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摘 要本文介绍了冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料3类模具材料的发展及应用,并对模具材料今后的发展方向进行了展望。
关键词模具材料;冷作模具;热作模具;塑料模具;展望
中图分类号TB31文献标识码A 文章编号1673-9671-(2009)111-0076-01
0前 言
随着工业技术的迅速发展,为了提高产品质量、降低生产成本、提高生产效率和材料利用率,国内外的机械制造业广泛地采用各种模具成型工艺代替传统的切削加工工艺。模具材料是模具制造业的基础,随着模具工业生产技术的发展和新材料的不断出现,对模具材料的性能、质量、品种等方面的要求也越来越高,因此,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材料。
1模具材料钢种的发展
模具材料主要是模具钢,模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类,现从这三类模具钢种来论述模具材料的发展。
1.1 冷作模具材料
冷作模具材料是应用比较广泛的一类模具钢,主要用于制造冲压、辊压、冷挤压等模具,目前通用的代表性钢种有低合金冷作模具钢如:CrWMn和9Mn2V,中合金冷作模具钢如:Cr5Mo1V和高碳、高铬型冷作模具钢如:Cr12和Crl2Mo1V1三类。为了满足冷作模具的特殊要求,各国有针对性地发展了一些新型模具钢,主要有:
1.1.1 高强韧性的冷作模具钢—基体钢
基体钢是指成分与高速钢淬火后的基体成分大致相同、性能有所改善的一类钢,这类钢具有高的强韧性和良好的耐磨性,其含碳量稍高于高速钢基体的含碳量,淬火后过剩碳化物减少、分布均匀,从而提高了钢的韧性和抗冷热疲劳性,是一类冷热兼用的模具钢。
比较有代表性的钢号有65Cr4W3M02VNb(65Nb)和5Cr4M03SiMnVAl钢(012Al)等,65Cr4W3M02VNb可代替Crl2MoV、W18Cr4V和3Cr2W8V钢,用于制造强韧性要求较高的冷挤压模具及冷镦模具,5Cr4M03SiMnVAl钢是一种可代替Crl2MoV和3Cr2W8V钢的冷热模兼用钢,多用于制造冷冲头[2]。
1.1.2 低合金微变形空淬钢
这类钢的合金含量低,淬透性、淬硬性好,淬火时可用冷却速度缓和的淬火介质使工件达到达到微变形,且工艺性能良好,主要用于制造精密复杂模具。
代表性的钢号有:美国ASTM标准钢号A4、A6,日本大同公司的G04,我国自行研制的Cr2Mn2SiWMoV和CrMnMoVS。
1.1.3 高耐磨高强韧性冷作模具钢
以磨损为主要失效形式的模具,应使用高耐磨高强韧性冷作模具钢,如:LD(7Cr7Mo2V2Si)钢、GM(9Cr6W3Mo2V2)钢、ERS(Cr8MoWV3Si)钢等。这些钢中适当降低了C和Cr的含量以改善碳化物分布,增加W、Mo和V的含量,以增加二次硬化的能力和提高耐磨性,同时,碳化物偏析有所改善,提高了韧性,更适合在高速冲床和多工位冲床上使用[2]。
1.2 热作模具材料
热作模具钢主要用于制造金属材料热加工(如:锻压、热挤压等)用的模具钢。目前通用的代表性钢种有低合金热作模具钢如:5CrMnMo和5CrNiMo,中合金热作模具钢如:H13(4Cr5MoSiV1 )、H11(4Cr5MoSiV)和H10 (4Cr3Mo3SiV)和高合金热作模具钢如:3Cr2W8V三类[1]。为了适应热作模具钢的发展需要,国内外研制了具有较高的热强性、高的热疲劳性和良好的韧性的新型热作模具钢,主要包括以下几种类型:
1.2.1 中合金高热强性热作模具钢
如:3Cr3Mo3W2V(HM1)和3Cr3Mo3VNb(HM3)钢,其含碳量较低,热加工性能良好,易锻造及退火,具有较高的热强性、热疲劳性能,良好的耐磨性和耐回火性能,是综合性能优良的高强韧性热作模具钢。适于制造高速、高负荷的压力机成型模、辊锻模、小型锤锻模等热作模具。
12.2.2 沉淀硬化型热作模具钢
如:日本日立金属公司的YHD13,由于加人了V,Nb,Ni,AI等,工作中模具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,模具的心部仍保留原有的组织和高韧性,从而提高了模具的寿命。
1.2.3 低碳高速钢
如:我国的6WMo5Cr4V,将高速钢的碳含量降至0.3%～0.6%,在牺牲部分红硬性和耐磨性的情况下,改善其韧性和抗冷热疲劳性能。
1.2.4 奥氏体型热作模具
奥氏体型热作模具钢通常通过固溶处理使合金元素溶入奥氏体基体,为时效硬化处理做组织准备,同时也有改善切削性能的作用。这类钢具有更高的热稳定性和高温强度,如:日本大同公司的5Mnl5Ni5Cr8Mo2Vo。
1.3 塑料模具材料
目前国内塑料模具用钢尚未形成系列,近年来在引进国外塑料模具用钢的同时,我国自行研制和开发了一些新的塑料模具专用钢,国内外新型塑料模具钢的发展趋势主要有以下几个方面:
1.3.1 易切削、抛光性好的塑料模具钢
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。这类钢的杂质少、组织均匀、无纤维方向性,制模后,型面的表面质量高。
1.3.2 预硬化型塑料模具钢
这类钢的含碳量为0.3%～0.55%,常用合金元素有Cr、Ni、Mn、V等,为了改善其切削性,加入S、Ca等元素。
1.3.3 时效硬化型塑料模具钢
这类钢含碳量低、合金度较高,通过固溶处理、机械成形加工和时效处理,使模具获得使用状态的强度和硬度,有效地保证模具的最终尺寸和形状的精度,适宜于制造形状复杂、精度高、超镜面、大型塑料模具。
1.3.4 无磁性塑料模具钢
为了适用磁性塑料制品的生产,国外发展了一些无磁性塑料钢,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。代表性的钢号有日本大同特殊钢公司的NAK301和日本日立金属公司的HPM75钢等。
2展望
为了提高模具制造业的生产效率和材料利用率,缩短模具制造周期,配合模具工业的标准化、系列化、设计和制造过程中CAD/CAM技术的应用,模具材料技术的发展应重视以下几个方面:改善冶金质量,增加品种规格、产品精品化;研制应用新钢种,挖掘老钢种性能潜力;做好模具材料的系列化工作;建立模具材料服务系统;模具钢的生产从分散化生产向集中生产发展。
参考文献
[1]康俊远.模具材料及表面处理[M].北京:北京理工大学出版社,2008.
[2]于波.我国模具材料的发展概况及其选用[J],热处理技术与装备,[3] 牟红霞.模具材料的发展与动向[J].现代制造技术与装备,2006,4:83-84.
[4]于影霞,何柏林,国内外模具材料的现状及发展趋势[J],材料热处理技术,2009,1:44-48.
关键词模具材料;冷作模具;热作模具;塑料模具;展望
中图分类号TB31文献标识码A 文章编号1673-9671-(2009)111-0076-01
0前 言
随着工业技术的迅速发展,为了提高产品质量、降低生产成本、提高生产效率和材料利用率,国内外的机械制造业广泛地采用各种模具成型工艺代替传统的切削加工工艺。模具材料是模具制造业的基础,随着模具工业生产技术的发展和新材料的不断出现,对模具材料的性能、质量、品种等方面的要求也越来越高,因此,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材料。
1模具材料钢种的发展
模具材料主要是模具钢,模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类,现从这三类模具钢种来论述模具材料的发展。
1.1 冷作模具材料
冷作模具材料是应用比较广泛的一类模具钢,主要用于制造冲压、辊压、冷挤压等模具,目前通用的代表性钢种有低合金冷作模具钢如:CrWMn和9Mn2V,中合金冷作模具钢如:Cr5Mo1V和高碳、高铬型冷作模具钢如:Cr12和Crl2Mo1V1三类。为了满足冷作模具的特殊要求,各国有针对性地发展了一些新型模具钢,主要有:
1.1.1 高强韧性的冷作模具钢—基体钢
基体钢是指成分与高速钢淬火后的基体成分大致相同、性能有所改善的一类钢,这类钢具有高的强韧性和良好的耐磨性,其含碳量稍高于高速钢基体的含碳量,淬火后过剩碳化物减少、分布均匀,从而提高了钢的韧性和抗冷热疲劳性,是一类冷热兼用的模具钢。
比较有代表性的钢号有65Cr4W3M02VNb(65Nb)和5Cr4M03SiMnVAl钢(012Al)等,65Cr4W3M02VNb可代替Crl2MoV、W18Cr4V和3Cr2W8V钢,用于制造强韧性要求较高的冷挤压模具及冷镦模具,5Cr4M03SiMnVAl钢是一种可代替Crl2MoV和3Cr2W8V钢的冷热模兼用钢,多用于制造冷冲头[2]。
1.1.2 低合金微变形空淬钢
这类钢的合金含量低,淬透性、淬硬性好,淬火时可用冷却速度缓和的淬火介质使工件达到达到微变形,且工艺性能良好,主要用于制造精密复杂模具。
代表性的钢号有:美国ASTM标准钢号A4、A6,日本大同公司的G04,我国自行研制的Cr2Mn2SiWMoV和CrMnMoVS。
1.1.3 高耐磨高强韧性冷作模具钢
以磨损为主要失效形式的模具,应使用高耐磨高强韧性冷作模具钢,如:LD(7Cr7Mo2V2Si)钢、GM(9Cr6W3Mo2V2)钢、ERS(Cr8MoWV3Si)钢等。这些钢中适当降低了C和Cr的含量以改善碳化物分布,增加W、Mo和V的含量,以增加二次硬化的能力和提高耐磨性,同时,碳化物偏析有所改善,提高了韧性,更适合在高速冲床和多工位冲床上使用[2]。
1.2 热作模具材料
热作模具钢主要用于制造金属材料热加工(如:锻压、热挤压等)用的模具钢。目前通用的代表性钢种有低合金热作模具钢如:5CrMnMo和5CrNiMo,中合金热作模具钢如:H13(4Cr5MoSiV1 )、H11(4Cr5MoSiV)和H10 (4Cr3Mo3SiV)和高合金热作模具钢如:3Cr2W8V三类[1]。为了适应热作模具钢的发展需要,国内外研制了具有较高的热强性、高的热疲劳性和良好的韧性的新型热作模具钢,主要包括以下几种类型:
1.2.1 中合金高热强性热作模具钢
如:3Cr3Mo3W2V(HM1)和3Cr3Mo3VNb(HM3)钢,其含碳量较低,热加工性能良好,易锻造及退火,具有较高的热强性、热疲劳性能,良好的耐磨性和耐回火性能,是综合性能优良的高强韧性热作模具钢。适于制造高速、高负荷的压力机成型模、辊锻模、小型锤锻模等热作模具。
12.2.2 沉淀硬化型热作模具钢
如:日本日立金属公司的YHD13,由于加人了V,Nb,Ni,AI等,工作中模具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,模具的心部仍保留原有的组织和高韧性,从而提高了模具的寿命。
1.2.3 低碳高速钢
如:我国的6WMo5Cr4V,将高速钢的碳含量降至0.3%～0.6%,在牺牲部分红硬性和耐磨性的情况下,改善其韧性和抗冷热疲劳性能。
1.2.4 奥氏体型热作模具
奥氏体型热作模具钢通常通过固溶处理使合金元素溶入奥氏体基体,为时效硬化处理做组织准备,同时也有改善切削性能的作用。这类钢具有更高的热稳定性和高温强度,如:日本大同公司的5Mnl5Ni5Cr8Mo2Vo。
1.3 塑料模具材料
目前国内塑料模具用钢尚未形成系列,近年来在引进国外塑料模具用钢的同时,我国自行研制和开发了一些新的塑料模具专用钢,国内外新型塑料模具钢的发展趋势主要有以下几个方面:
1.3.1 易切削、抛光性好的塑料模具钢
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。这类钢的杂质少、组织均匀、无纤维方向性,制模后,型面的表面质量高。
1.3.2 预硬化型塑料模具钢
这类钢的含碳量为0.3%～0.55%,常用合金元素有Cr、Ni、Mn、V等,为了改善其切削性,加入S、Ca等元素。
1.3.3 时效硬化型塑料模具钢
这类钢含碳量低、合金度较高,通过固溶处理、机械成形加工和时效处理,使模具获得使用状态的强度和硬度,有效地保证模具的最终尺寸和形状的精度,适宜于制造形状复杂、精度高、超镜面、大型塑料模具。
1.3.4 无磁性塑料模具钢
为了适用磁性塑料制品的生产,国外发展了一些无磁性塑料钢,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。代表性的钢号有日本大同特殊钢公司的NAK301和日本日立金属公司的HPM75钢等。
2展望
为了提高模具制造业的生产效率和材料利用率,缩短模具制造周期,配合模具工业的标准化、系列化、设计和制造过程中CAD/CAM技术的应用,模具材料技术的发展应重视以下几个方面:改善冶金质量,增加品种规格、产品精品化;研制应用新钢种,挖掘老钢种性能潜力;做好模具材料的系列化工作;建立模具材料服务系统;模具钢的生产从分散化生产向集中生产发展。
参考文献
[1]康俊远.模具材料及表面处理[M].北京:北京理工大学出版社,2008.
[2]于波.我国模具材料的发展概况及其选用[J],热处理技术与装备,[3] 牟红霞.模具材料的发展与动向[J].现代制造技术与装备,2006,4:83-84.
[4]于影霞,何柏林,国内外模具材料的现状及发展趋势[J],材料热处理技术,2009,1:44-48.