模具钢生产技术的发展

模具钢生产技术的发展模具是工业发展的基石，世界各国的制造业为了降低产品成本，提高产品质量和生产效率，改善材料利用率，节约能源，广泛地采用各种模具成型工艺代替传统的切削加工工艺。目前电子信息、汽车、机械、轻工等工业部门的产品约有60%~80%的工件采用模具成型。很多产品的质量、尺寸精度、表面粗糙度、更新换代的速度和产品的成本，很大程度上取决于模具的质量、使用寿命和制造周期。作为的主要材料模具钢则是制造模具的基础，随着模具工业的迅速发展，对模具钢的数量、质量、品种、规格、性能等各个方面、不断地提出更高、更新的要求。近年来，国内外模具钢的产量、生产技术、工艺装备、质量、品种等方面都取得了比较迅速的发展。模具钢产量的发展模具钢的产量近20年来增长很快，领先于其他钢类，模具钢的产量占合金工具钢的80%左右。我国模具钢的产量早已位居世界前列。模具钢钢种的发展随着模具工作条件的日益苛刻，各国在原有的冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类的基础上，又相继发展了不少适应新的要求的新钢种。1、在冷作模具钢中，所发展的材料有：1）高韧性、高耐磨性模具钢这些钢C、Cr含量低于传统的Cr12型模具钢，增加了Mo、V合金数量、其耐磨性优于Cr12Mo1V1钢，韧性和抗回火软化能力则高于Cr12，如美国钒合金钢公司早期发表的VascoDie(8Cr8Mo2V2Si)、日本大同特殊钢公司的DC53（Cr8Mo2VSi），我国自行开发的则有7Cr7Mo2V2Si(LD钢)、9CrW3Mo2V2(GM钢)等，分别用于冷挤压模具，冷冲模具及高强度螺栓的滚丝模具。2）低合金空淬微变形钢这类钢的特点是合金含量低（≤5%），淬透性、淬硬性好，ф100mm的工件可以空冷淬透、淬火变形小、工艺性好，主要用于制造精密复杂模具。如美国ASTM标准钢号A4（Mn2CrM—o）、A6(7Mn2CrMo)、日本大同特殊钢公司G04。我国自行研制的Gr2Mn2SiWMoV和8Cr2MnMoWVS等钢种也属于低合金空淬微变形钢，后一种钢号还兼备优良的切削性。3）火焰淬火模具钢这种钢的特点是淬火温度范围宽，淬透性好。由于火焰局部淬火的工艺简便、可以缩短模具制造周期，降低制造费用等特点，已经广泛地用于制造剪切、下料、冲压、冷镦等冷作模具，特别是大型镶块模具，如东风汽车公司采用我国研制的7CrSiMiMoV火焰淬火钢制造汽车大型覆盖件镶块冲模刃口材料，取得了很好的使用效果。这类钢代表性的钢号有日本爱知公司的SX5（Cr8MoV），大同特殊钢公司的G05，日本日立金属公司的HMD1。4）粉末冶金冷作模具钢采用粉末冶金工艺生产的高碳高合金钢，由于钢液雾化形成的微细钢粉凝固很快，可以完全避免一般工艺生产的高碳高合金冷作模具钢在浇注后缓慢凝固产生的粗大碳化物和偏析等缺陷。特点：磨削性好，韧性好。等向性好、热处理工艺性好。已发表的粉末冷冶金钢号有美国坩埚钢公司的CPM9V、GPM10V，日本日立金属的HAP40等。2、在热作模具钢中新发展的材料有：1）通用型热作模具钢以55NiCrMoV6为代表的低合金热作模具钢，以H13（4Cr5MoSiV1）为代表的中合金热作模具钢；以H10（3Cr3Mo3VSi）钨系钼系热作模具钢。目前在我国4Cr5MoSiV1是产量最高的热作模具钢。2）高淬透性特大型锻压模块用钢淬透性好，尺寸较大的模具心部可以获得均匀的性能。如ISO4957标准中的40NiCrMoV；法国NF35590标准中的40NCD16；我国的4Cr2MovNi、3Cr2MoWVNi等。3）高热强性模具钢又可分为以下四类。A中合金高热强性模具钢，一般是在3Cr3Mo3SiV（H10）和4CR5MoSiV1(HB)钢的基础上增加W、Mo、Co、Nb等元素，提高其高温性能。如美国ASTM标准钢号H10A、我国开发的3Cr3Mo3W2V等。B沉淀硬化型热作模具钢，这类钢的含碳量较低，一般在2%左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如V、Nb、Ni、Al、Mo等，模具淬火后，采用较低温度回火（≈400oC），硬度为40HRC左右，由于含碳量低，中温回火后的组织为板条状低碳马氏体，具有良好的韧性，而且具有良好的切削性，可以进行型腔加工。模具在使用过程中，与高温工件接触的工作表面被工件加热到钢的沉淀硬化度（500~600oC），模具的工作表面由于合金碳化物和金属间化合物的析出，工作表面的硬度可上升到45~48HRC，提高了型腔表面的耐磨性模具心部仍保留原有的组织和高韧性，从而提高了模具的使用寿命。如日本日立金属公司的YHD3、大同特殊钢公司的DH76等。C纸碳高速钢和基体钢高速工具钢具有良好的抗回火软化性能和高温硬度，但是其韧性和抗冷热疲劳性能较差。低碳高速钢是将高速钢的碳含量由1%左右降至0.3%~0.6%，在牺牲部分红硬性和耐磨性的情况下，提高韧性和抗冷热疲劳性能，如美国ASTM标准钢号H42，我国标准钢号6W6Mo5Cr4V。基体钢的化学成分相当于淬火后的高速钢基体组成部分，所以淬火后过剩碳化物的数量少，细小均匀，使钢的韧性和抗冷热疲劳性能进一步得到改善。如美国钒合金铁公司的VascoMA(5Cr4W3Mo2V)，我国的6Cr4Mo3W2VNb。这种钢由于综合性能较好，即可以用于热作模具钢，也可以用于制造高性能的冷作模具。D奥氏体型热作模具钢，这类钢经固熔时效处理后，在700~800oC仍保持较好的强度，如日本日立金属公司的5Mn18Cr10V2，我国的7Mn10Cr8Ni10Mo3V2等。3、塑料模具钢由原国际中的3Cr12Mo（P20）一个钢号发展成由以下七大类构成的塑料模具用钢系列：1）非合金塑料模具钢主要用于制造生产通用型热塑性塑料生产工作批量不大，技术要求不太严格制品模具。如20、45等碳结构钢和T8、T10等碳素工具钢。2）预硬型塑料模具钢采用中碳合金钢预先经过淬火和高温回火状态下（硬度为30~40HRC）交货：代表性的钢号如美国的P20、瑞典ASSAB公司的718（3CR2MnNiMo），日本大同特殊钢公司的PDS5，我国的3Cr2Mo等。3）时效硬化型塑料模具钢由于时效温度低，变形小，而且有规律，适用于制造形状复杂，尺寸精度要求高的模具，如美国ASTM标准钢号P21，日本大同特殊钢公司的NAK55（2Ni2AlCuMoS），NAK80，我国的25CrNi3MoAl等。4）渗碳型塑料模具钢一般为C、Si含量很低的低碳钢或低碳合金钢，以保证钢在常温下具有高塑性和很低的变形抗力，以便进行型腔的冷挤压，挤压成型腔后进行渗碳淬火、回火，使模具表面具有高硬度和抗磨损性能，一般用于制造要求耐磨性较高的热固性塑料模具和增强塑料模具。如美国ASTM标准钢号P2（10CrMo），P3（10CrNi）；我国的20Cr、12CrNi2等。5）整体淬硬型模具钢一般都是借用高耐磨性冷作模具钢及热作模具钢。如Cr5Mo1V(A2)和Cr12Mo1V1(D2)等冷作模具钢和4Cr5MoSiV1等热作模具钢。6）耐蚀塑料模具钢有些塑料制品如聚氯乙烯、氟化塑料、阴燃料等在压制过程中对模具有腐蚀作用，因此，对此类塑料模具一般采用马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢，如瑞典ASSAB公司的STVAX（4Cr13），我国研制的PCR（0Cr16Ni4Cu3Nb）等。7）无磁塑料模具钢为了适应磁性塑料制品的生产，国内外发展了一些无磁塑料模具钢，将奥氏体型模具钢通过时效硬化处理得到要求的硬度强度和低的导磁率，如日本日立金属公司的HPM7，我国的7Mn15Cr2A13V2Wmo等。此外，为了适应塑料模具制造过程中的一些对钢的工艺性能的特殊要求，发展了以下四类专用的特种塑料模具钢种。1）镜面磨削用塑料模具钢纯净度、致密度极高，材质均匀性好，且淬回火硬度较高。适用于制作光学仪器、电子设备的透明制品。如瑞典材料S136，日本大同特殊钢公司的SSTAR等。2）非调质型预硬塑料模具钢锻（轧）后直接得到要求的硬度，一般为30~40HRC。如我国的3Cr2MnMoVS钢等。3）高焊接性塑料模具钢此类钢焊接性能很好，可以避免或简化焊前预热或焊后处理工艺，以便模具的堆焊修复工作。如日本大同特殊钢公司开发的PXZ、PX5及NAK55等。4）易切削塑料模具钢此类钢由于既加入了S等易切元素，又同时加入了Ca等变性剂，所以既改善了钢的切削性能，又抑制了硫对钢的力学性能和热加工性能的不利影响。如日本大同特殊钢公司的NAK55、DHA2F，我国的5NiCaS等。钢是铁、碳和少量其它元素的合金。不锈钢或者10.5％或以上铬金含量的抗腐蚀性合金钢是该类金属的通用术语。应该记住不锈钢并不是说这种地钢材不生锈或不会被腐蚀，而只不过是它比不含铬的合金的耐腐蚀性能强得多。除了铬金属之外，其它金属元素如镍、钼、钒等也可以加入合金中用于改变合金钢的性能，从而生产出不同等级、不同性能的不锈钢。因应用目的和场所的不同，仔细挑选性能最为合适的不锈钢所制造的刀具，对于你特定工作的效率和成功至关重要.刀具中不同金属元素带来的优点.简单地说：钢就是铁和碳的合金。其它成分是为了使钢材性能有所区别。以下以字母顺序列出重要的钢材，他们包含以下成分:碳（Carbon)-存在于所有的钢材，是最重要的硬化元素。有助于增加钢材的强度，我们通常希望刀具级别的钢材拥有0.5％以上的碳，也成为高碳钢。铬（Chromium)-增加耐磨损性，硬度，最重要的是耐腐蚀性，拥有13％以上的认为是不锈钢。尽管这么叫，如果保养不当，所有钢材都会生锈的。锰（Manganese）-重要的元素，有助于生成纹理结构，增加坚固性，和强度、及耐磨损性。在热处理和卷压过程中使钢材内部脱氧，出现在大多数的刀剪用钢材中，除了A-2,L-6和CPM420V。钼（Molybdenum）-碳化作用剂，防止钢材变脆，在高温时保持钢材的强度，出现在很多钢材中，空气硬化钢（例如A-2,ATS-34）总是包含1％或者更多的钼,这样它们才能在空气中变硬。镍（Nickle）-保持强度、抗腐蚀性、和韧性。出现在L-6AUS-6和AUS-8中。硅（Silicon）-有助于增强强度。和锰一样，硅在钢的生产过程中用于保持钢材的强度。钨（Tungsten）-增强抗磨损性。将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高速钢。在高速钢M-2中就含有大量的钨。钒（Vanadium）-增强抗磨损能力和延展性。一种钒的碳化物用于制造条纹钢。在许多种钢材中都含有钒，其中M-2，Vascowear，CPMT440V和420VA含有大量的钒。而BG-42与ATS-34最大的不同就是前者含有钒。钢材大体种类:1.低碳钢-又称软钢,含碳量从0.10％至0.30％低碳钢易於接受各种加工如锻造,焊接和切削,常用於制造链条,铆钉,螺栓,轴等。2.中碳钢-含碳量从0.30％至0.60％,用以制造重压锻件,车轴,钢轨等.3.高碳钢-常称工具钢,含碳量从0.60％至1.70％,可以淬硬和回火。锤,撬棍等由含碳量0.75％的钢制造;切削工具如钻头,丝攻,铰刀等由含碳量0.90％至1.00％的钢制造.4.合金钢-钢中加入其它金属如铬,镍,钨,钒等,使具有若干新的特性。由於各种合金元素的掺入,合金钢可具有防,防腐蚀,耐热,耐磨,防震和抗疲乏等不同特性。5.高速钢-含有各种成份和份量,如钨,铬,钒,钴和钼等。高速钢制成的切削工具,可用高的速度求切削硬材料,并能承担强力的切削。高速钢切削工具在高的速度中仍能使刃口保持锋利,其他钢材则可能变钝。美国按模具服役条件将模具钢分为三大类，美国金属学会工具钢委员会列出了：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。其中，冷作模具钢又分出12小类，热作模具钢9小类，塑料模具钢2小类。每个小类的选材又取决于三个主要因素：尺寸大小和形状的复杂性被加工的材料耐久性要求或设计寿命冷作模具钢的分类冷作模具钢分为五组：W组、O组、A组、D组、S组。W组即水淬工具钢，有11个钢种，7个碳素工具钢，含碳量从0.7%-1.3%。O组即油淬冷作模具钢（俗称油钢），有4个钢种，含碳量在0.85-1.55%。