模具材料及表面强化处理1

项目一模具钢基础理论•任务一概述•任务二模具钢的分类、性能及主要用途•任务三模具钢的主要用途任务一概述•一、模具钢的重要性•随着工业技术的迅速发展，国内外的制造工业广泛地采用无切削、少切削加工工艺，如用精密冲压、精密锻造、压力铸造、冷挤压、热挤压及等温超塑成形等新工艺，代替传统的切削加工工艺。模具已成为其主要的成形工具，家用电器行业约80%的零部件、机电行业约70%的零部件均采用模具成形，塑料、橡胶、陶瓷、建材、耐火材料制品大部分也依靠模具成形。例如，一种中型载重汽车的改型，需要模具4000多套，重达2000多吨;生产一种型号的照相机，需要模具500多套。在不少行业中，模具费用已经占产品成本的15%~30%。因此，工业产品质量的改善、生产率的提高、成本的降低、产品更新换代的下一页返回任务一概述•速度，在很大程度上取决于模具的制造精度和质量、制造周期、生产成本、使用寿命等因素。所以国外有人宣称“模具是工业发展的基石”“模具是促进社会繁荣的动力”，这充分说明工业发达国家对模具生产的重视，因此其模具工业发展迅速，并成为一种新兴的行业。20世纪80年代以来，日本、美国、德国等工业发达国家，模具工业的产值都超过了机床工业的产值。1976-1985年的10年内，日本机械制造工业的产值增加2倍，而模具工业的产值增加3倍，到1991年，其模具工业的产值达到18330亿口元。模具钢是模具工业最重要的技术和物质基础，近年来，随着模具工业的迅速发展，模具钢发展也极为迅速。世界各国都把模具钢产量统计到合金工具钢中，其产量约占合金上一页下一页返回任务一概述•工具钢产量的70%~80%。目前，工业发达国家的合金工具钢产量约占该国钢总产量的0.1%，而口本，在1978-1990年，钢的年产量一直在1亿吨左右，而合金工具钢热轧钢材的年产量却从6.79万吨上升到13.22万吨，增长了将近1倍。我国主要特殊钢厂在1986-1997年的11年间，合金模具钢的产量每年的平均增长速率为12%，由4.88万吨上升到11.3万吨，其发展速度与国外一致。•二、发展简史•模具是从锤、斧、凿等手工工具逐步发展而来的。人类从铁器时代开始，就采用钢铁材料制造手工工具。人们在埃及大金字塔中发现了约5000年前可能是由陨铁制成的铁制工具残片。早在公元前900年，希上一页下一页返回任务一概述•腊诗人荷马(Homer)写的长诗《奥德赛(Odyssey)》中，就有关于钢铁工具淬火的记载。公元前350年，印度人制成了乌兹钢(WootzSteel),它是先将铁矿固态还原制成海绵铁，然后与木炭混合、密封、加热，通过渗碳而制成的。但是，早期的工具钢属于简单普通碳素钢。自从蒸汽机问世后，工业产品由手工制造变成机器制造，切削加工的速度提高，成形负荷增大，对手工工具材料的质量、使用性能、工艺性能的要求越来越高，碳素工具钢已无法满足要求，为此，1868年穆施特(RobertMushet)提出一种合金工具钢，其化学成分为20%C，20%Mn,70%W，可以空淬，被称为穆施特钢(MushetSteel)。几年之后，这种钢在英国舍菲尔德(Sheffield)的工厂投人生产，主要用于上一页下一页返回任务一概述制造刀具，由于它比当时用的碳素工具钢耐磨性好，使用寿命长，所以成为当时应用广泛的合金工具钢。•19世纪90年代，通过研究，将上述锰含量达2%的穆施特钢中的锰用铬代替，变成铬钨钢。1893年布鲁斯林(H.A.Brustlein)向米德沃(Midvale)公司提出的两个铬钨工具钢样品的化学成分，如表1-1所示。•1895年泰勒(F.W.Taylor)首先发现上述合金工具钢提高淬火温度可以得到红硬性，使工具能在较高的切削速度下使用，提出了“高速钢”的概念。1903年泰勒又和怀特(M.White)等推荐一种含0.7%C,14%W的合金工具钢，1904-1906年在上述钢中添加0.35Vo。1910年又将提高到0.7%，成为当代W18Cr4V型高速钢的雏形。上一页下一页返回任务一概述•在此期间低合金工具钢也取得了很多成就，1895年卡本特(Carpenter)钢公司生产成分为1.00%C,2.50%Cr的工具钢。1897-1898年生产了含1.18%C,0.94%Cr,0.78%W的低合金工具钢。•20世纪20年代发展了一系列的合金模具钢，主要有:•(1)高碳高铬型冷作模具钢。•(2)1%C,5%Cr并加人钥的中合金空淬冷作模具钢。•(3)适用于制造压铸模具的热作模具钢。•(4)研究了铬钨型高耐热性热作模具钢。•(5)开始进行易切削模具钢的研究，到30~40年代发展成石墨化模具钢和各种易切削模具钢。上一页下一页返回任务一概述•为了进一步改善低合金冷作模具钢的淬透性，减少淬火变形，从20世纪40~80年代，各国陆续发展了一批低合金微变形冷作模具钢。从70年代以来，为了简化热处理工艺、节省能源，发展了一批火焰淬火模具钢;为了进一步改善冷作模具钢的综合性能，国外发展了一批为8%左右，再加人Mo,V等合金元素的高韧性、高耐磨性冷作模具钢。•为了适应热作模具钢发展需要，在20世纪20~30年代发展的含钨量高的铬钨系热作模具钢的基础上发展了钥系、钨钥系及铬系热作模具钢，低碳高速钢和基体钢型的热作模具钢。•20世纪50年代以后，随着石化工业的迅速发展，塑料迅速成为一种重要的工业材料，为了满足塑料制品成形模具的需要，各国迅速发展了上一页下一页返回任务一概述•一批不同类型的专用塑料模具钢，目前在不少先进工业国家已经形成专用的钢种系列，如渗碳型、预硬型、整体淬硬型、耐蚀型、时效硬化型等塑料模具用钢。•我国是世界文明古国之一，钢铁生产技术始于公元前5世纪的春秋战国时期，到西汉逐渐兴盛起来。至东汉时期，我国已创造了白口铸铁柔化处理技术，即高韧性可锻铸铁的生产技术。我国生铁冶炼技术的发明要比欧洲早1900年，而可锻铸铁生产技术更是比欧洲早2300年。•我国在春秋晚期已经发明了块炼渗碳钢技术，如长沙杨家山出土的春秋晚期的钢剑，就是为0.50%的中碳钢。其生产工艺是先将铁矿石固态还原成海绵铁，然后进行渗碳，再经反复折叠锻打，最后锻打成具有多层结构的钢制工具。上一页下一页返回任务一概述•在钢的热处理技术上，我国早在战国后期已广泛采用淬火工艺，如河北易县燕下都44号墓出土的钢剑和钢戟，都经过淬火处理，呈现针状马氏体显微组织。•我国采用钢铁制造模具也是很早的。在战国时期，就率先使用生铁制造铸造用的模具(铁范)，用来浇铸铸铁的斧、凿、镰等工具。在河北兴隆县和河南新郑县，先后出土了大量战国时代的铁范。通过铸铁模具的使用，不仅可以改善铸造铁器的质量，而且由于模具可以多次使用，能够显著地提高生产效率，降低生产成本，对社会生产力的发展起到较大的推动作用。•我国冷作模具发展也比较早，明代出版的《天工开物》一书中就记载有将钢尺锥成线眼，将钢条抽过线眼冷拔成钢丝，然后将钢丝剪断制上一页下一页返回任务一概述•成针的工艺过程。说明当时已经采用钢制的冷拉模具生产针用钢丝。•17世纪以来，通过产业革命，欧洲的钢铁生产技术得到迅速发展。而我国从19世纪以来长期受封建主义、官僚资本主义和帝国主义的统治，沦为半封建半殖民地社会，生产技术停滞不前，到1949年新中国成立前年产钢仅15.8万吨。基本上不能生产模具钢，模具用钢几乎全部依靠进口。•新中国成立后，我国模具钢的生产技术取得了迅速发展，在1997年，仅冶金系统几个主要特殊钢厂的合金模具钢产量已达11万吨，居于世界前列，国产模具钢基本上能满足国内模具行业的需要，而且还有部分出口。上一页下一页返回任务一概述•自新中国成立60年来，我国通过引进和自己研制开发，逐渐形成了我国的模具钢钢种系列。1952年引进苏联国家标准，制定了我国重工业部部颁合金工具钢标准;1959年，根据我国资源情况，制定了冶金工业部部颁合金工具钢标准YB7-1959。到1977年，在整顿原来的钢种系列的基础上，吸收我国历年来科研开发工作的经验，制定了我国第一个合金工具钢国家标准GB1299-1977。1985年对该标准进行修订，颁发了GB/T1299-1985,1999年进行再次修订，颁发了GB/T1299-2000，从而建立了具有我国特色的、接近世界先进水平的，包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢和无磁模具钢的模具钢种系列，以适应使用部门和生产部门的需要。上一页下一页返回任务一概述•三、国外模具钢发展概况•随着工业生产技术的发展和新材料的不断出现，模具的工作条件口益苛刻，对模具钢的性能、质量、品种等方面也不断地提出更高更新的要求，为此，世界各国近年来都积极地开发了具有各种特性、适应不同要求的新型模具钢，并在品种、质量、生产工艺和生产装备上开展了大量的工作，取得了迅速的进步，下面分述如下:•1.塑料模具钢高速发展并系列化•由于石化工业的发展，各种性能优越的塑料材料不断涌现，尤其是20世纪70年代以后工程塑料品种的大量开发，塑料已经成为一种重要的工业材料，广泛用于国民经济的各部门。从航天器到舰艇，从建筑材上一页下一页返回任务一概述•料到农业生产，从家用电器到儿童玩具都离不开塑料制品，而塑料制品大部分采用模具成形，为此，不少工业发达国家塑料模具的产值已经居模具产值的第一位，塑料模具钢也迅速发展并成为一个专用钢种系列。美国现行的ASTMA681标准中，塑料模具钢为P系列，包括7个钢号;日本大同特殊钢株式会社有13个塑料模具钢号。•塑料模具钢根据其性能和使用条件可分为:•(1)小尺寸模具用中碳调质钢。•(2)大中型模具用预硬型中碳低合金模具钢。•(3)为改进切削性能的含硫、铅预硬化易切削模具钢。•(4)时效钢和马氏体时效钢用于制造复杂、精密、高镜面模具，模具上一页下一页返回任务一概述•在固溶态加工，时效后使用，该钢具有高强度、高韧性、高硬度、热处理变形小等特点。•(5)高淬透性的冷作或热作模具钢用以制造整体淬火的高硬度模具或成形复合强化塑料的模具。•(6)渗碳型塑料模具钢(低碳合金钢)。•(7)耐蚀塑料模具钢(含不锈钢)，耐聚氯、聚氟乙烯腐蚀。•(8)镜面抛光模具钢(超高纯度钢)，制造镜片、镜头等塑料制品。•2.研制出先进的冷、热作模具钢•1)冷作模具钢•目前世界上通用的冷作模具钢可分三类:低合金冷作模具钢，以美国上一页下一页返回任务一概述•ASTMA681标准中的O1(9CrWMV)为代表;中合金冷作模具钢，以A2(Cr5MolV)钢为代表;高合金冷作模具钢，以D2(Cr12Mo1V)钢为代表。除此之外，处于开发研制阶段的还包括如下几种新型冷作模具钢:•(1)高韧性、高耐磨性冷作模具钢。有些冷作模具如冷墩模具、厚板冲剪模具对模具材料既要求有良好的耐磨性，又要求较高的韧性，通用型冷作模具钢不能满足需要。为此，美国、口本等在20世纪70-80年代开发出一批高韧性、高耐磨性冷作模具钢，如美国的VascoDie(8Cr8Mo2V2Si),VascoWear(8Cr8Mo2VWSi)，日本的QGM-8(8Gr8Mo2SiV),DG53(Cr8Mo2SiV),TCD(Cr8V2MoTi)等。该类钢上一页下一页返回任务一概述•碳化物细小、弥散，抗弯强度、断裂韧性、耐磨性、可切削性、可磨削性、抗回火稳定性高，热处理变形小，将来有可能发展成为一种通用型冷作模具钢。•(2)火焰淬火冷作模具钢。为简化工艺、缩短模具制造周期，发展了一些适应火焰淬火要求的专用钢号，如口本的SX105(7CrMnSiMoV)SX35(Cr8MoV)等，其特点是淬火温度范围宽，淬透性较高，以适应火焰局部加热空冷淬火的要求，广泛用于汽车制造业。•(3)粉末冶金冷作模具钢。用粉末冶金方法生产，在制粉过程中，由于钢水雾化后迅速凝固，形成非常细小、弥散的碳化物，可显著改善上一页下一页返回任务一概述•钢的韧性和可磨削性。粉末冶金方法可生产常规工艺难以生产的超高碳、高合金(尤其是高钒含量)、高耐磨性的模具钢和钢基碳化钦，如德国的X320(CrVMo135),碳含量超过3%，含钒量超过5%，细小、弥散分布的碳化物面