抗热磨损和抗热疲劳性能也优于5CrNiMo钢。45Cr2钢的C和Si较5Cr2钢稍有降低，更适宜作锤锻模。这类钢用于制造40000kN以上的机械压力机锻模和30kN以上的锤锻模，使用寿命为5CrNiMo和5CrNiMoV钢锻模的1.5~2倍。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况2.热作模具钢的发展状况3）热挤压模具钢高热强性模具钢一般用于热挤压模、压型模等。由于模具和高温工件长期接触，使模具本身温度升高，易造成模具型腔(凹模)塌陷、磨损、表面氧化和热疲劳，因此要求模具钢具有较高的高温强度、硬度和热稳定性，良好的耐磨性和抗氧化性能，较高的抗热疲劳性能和断裂韧度。特别受关注的是铜铝合金挤压模，特别是铜合金热挤压模的底模和穿针孔。由于模具长时间与被加热到高温的工件接触，使模具的使用条件极其恶劣。经过对比研究，我国先后开发研制了提高此类模具使用寿命的新钢种，如HD(4Cr3Mo2NiVNbB)钢、Y4(4Cr3Mo2MnVNbB)钢等，用于铜合金挤压模，使用寿命为3Cr2W8V钢模具的2倍左右。铝合金热挤压模对钢的韧性要求较高，国内引进的中合金铭系热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1)已成为首选的模具用钢、国内研制的高强韧性热作模具钢HM1(3Cr3Mo3W2V)、HM3(3Cr3Mo3VNb)也是较好的铝合金热挤压模用钢。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况2.热作模具钢的发展状况4）压铸模具钢金属压铸工艺生产效率高，降低了生产成本，节约了原材料，生产的铸件性能较好，近几十年来已得到广泛的应用。压铸模具的工作表面直接与液态金属接触，承受高压、高速流动的液态金属的冲蚀和加热，以及随后的急冷，因此对模具钢的高温强度、韧性、耐冷热疲劳性能要求较高。为此，国内先后开发了几种新型压铸模具用钢，如Y4(4Cr3Mo2MnVNiB)、Y10(4Cr5Mo2MnVSi)等。其中，Y4钢是铜合金压铸模具用钢，使用寿命较3Cr2W8V钢有明显提高，该钢种也可用于热挤压模；Y10钢是铝合金压铸模用钢，也较3Cr2W8V钢使用寿命长。国际上通用的H13(4Cr5MoSiV1)在铝合金压铸模应用上也是首选钢种。另外，国内研制的沉淀硬化钢PH(2Cr3Mo2NiVSi)、低碳高速钢和基体钢(如6W6Mo5Cr4V钢、6Cr4W3Mo2VNb钢、65W8Cr4VTi钢、5Cr4W5Mo2V钢等)，以及奥氏体热作模具钢等，在热作模具的应用上都取得了较好的成效，模具的使用寿命有所提高2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况3.塑料模具钢的发展状况1）预硬化型塑料模具钢该类钢一般为中碳低合金钢，在钢厂经过锻打后制成模块，预先热处理至模具要求硬度，把钢调至30~35HRC供使用单位制造模具，从而可避免由于热处理而引起的模具变形和裂纹问题。预硬化塑料模具钢主要用于制作形状复杂的大、中型精密塑料模具。预硬化塑料模具钢使用硬度一般在30~42HRC’尤其在高硬度区间(>35HRC)’可加工性能较差。为了改善预硬化型塑料模具钢的加工性能’往往在预硬钢中加入易切削元素S、Ca、Pb、Sb等。我国先后开发研制了一些易切削预硬化型塑料模具钢，如5NiSCa(5CrNiMnMoVSCa)、8Cr2S(8Cr2MnWMoVS)、P20BSCa(40CrMnVBSCa)、SM1(Y55CrNiMnMoVS)等钢，使钢在高硬度下的切削加工性能得到显著改善。预硬化易切削塑料模具钢不仅可用于制造大、中型精密塑料模具，也可以用于制造精密复杂的冷作模具。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况3.塑料模具钢的发展状况2）时效硬化型塑料模具钢对于形状复杂、精密、要求使用寿命较长的塑料模具，为了避免其在浴火热处理过程中产生变形，时效硬化型塑料模具钢受到了关注。该类钢一般碳含量不高，钢中含有Ni、Al、Mo、Ti、Cu等合金元素，经固溶处理后硬度较低(一般坚32HRC)很容易进行加工，加工成型后再进行低温时效热处理，就能获得要求的综合力学性能和耐磨性。由于时效温度较低，时效处理后模具变形极小，所以时效后不需再进行切削加工，就可得到精度很高的模具成品，使用寿命高于预硬型塑料模具钢，适于制作要求高镜面的热塑性塑料制品模具。我国先后开发研制的时效硬化型塑料模具钢有：PMS(1Ni3Mn2CuAlMo)、06Ni(06Ni6CrMoVTiAl)、SM2(20CrNi3AlMnMo)、25CrNi3MoAl等。其中SM2钢中含有0.1%(质量分数)的S，改善了其加工性能，是一种易切削时效硬化型塑料模具钢。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况3.塑料模具钢的发展状况3）非调质塑料模具钢国内在开发研究非调质塑料模具钢方面较为滞后，近几年才开发研制出来。非调质塑料模具钢的特点是不经调质处理，锻轧后即可达到预硬化硬度，有利于节约能源、降低生产成本、缩短生产周期。我国开发的新钢种有：FT(2Mn2CrVTiSCaRe)、2Cr2MnMoVS、2Mn2CrVCaS、B20、B30等。2Cr2MnMoVS钢在空冷条件下，100mm厚的截面上硬度可达40HRC以上。非调质塑料模具钢FT(2Mn2CrVTiSCaRe)中加入了S、Ca、Re作为易切削元素，比S-Ca复合系易切削模具钢有更好的切削性能。低碳MnMoVB系非调质贝氏体型大截面塑料模具钢(B30)，钢中加入S、Ca作为易切削元素，工业试生产表明400mm厚板坯热轧后空冷，硬度沿截面分布较均匀。由于在模具制造过程中，非调质塑料模具钢不需热处理(浴火、回火)，避免了因热处理可能产生的变形开裂等问题，改善了劳动条件，减少或避免了热处理造成的污染，具有较好的经济效益和社会效益，在模具制造业中得到推广应用。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况3.塑料模具钢的发展状况4）冷挤压成型塑料模具钢冷挤压成型塑料模具钢,又称渗碳型塑料模具钢。渗碳型塑料模具钢的碳含量很低,一般为质量分数0.1%~0.2%,塑性变形抗力很小,软化退火后硬度坚160HBW,复杂型腔坚130HBW，以便进行型腔的冷挤压。过去我国一般采用低碳钢和低碳合金钢,如15、20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、20Cr2Ni4和20CrMnTi等钢。我国近年来研制了冷挤压成型塑料模具专用钢LJ(0Cr4NiMoV),该钢冷挤压成型后经渗碳、浴火和低温回火后,表面硬度达58~62HRC,心部硬度为28HRC,模具耐磨性好,无塌陷及表面剥落现象,可用于制造形状复杂和承受载荷较高的塑料成型模具。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况3.塑料模具钢的发展状况5）耐蚀塑料模具钢一些塑料工厂生产批量较大的聚氯乙矫、氣化塑料、阻燃塑料等产品时,模具将受到化学性腐蚀,因此,模具材料需具有防蚀性能和较好的耐磨性,需选用耐蚀塑料模具钢制造,国内常用的钢种有：3Cr13、4Cr13、2Cr13、9Cr18、0Crl7Ni4CuNb等。国内近年来新开发研制的耐蚀塑料模具钢有PCR(0Crl6Ni4Cu3Nb)钢,这是一种马氏体沉淀硬化不锈钢,这种新型耐蚀塑料模具钢在含有卤素元素的介质中,其耐蚀性能明显比0Cr17Ni4CuNb钢好,并且有较好的综合力学性能。2.2模具材料的生产现状和发展趋势2.2.2我国模具钢的发展状况4.国内模具材料的发展趋势近几十年来,我国模具钢生产技术发展很快,目前,我国模具钢产量已跃居世界前列,建成了不少先进的生产工艺装备,推广应用了炉外精炼、电渣重熔等工艺技术,一些特殊钢企业采用新工艺、新技术生产的模具钢已达到国外同类钢的水平,并形成了我国的模具钢系列。但是,总体看来,我国模具钢的生产技术、产品质量等与发达国家相比还存在一定差距,很多制造大型、精密、复杂、长寿命模具的钢材还需进口。因此,我国模具钢制造企业应该大力发展、推广高性能的模具钢品种,大力生产、推广高纯净度、高精度、高均匀性、质量稳定的模具材料,结合模具工业的发展,形成我国新的模具钢系列,以满足高性能、长寿命的模具生产需要,加快发展步伐,使我国在模具钢的产量上、模具钢的生产技术上和品种质量上都达到世界先进水平。2.3模具热处理及表面强化技术的应用及发展2.3.1模具钢的强韧化热处理技术1.锻造余热滓火——双细化工艺许多钢可以采用锻后余热浴火、高温回火、最终热处理的双重浴火工艺，以改善碳化物的分布，细化碳化物，提高模具的韧性基体，从而提高模具的寿命。2.固溶双细化工艺固溶双细化工艺完全利用热处理方法，使碳化物细化、棱角圆整化，同时使奥氏体晶粒超细化。该工艺的主要措施是高温固溶和循环细化。高温固溶可以改善碳化物的形态和粒度；循环细化的目的在于使奥氏体晶粒超细化。2.3模具热处理及表面强化技术的应用及发展2.3.1模具钢的强韧化热处理技术3.高温滓火3Cr2W8V这类合金度比较高的热作模具钢，采用高温浴火热处理工艺，可以使大量合金碳化物在加热时充分溶解，充分发挥各合金元素的作用，浴火后得到比较多的合金固溶度高的板条马氏体组织，通过高温回火后，有更多的高度弥散的合金碳化物析出，可以提高钢的热稳定性、断裂韧度和冷热疲劳性能，使模具的使用寿命有所提高。4.降温滓火一些厂家对高速钢和基体钢采用“低浴低回”的工艺比较好，浴火温度偏低可大大提高模具的韧度，尽管模具的硬度略有降低，但对提高因折断或疲劳破坏的模具寿命极为有利。2.3模具热处理及表面强化技术的应用及发展2.3.1模具钢的强韧化热处理技术5.复相热处理工艺(模具钢的等温淬火)所谓复相热处理