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模具关键原材料十一五规划(一)
2006年3月30日 14:2  来源:机电商情网

    模具作为提高生产率,减少材料和消耗,降低产品成本,提高产品质量和市场竞争力的重要手段,已越来越受到各工业部门的重视。随着工业技术不断向前发展,要求模具在更苛刻、更高速度的工作条件下,对模具的精度越来越高,使用寿命越来越长。为了满足这些要求,国内外都在模具材料的研究和开发上作了巨大的努力,也在这方面取得了不少成果。

    目前世界上模具工业的年产值约为680亿美元。我国2004年模具产值为530亿元,模具出口4.91亿美元,同时还进口18.13亿美元。我国已成为世界上净出口模具最多的国家。大型多工位级进模、精密冲压模具、大型多型腔精密注塑模、大型汽车覆盖件模具等虽已能生产,但总体技术水平不高,与国外先进国家相比,仍有很大差距,特别是模具寿命低的问题非常突出。如:国外硅钢片冲模总使用寿命在500万次以上,而国内一般为50万-60晚次,最高150万次。国内热锻模使用寿命50万次,国内只有3-5万次。国外热锻模使用寿命12000次以上,国内一般为3000-5000次。影响模具寿命的因素较多,但模具材料是重要因素。高寿命模具离不开优质模具材料。

    国内模具钢品种少、质量差、性能低。虽然国内也研制出许多高性能模具钢,但大多数是上世纪70-80年代研制的,因种种原因,真正使用的量较少,钢种也不多。每年使用量不足1万吨。故在生产上使用的仍然是老钢种为主,如冷模用CrWMn、Crl2、Crl2MoV等,热模用3CrW8V、6542等,另外,由于模具钢的改锻效果差、选材与热处理不当等原因,也造成模具的寿命低。

    一.现从冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三个方面,扼要分析国内模具钢的研究开发情况。

    1.冷作模具钢的开发概况

    对冷作模具材料的主要性能要求是:良好的耐模性,足够的强度和韧性,高的疲劳寿命,良好的抗擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。

    九十年代以前,国内常用的冷作模具钢有:碳素工具钢T1OA,合金工具钢9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si,高速工具钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,轴承钢GCrl5、弹簧钢60Si2WMna,参碳钢20Cr、12CrNi3A、不锈钢3Cr13等。其中用量最大的是Cr12、Cr12MoV、TIOA、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和W18Cr4V。为满足生产要求,国内先后研究开发了一系列新型冷作模具钢。

    1.1高强韧耐磨钢7Cr7Mo2V2Si(代号L)、Cr8MoV3Si(代号ER5)、9Cr6W3Mo2V2(代号GM)、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等国内研制的新钢种与Cr12、Cr12MoV相比,碳和铬的含量较低,改善了碳化物不均性,提高了韧性;适当增加了W、Mo、V等合金元素的含量,从而增强了二次硬化能力,提高了耐磨性。所以,此类钢在具有良好的强韧性的同时,还有优良的耐磨性和较好的综合性能,主要用于制造承受应力较大、要求高强韧性和耐磨损的各类冷作模具。

    7Cr7Wo2V2Si,代号LD,已被广泛应用于制造冷锻、冷挤、冷冲、冷压、冷弯等承受冲击、弯曲应力较大,又要求耐磨损的各类冷作模具。ER5适用于制造承受冲击力较大,冲击速度较高的精密冷冲,重载冷冲以及要求高耐磨的其他冷作模具。

    9Cr6W3Mo2V2-代号GM,适用于制造冲裁、冷挤、冷锻、冷剪、高强度螺栓滚丝轮等精密、高耐磨冷作模具。 

    1.2高速钢基体钢  国内研制的高速钢基体钢有:65Cr4W3Mo2VNb(简称65Nb)、60Cr4Mo3Ni2WV(代号CG-2)、5Cr4Mo3SiMnVAI(代号012AI)、65W8Cr4VTi(代号LMI)、65Cr5Mo3W2VSiTi(代号LM2)等。主要用于制造要求高强度和足够韧性的冷挤压、冷冲、冷镦等模具。由于高速钢基体钢的红硬性好,所以也用于制造热作模具。65Nb用于制造冷挤压、厚板冷冲、冷镦等承受较大载荷的冷作模具,也可用于温热挤压模具。 

    1.3低合金冷作模具钢  国内开发的低合金冷作模具钢中,有7CrSiMnMoV(代号CH)、60MnNiMoVSi(代号GD)、6CrMnNiMoVWSi(代号DS)、CrNiWMoV等。这些钢的淬透性好,淬火温度较低、热处理变形小,价格低,具有较好的强度和韧性的配合,适用于制造精密复杂模具。 

    CH钢具有良好的强韧性和良好的工艺性,可代替TIOA、9Mn2V、CrWMn、GCr15、Cr12、Cr12MoV等制造对强韧性要求较高的冷作模具,如:冲孔凹模、中薄钢板(2-5mm厚)的修边落料模等。由于该钢可以采用火焰加热空冷淬硬,所以也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽车模具。 

    GD钢的淬火温度范围较宽,淬透性好,也可火焰加热空冷淬火,具有良好的强韧性。当用于制造易崩及断裂的冷冲模具时,模具寿命较高。 

    1.4无磁高强度模具钢  电子工业中的部分磁性元件需用无磁性的模具生产。7Mn15Cr2A13V2WMo钢的导磁系数很低,强度、耐磨性也良好,但切削加工比较困难。国内开发的无磁模具钢有18Mn12Cr18NiN(代号A18)、8Mn15Cr18(代号WCG)、50Wn18Cr4WN(简称50Mn)等。其中50Mn具有低磁导率(H≤1.1H/m),较高强度和良好的加工性能,经1020-1070℃(水冷)固溶处理后,硬度HRC30左右。再经过590℃±10℃时效,硬度上升至HRC35左右。 

    2热作模具钢的开发概况

    热作模具大体分为热锻模、热挤压模、压铸模和冲裁模。5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V是热作模具钢中应用量仍然较大的钢种。

    2.1大载面热锻模具钢为弥补5CrMnMo和5CrNiMo在较大载面和较高温度时热稳定性、热疲劳性及淬透性不够的缺陷,国内开发了45Cr2NiMoVSi(简称45Cr2)、5Cr2NiMoVSi(简称5Cr2)、3Cr2MoWVNi、3CrMoVNi(代号B2)等大载面热锻模具钢。

    2.2中小热锻模具钢中小热锻模具钢的表面温度可大600℃以上,5CrMnMo和5CrNiMo的高温性能显然不能满足要求。3Cr2W8V钢的高温强度较高,但韧性及热疲劳性能较茶差。为此,国内较早开发了2Cr3Mo3VNb(代号HM3)、4Cr3Mo3W2V(代号HM1)、4Cr3Mo3W4VNb(代号GR)、3Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2MnVB(代号ER8)等3%Cr-3%Mo和3%Cr-2%Mo型的中碳铬系高强度热作模具钢,其中3Cr3MO3VNb是根据形成合金碳化合物所需的碳量对2Cr3Mo3VNb做进一步成份调整而来的。

    这二种钢用于制造不锈钢(2Cr13)等热锻模、轴承凹模和辊锻模,都取得了良好的使用效果。GR钢适用于制造工作温度600-700℃的浅型腔中小锻模,也可用于合金热挤压模具。

    除以上3%Cr-3%Mo型热作模具钢外,国内先后开发的5%Cr系中碳中合金热作模具钢已较大量用于热锻模具,如:4Cr5MoVSi等,其中4Cr5MoVISi具有优异的韧性和良好的冷热疲劳性能,适用于制造工作温度在600℃以下,对韧性和塑性要求较高的模具。如用4Cr5MoVISi代替5CrNiMo、制造汽车连杆、曲轴锻模,模具的使用寿命得到了明显提高:用于制造合金压铸模具和铝型材热挤压模具,模具的使用寿命较高。另外,该钢还可作塑料模具钢使用。目前,4Cr5MoVISi钢的优良性能已在国内得到了广泛认可,应用量已较大。

    在有色金属压铸中,3Cr2W8V曾是应用最广泛的模具钢,5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2Mo等中碳低合金钢也作为铝锌合金压铸模具钢使用。3Cr2W8V的冷热疲劳性能较差,模具的使用寿命不高。国内为此先后开发了几个新型模具钢,如:4Cr3Mo2MnVNbB(代号Y4)和4Cr5MO2MnVSi(代号YIO)等。

    4Cr3Mo2MnVNbB(代号Y4),最初就是针对铜合金压铸模具而研制的。该钢也可用于制造热挤压和中小热锻模具。4Cr5Mo102MnVSi(代号YIO),是针对铝合金压铸模具而研制的,该钢还可用于制造工作温度在600℃以下的中小热锻等模具。除Y4和YIO钢外,4Cr5MoVISi、4Cr5MoSiV也是理想的铝、锌合金压铸模具材料,应用量已很大。

    2.4铜、铝型材热挤压模具钢铜合金热挤压模的穿孔针、底模等长时与高温铜坯接触,模具的使用工况较苛刻。用3Cr2W8V或4Cr5MoVISi钢制作此类模具,模具的使用寿命一直较低。

    国内推出了可以提高此类模具使用寿命的钢种,如4Cr3Mo2NiVNbB(代号HD)、4Cr3Mo2MnVNbB(代号Y4)等。用HD钢制造的铜合金管材挤压底模和穿孔针的使用寿命较3Cr2W8V钢提高一倍左右,并在轴承环热挤冲头和凹模、汽门挤压底模上也有成功应用的例子。用Y4钢制造铜合金挤压模低和穿孔针顶头,模具的使用寿命也比3Cr2W8v钢制造的模具稳定地提高一倍以上。铝型材热挤压模平模和组合模对韧性的要求较高,4Cr5MoVISi是首选的模具材料,已被大量推广应用。

    玻璃制品模具要求模具材料具有优良的抗高温氧化性能和冷热疲劳性能,良好的耐芒硝腐蚀性能。足够高的强度,良好的抛光性能,并要易于脱模。国内开发了代号为GY的高温玻璃模具钢。该钢是Si-GrMo系预硬钢,具有良好的冷热疲劳性能,优异的抗氧化性能,优良的抗热触性能和较高的玻璃粘附温度。该钢的预硬后(HRC35左右)加工,加工性能良好,尤其适用于制造玻璃熔化或成型温度较高、表面质量要求高的玻璃制品模具。

    3.塑料模具钢的开发概况

    塑料模具钢是国内发展得较滞后,到目前为止仍未成完整系列的钢种。国内常用的塑料模具钢仍然是含0.4-0.6%碳的碳素结构钢,如45和40Cr,另外再以TIOA、GCr15、CrWMn、5CrNiMo、5CrMnMo、Cr12、Cr12MoV等作补充。二十世纪九十年代以后,国内先后开发了十余种新型塑料模具钢。

    3.1预硬化型塑料模具钢  3Cr2Mo是国内较早开发的塑料模具钢,与AISIP20相当,目前已在许多钢厂生产。在使用时,一般是先进行预硬处理,然后再进行切削加工。该钢适用于制造大、中型精密塑料模具,如:电视机、洗衣机壳体等塑料模具,并已获得较大量应用。另外,也可用于制造锌合金压铸模具。 

    除3Cr2Mo钢外,国内先后开发的5CrNiMnMoVSCa(简称5NiSCa)、8Cr2MnWMoVS (简称8Cr2)40CrMnVBSCa(简称P20BSCa)、Y55CrNiMnMoV(代号SMI)等是易切削型预硬塑料模具钢,此类钢不仅适用于制造大、中型精密注塑模具,还可用于制造精密冷作模具。 

    3.2时效硬化型塑料模具钢  根据制造高精度、复杂塑料模具的需要,国内先后开发了几种时效硬化型塑料模具钢,如10Ni3MnCuAI(代号PMS)、 25CrNi3MoAI、Y20CrNi3IMnMo(代号SM2)、 06Ni6CrMoVTiA1(代号06)等。此类钢切削加工性能好,加工后再时效处理,由于时效温度低,时效过后模具变形很小,所以适用于制造高精度、复杂的热塑性塑料模具。 

    10Ni3MnCuAI,代号PMS,该钢具有优良镜面加工性能,模具表面粗糙度可达Ra0.05um,适用于制造要求高镜面、高精度的各种热塑性塑料制品模具,如光学仪器镜片模具,磁带内外壳和电话机、石英钟、车辆灯具等塑料壳体模具。 

    Y20CrNi3AIMnMo,代号SM2,含0.1%左右的S,切削加工性能得到了改善,是一种易切削型时效塑料模具钢。 

    当较大批量地生产聚氯乙烯、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品时,模具需要耐氟、氯等卤族元素气体的腐蚀,为此需在模具表面镀铬或直接采用耐腐蚀钢。 

    国内开发的耐腐蚀塑料模具钢OCr16Ni4Cu3Nb(代号PCR)属于马氏体沉淀硬化不锈钢,该钢在含有氟、氯等离子的腐蚀性介质中的耐蚀性明显优于17-4PH(OCr17Ni4Cu4),适用于制造含氯、氟或混入阻燃剂的热塑性塑料的注射模具。 

    3.4非调质塑料模具钢  非调质钢在锻、轧后即可达到预硬,不需再进行调质处理,为改善切削加工性能,有些钢种还添加了适量的P、S和Ca。国内对非调质塑料模具钢的开发较晚,25CrMnVTiSCaRE (代号FT)、2Cr2MnMoVS和2Mn12CrVCaS即是近几年开发的新钢种。锻、轧空冷后,FT钢Φ100mm圆钢的硬度可以达到HRC30-35。 

 
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