汽车制造用模具材料与模具热处理技术的进展

汽车制造用模具材料与模具热处理技术的进展随着我国汽车工业的发展，汽车用模具的制造水平也得到了日新月异的提高。在汽车生产中，几乎所有的模具类型都已被涉猎，如冷冲模、热锻模、冷镦模、热镦模、压铸模和铸塑模等（见表1），因此汽车制造对模具的需求量特别大。对一个汽车企业来说，随着市场经济的深入发展，车型原来的30年一贯制，现改为一年内上几个车型。一般中型载重汽车的改型需要模具4000多套，重量达2000t。模具费用已占产品成本的15%～30%，它的总产值在工业发达国家已经超过机床工业。汽车质量的改善、生产效率的提高、成本的降低，以及产品更新换代的速度，在很大程度上取决于模具的制造精度和质量、制造周期、生产成本及使用寿命等因素。所以有人说，模具是汽车工业发展的基础，它是汽车制造业走向成熟的标志。支持模具制造业发展的基础是模具材料工业。近几年来，随着技术的引进和提高，模具材料的发展极为迅速。我国的几大模具钢厂的产量每年平均增长速率为12%，从1986～1997年的11年间，产量由4.88万t上升到11.3万t，与国外相比其发展速度可以说不相上下。此外，品种也在不断增加，常用的模具材料都是国产的，多数不常用的模具材料，我国也能生产。这就为汽车制造业的发展提供了有力支持。2005年国内模具钢在各行业的消费比例如表2所示，各类模具的使用寿命如表3所示。模具制造的关键工序热处理技术也由原来的较低水平发展到国际水平。如真空淬火技术、感应淬火技术和激光淬火技术等，都得到了广泛应用和发展。热处理后的表面处理工艺也有很大的提高，如PVD、TD、渗氮、液体碳氮共渗和喷涂都有很大的改进和提高。焊接技术在模具制造领域也得到广泛的发展。尽管模具制造厂家已经大幅度地提高了产品数量和质量，但它离汽车工业发展的需求还相差甚远，如多数模具公司不能按期交货、模具质量不好等，其深层原因是模具制造中的不可控因素较多，尤其是模具材料和热处理技术。由于经济全球化带来技术的全球化，内资企业、外资企业和国外企业的技术水平各有高低，因此，我们今天的多数情况不能分是国内还是国外，要从整个世界来看模具工业的发展。一、汽车制造用模具材料的发展现状随着汽车制造技术的发展，模具的工作条件日益苛刻，对模具的性能、质量和品种等也不断地提出更高的要求，为此，世界各国近年来都积极地开发了具有各种特性以适应不同要求的新型模具钢和铸铁，并在品种、质量、生产工艺和生产装备上做了大量工作，取得了长足的进步。1.模具钢高速发展并系列化塑料模具钢根据其性能和使用条件可分为：(1)小尺寸模具用钢，中碳调质钢。(2)大中型模具用钢，预硬型中碳低合金钢。(3)为改进切削性能的含硫、铅及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、精密和光洁的模具。(5)高淬透性的冷作和热作模具。用于制造整体淬火模具。(6)渗碳型塑料模具。(7)耐蚀型塑料模具。(8)镜面抛光模具。2.开发出先进的冷、热作模具钢通用的冷作模具钢分三类：低合金冷作模具钢，如9CrWMnV、中合金冷作模具钢Cr5Mo1V及高合金冷作模具钢Cr12Mo1V1等。除此之外，又开发出以下几种新型冷作模具钢：(1)高韧性、高耐磨性冷作模具钢如美国的8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2VWSi，日本的QCM8(8Cr8Mo2VSi)、DC53(Cr8Mo2VSi)、TCD(Cr8V2MoTi)等。这类钢优点很多，组织中的碳化物细小、弥散，抗弯强度高，断裂韧性、耐磨性、可切削性、可磨削性及抗回火性好，且热处理变形小，将来可发展成为一种通用型模具钢。(2)火焰淬火冷作模具钢7CrMnSiMoV应用最为普遍，另外有日本的SX5(Cr8MoV)、美国的CC#1等。其特点是淬火温度范围宽、淬透性较高及火焰淬火方便易行。(3)粉末冶金冷作模具钢粉末冶金方法可以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，以及碳基碳化钛。如德国的X320CrVMo135，wC＞3%、wV＞5%，细小、弥散分布的碳化物的面积达50%，其寿命高于硬质合金模具。热作模具钢的发展也很快。用量最大的为三类通用型热作模具钢：低合金热作模具钢有5CrNiMo和5CrMnMo；中合金热作模具钢有4Cr2MoVNi、Ｈ11（4Cr5MoSiV）、H13（4Cr5MoSiV1)、H12（4Cr5MoWSiV）和H10（4Cr3Mo3SiV1）；高合金热作模具钢应用最多的是Ｈ21（3Cr2W8V）。此外，还开发出一系列高性能热作模具钢，主要有以下几种：(1)基体钢基体钢的化学成分相当于淬火后的高速钢基体组织的化学成分，所以淬火后残留的共晶碳化物数量很少，回火后碳化物细小且弥散分布，钢的强韧性和热疲劳性能好。如美国的VascoMA。(2)低碳高速钢是通过将高速钢的wC降至0.3%～0.6%而得到，这样可以减少其共晶碳化物的数量，既保持较高的红硬性，又改善了钢的韧性和热疲劳性能，如美国的H25、H26和H42。(3)高温热作模具钢对于马氏体为基体的热作模具钢，这类钢导热性差，线膨胀系数大、热疲劳性差，不宜用于制作激冷、激热条件下工作的高温模具，如日本的5Mn15Cr10V2。(4)高温耐蚀模具钢可改善模具在高温下抗液体合金及其他介质的冲蚀和抗高温氧化能力，用于制作压铸模和压制玻璃的模具等。如3Cr13MoV等。(5)高淬透性热作模具钢如为适应特大型模具模块用钢的需要，在5CrNiMoV的基础上，开发出的4NiCr2MoV；法国NF35590标准中的40NCD16（4Ni4Cr2Mo）；中国的4Cr2MoVNi。(6)中合金高韧性热作模具钢这类钢能够比较合理地使用合金元素，降低了产品的生产成本，因此近几年发展较快。通过在H13钢的基础上降低铬含量，提高钒含量，发展为以MC型碳化物为主强化相的钢种。代表性的是瑞典的QRO80。3.铸铁材料应用也非常广泛汽车表面覆盖件拉延模常用铸铁材料应用较多，如HT300、QT600—2、Mo、MoCr及MoV，日本的TGC600、FCD250、FCD540，以及德系车常用的GGG70L等。二、汽车用模具热处理的最新发展状况模具材料有了很大发展，模具的热处理技术发展也很快。模具的热处理主要有以下几个方面的应用。1.整体热处理技术多数模具需要整体热处理，如压铸模、锻模、冷镦模和部分冲模等。整体热处理的设备有盐浴炉、箱式炉和真空炉。根据模具的使用场合和尺寸大小选择相应的热处理设备。一般尺寸较小，表面不允许有氧化脱碳的模具多使用盐浴炉加热淬火；尺寸较大，不太重要，且型面可以热后加工的模具多采用箱式炉加热淬火；高合金钢多数采用真空淬火处理。箱式炉要有很好的密封性，为了防止氧化脱碳，可以向炉内通入保护气体，另外还可以将工件涂上防氧化脱碳涂料和在热处理加热时向炉内放一些木炭。为了防止工件变形和氧化脱碳，世界各国均采用真空热处理炉来处理模具，采用真空热处理还可以提高模具的使用寿命。真空热处理分气淬和油淬两种。油淬要比气淬变形大得多，热处理后加工余量大的模具适宜油淬。使用真空热处理气淬炉时，不同的淬火充气压力可以获得不同的热处理变形，压力越大变形越大，压力越小变形越小，使用时要根据不同工件选择不同的参数。2.表面淬火表面淬火适用于变形小、工件尺寸较大、其余部分起辅助作用的场合。汽车覆盖件模具多数比较大，采用表面淬火的比较多，其中空冷钢、铸铁和合金铸铁等材质的模具多用表面淬火。表面淬火的方法也不尽相同，有火焰淬火、感应淬火和激光淬火。火焰淬火按其使用的气体不同可分为乙炔火焰淬火和丙烷火焰淬火。采用丙烷火焰淬火可以跟水，用以减少模具变形和提高模具的硬度。感应淬火多用于德系合资企业订货的模具。德系模具要求表面淬火方式为感应加热淬火，采用10～50kHz的超音频加热电源。它具有加热层深的优点，一般与表面硬度相同的淬硬层深度在2mm左右，缺点是变形大、易开裂。目前，国内模具制造公司多用挪威EFD公司生产的感应淬火设备，该设备稳定可靠，功率多为18～25kW，有的为50kW。功率越大，效率越高，但难以控制；功率越大变形越小，开裂倾向越小，但易烧化。激光淬火是近几年发展起来的表面淬火技术。它具有淬硬层薄、硬度高、韧性好和位置确定等特点。其最大优点是淬火后模具变形小，可以重复几次淬火。其缺点是设备投资大，国产全套设备在200万元左右，效率不是很高，它比感应淬火慢得多，收费价格也高。激光淬火的功率一般在3000W以上，以5000W居多。以上三种工艺的模具表面淬火特性比较见表4。3.深冷处理模具钢经深冷处理（-110～-196℃）后，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。模具钢的深冷处理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。如果在淬火、回火后钢中仍保留有残留奥氏体，则在深冷处理后仍需要再进行一次回火。此外，深冷处理也能提高钢的耐磨性。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，现在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和微观机制，以及对力学性能的影响结果是不同的。同一种材料不同的几何形状和不同的使用状态，经深冷处理后的寿命是不同的。4.表面涂覆技术气相沉积按形成的基本原理，分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。CVD处理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＞900℃，涂层硬度＞2000HV，但高温容易使工件变形，且沉积层界面易发生反应。CVD的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)和等离子CVD(PCVD)等。PVD是一种物理气相沉积，一般以TiN涂层较多，此外还有TiC、TiCN、TiAlN、CrN、Cr7C3和W2C等涂层。层深在5mm左右，不影响模具的精度。表面喷涂技术是用氧气乙炔将物质等喷在模具表面。涂料与基体结合坚固，可以实现提高表面厚度和增加耐磨性的目的。模具局部堆焊技术。许多车身落料模具都要求刃口有很好的强韧性，使用整体模具钢比较浪费，而采用在较低廉材料上堆焊刃口的方法可以节约大量的钢材和降低生产成本。美国、日本和德国在这方面的发展比较成熟，我国模具堆焊也取得了长足的进步。5.渗碳、渗氮、渗硼和渗金属处理化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合性和抗氧化性等性能。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。此外，离子渗氮还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、冷冲模和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。近年来许多的研究工作都表明，稀土有明显的催渗效果，从而开发了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。模具的渗氮处理有离子渗氮和气体渗氮两种。热镦模采用离子渗氮，可以明显提高模具的使用寿命。压铸模可以采用气体渗氮，渗氮后抗腐蚀能力大大增强。渗硼可以是固体渗硼、液体渗硼和膏剂渗硼等，应用最多的是固体渗硼，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