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我国模具材料与模具热处理研究进展
2020-03-12

五十年代,我国模具用钢全部沿袭国外钢号。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**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。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。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。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、硬质合金和钢结硬质合金、模具热处理、展望和建议六部份论述。
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,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。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。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。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。
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。
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。
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&#61616℃,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&#61616℃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&#61616℃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。
  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。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。
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&#61616℃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。
  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。
塑料模具钢
  塑料成形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30~35HRC)后,供使用单位制模。 P20(即3Cr2Mo)是国外使用*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
  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。
3.3 非调质塑料模具钢
  这种钢不经调质处理,锻、轧后可达到预硬硬度,有利于节约能源、降低成本、缩短生产周期。我国开发的这类钢有:中碳锰硼系空冷贝氏体钢、可用于制作塑料模和橡胶模;非调质塑料模具钢2Mn2CrVTiSCaRe (FT),钢中加入S、Ca、Re做为易切削元素,比S-Ca复合系易切削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。
3.4 时效硬化钢
  我国开发了几种低镍时效硬化钢,这些钢经调质后进行机械加工,再经时效,通过析出金属间化合物提高硬度,热处理后变形很小。时效硬化钢适于制作高精度塑料模具、透明塑料用模具等。
  这类钢有25CrNi3MoAl[3]、10Ni3Mn2AlCu(PMS)和06Ni6CrMoVTiAl 等钢。这些钢经调质后,硬度为20~30HRC,可进行机械加工,再经时效,硬度可达38~42HRC。
3.5 耐蚀塑料模具钢
  塑料制品在以化学性腐蚀塑料为原料时,模具需具有防腐蚀性能,一般采用耐蚀钢制造模具,此时还要求有较好的耐磨性。常用的钢种为4Cr13(420)、9Cr18、17-4PH。PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)是我国开发的一种耐蚀塑料模具钢,有较好的综合力学性能良好的抗蚀性。
硬质合金和钢结硬质合金
  硬质合金是用粉末冶金方法制造的一类复合材料。硬质合金的硬度很高、耐磨性好,有高的弹性模量和高的使用工作温度。用于制作某些模具,模具使用寿命可提高数倍、数十倍以上。但硬质合金较脆,抗弯强度和韧性较差,且不能进行机械加工。硬质合金作为模具材料,主要用于拉丝模具、受冲击力不大的冷挤和冷冲模具等。目前,我国已可生产各类牌号的硬质合金,基本上可以满足国内市场的需要。 
  为了满足制造集成电路板钻孔用的微型钻头、计算机用的点阵打印针、精密工模具等的需要,近年来,各国都研制出一些微晶(WC晶粒小于1微米)和超细晶粒硬质合金(WC晶粒小于0.6微米),传统的硬质合金中,WC晶粒尺寸为1.3~1.5微米。超细晶粒硬质合金弥补了常规硬质合金的许多不足,扩大了其应用范围,在制造耐磨耐冲击工模等方面取得了良好的效果。我国一些研究单位和硬质合金厂已研制出多种牌号的微晶硬质合金和超细晶粒硬质合金。开发高性能超细晶粒硬质合金目前仍是硬质合金研究的热点。
  钢结硬质合金是以碳化物为硬质相,钢作粘接相形成的复合材料。钢结硬质合金有良好的耐磨性,其强度和韧性一般高于硬质合金,并具有可热处理性、可切削加工性、可锻性和可焊性这样一些工艺性能。模具是钢结硬质合金的主要应用领域。我国于60年代开始研制这种材料,已研制成多种牌号的钢结硬质合金,用作模具的钢结硬质合金,硬质相主要用TiC和WC,钢的基体主要采用低合金铬钼钢、中高合金工具钢或高速钢,如TiC系的GT35、R5、D1、T1和WC系的TLMW50、GW50、GJW50。钢结硬质合金已用于制作冷镦模、挤压模、拉伸模、冲裁摸、拉丝模、热镦模等。
  粉末冶金技术的发展和热等静压的应用,导致七十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。
模具热处理
  模具制造的成本高,特别是一些精密复杂的冷冲模、塑料模、压铸模等。采用热处理技术提高模具的使用性能,可以大幅度提高模具寿命,有显著的经济效益,我国模具技术工作者十分重视模具热处理技术的发展。
5.1 真空热处理
  模具钢经真空热处理后有良好的表面状态,变形小。与大气下的淬火比较,真空油淬后模具表面硬化比较均匀,而且略高一些,主要原因是真空加热时,模具钢表面呈活性状态,不脱碳,不产生阻碍冷却的氧化膜。在真空下加热,钢的表面有脱气效果,因而具有较高的力学性能,炉内真空度越高,抗弯强度越高。真空淬火后,钢的断裂韧性有所提高,模具寿命比常规工艺普遍提高40%~400%,甚至更高。冷作模具真空淬火技术已得到较广泛的使用。 
5.2 深冷处理
  近年来的研究工作表明,模具钢经深冷处理(-196℃),可以提高其力学性能,一些模具经深冷处理后显著提高了使用寿命。模具钢的深冷可以在淬火和回火工序之间进行,也可在淬火回火之后进行深冷处理。如果在淬火、回火后钢中仍保留有残余奥氏体,则在深冷处理后仍需要再进行一次回火。深冷处理能提高钢的耐磨性和抗回火稳定性。深冷处理不仅用于冷作模具,也可用于热作模具和硬质合金。深冷处理技术已越来越受到模具热处理工作者的关注,已开发出专用深冷处理设备。不同钢种在深冷过程中的组织变化及其微观机制及其对力学性能的影响,尚需进一步研究。
5.3 模具的高温淬火和降温淬火
  一些热作模具钢,如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等,采用高于常规淬火温度加热淬火,可以减少钢中碳化物的数量、改善其形态和分布,使固溶于奥氏体中碳的分布均匀化,淬火后可在钢中获得更多的板条马氏体,提高其断裂韧性和冷热疲劳抗力,从而延长模具使用寿命。例如3Cr2W8V钢制的一种热挤压模具,常规淬火温度为1080~1120℃,回火温度为560~580℃。当淬火温度提高至1200℃,回火温度为680℃(2次),模具寿命提高了数倍。
  W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速钢和Cr12MoV等高合金冷作模具钢,可适当降低其淬火温度,以改善其塑韧性,减少脆性开裂倾向,从而提高模具寿命。例如W6Mo5Cr4V2的淬火温度可选用1140~1160℃。
5.4 化学热处理
  化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化性等性能。几乎所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。
  研究工作表明,高碳及低合金工具钢和中高碳高合金钢均可进行渗碳或碳氮共渗。高碳低合金钢渗碳或碳氮共渗时,应尽可能选取较低的加热温度和较短的保温时间,此时可保证表层有较多的未溶碳化物核心,渗碳和碳氮共渗后,表层碳化物呈颗粒状,碳化物总体积也有明显增加,可以增加钢的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb钢制模具进行渗碳以及65Nb钢制模具真空渗碳后,模具的寿命均有显著提高。
  采用500~650℃高温回火的合金钢模具,均可在低于回火温度的范围内或在回火的同时进行表面渗氮或氮碳共渗。
  渗氮工艺目前多采用离子渗氮、高频渗氮等工艺。离子渗氮可以缩短渗氮时间,并可获得高质量的渗层。离子渗氮可以提高压铸模的抗蚀性、耐磨性、抗热疲劳性和抗粘附性能。
  氮碳共渗可在气体介质或液体介质中进行,渗层脆性小,共渗时间比渗氮时间大为缩短。 压铸模、热挤压模经氮碳共渗后可显著提高其热疲劳性能。氮碳共渗对冷镦模、冷挤压模、冷冲模、拉伸模等均有很好的应用效果。
  冷作模具和热作模具还可以进行硫氮或硫氮碳共渗。近年许多研究工作都表明稀土有明显的催渗效果,从而发展了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。
5.5 渗硼和渗金属
  渗硼可以是固体渗硼、液体渗硼和膏剂渗硼等,应用*多的是固体渗硼,市场上已有固体渗硼剂供应。固体渗硼后,表层的硬度高达1400~2800HV,耐磨性高,耐腐蚀性和抗氧化性能都较好。
  渗硼工艺常用于各种冷作模具上,由于耐磨性的提高,模具寿命可提高数倍或十余倍。采用中碳钢渗硼有时可取代高合金钢制作模具。渗硼也可应用于热作模具,如热挤压模等。 
  渗硼层较脆,扩散层比较薄,对渗层的支撑力弱,为此,可采用硼氮共渗或硼碳氮共渗,以加强过渡区,使其硬度变化平缓。为改善渗硼层脆性,可采用硼钒、硼铝共渗。
  渗金属包括渗铬、渗钒、渗钛等工艺均可用于处理冷作和热作模具,其中TD法(熔盐渗金属)已得到一些应用,可使模具寿命提高几倍乃至十几倍。
5.6 气相沉积
  气相沉积按形成的基本原理,分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。
  PVD分为真空蒸镀、溅射镀和离子镀。离子镀是蒸镀和溅射镀相结合的技术,离子镀膜具有粘着力强、均镀能力好、被镀基体材料和镀层材料可以广泛搭配等优点,因而获得较广泛的应用。近年来多弧离子镀受到人们的重视。目前在模具上应用较多的是离子镀TiN,这种膜不仅硬度高而且膜的韧性好、结合力强、耐高温。在TiN基础上发展起来的多元膜,如(TiAl)N、(TiCr)N等,性能优于TiN,是一类更有前途的新型薄膜。
  CVD是用化学方法使反应气体在基础材料表面发生化学反应形成覆盖层(TiC、TiN)的方法。CVD有多种方法。通常,CVD的反应温度在900℃以上,覆层硬度达到2000HV以上,但高的温度容易使工件变形,沉积层界面易发生反应。发展趋势是降低温度,开发新的涂层成分。例如,金属有机化合物CVD(MOCVD),激光CVD(LCVD),等离子CVD(PCVD)等。 
5.7 高能束热处理
  高能束热处理的热源通常是指激光、电子束、离子束等。它们共同的特征是:供给材料表面功率密度至少103W/
2。它们的共同特点是:加热速度快,加热面积可根据需要选择,工件变形小,不需要冷却介质,处理环境清洁,可控性能好,便于实现自动化处理。国内外对高能束热处理的原理、工艺等均投入较多的研究,比较成熟的是激光相变硬化、小尺寸电子束处理和中等功率的离子注入,并在提高模具寿命方面获得了应用。 
展望和建议
  可以认为,我国已建立了较完整的模具用材系列,其中一些模具材料的性能优异,达到国际先进水平。我国模具热处理的研究开发亦可与国际同步,一些新的模具热处理技术在不同程度上得到推广和应用。
  针对存在的问题,对今后我国模具用材料和模具热处理技术的发展,提出如下建议: 
6.1 加速模具钢生产的制品化、精料化和模具钢经销的商品化。
  我国每年模具用钢超过20万吨,且逐年增长。近年,国外模具钢的进口量,约占模具钢需要量的1/3,呈逐渐增加趋势。主要问题是我国模具钢的品种规格较少,模具钢生产的制品化、精料化和经销的商品化程度低。在一些工业发达国家,冶金企业供应经机加工的模具钢制品已达50~60%,而中国80%以上的模具钢仍以黑皮圆棒供货。越来越多的模具制造厂点要求在模具设计完成后,模具钢供应厂商能迅速提供所需钢材,减少库存钢材数量,缩短制模周期。中国钢材生产企业尚不适应这一商品市场机制,这是进口模具钢材在中国日益扩大的重要原因。
6.2 大力推广应用性能优良的新型模具钢不断完善模具钢钢种系列
  我国已开发出不少有一定特色的新型模具钢,其中一些钢的性能优异,达到或超过国外同类钢的水平。但这些新钢的推广数量和应用范围不够大,主要原因是由于中国模具钢的生产尚未走制品化、精料化的道路而经销方式不适应商品市场的要求,解决了这些问题,这些性能良好的新型模具钢有广阔的推广前景,将会产生巨大的经济效益。
  中国已经有了较完整的模具钢系列,尚需不断提高其质量,扩大应用,在应用中进一步存优去劣。同时,有选择地开发先进模具钢,完善中国的模具钢系列,例如开发粉末冶金模具钢,多元易切削系塑料模具钢,建立玻璃、陶瓷,耐火砖和地砖等成形模具用钢系列等。
6.3 进一步提高模具钢的质量
  我国某些特殊钢厂已采用新的冶金设备和工艺生产模具钢,如炉外精炼、真空冶炼、快锻机和精锻机等,一些模具钢的质量有大幅度提高,如D2、P20等钢已批量出口,出口产品的质量可以达到国际先进水平。工业发达国家一直在努力提高模具钢的纯净度、致密度、均匀性和质量稳定性。国外有的企业规定在高纯度模具钢中[O]10ppm,[H] 2ppm,S50ppm,因为钢的纯净度的进一步提高可以显著提高钢的韧性和疲劳性能。对大型模具还必须采用真空除气、高温扩散退火,减少合金元素的偏析,并使用等向锻选工艺,提高等向性,使模具钢的横向和厚向的塑性和韧性达到纵向的80~90%以上。我国还需要在这方面进一步开展工作。
6.4 加强先进模具热处理技术的推广与应用
  模具的可控气氛热处理与真空热处理应进一步得到发展、推广和应用。一些行之有效的模具表面热处理技术,应完善其工艺,加强其推广和应用。提高装备和工艺材料的制造水平,加强热处理专业厂的建设。

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