上海安亭模具设计培训

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模具行业：我国模具材料与模具热处理研究进展

五十年代，我国模具用钢全部因袭国外钢号。进入六十年代，为了节约原材料和提高毛坯精度，少无切削工艺和精密成形技术有了迅速的发展，为了提高生产效率， 采用了许多压力加工设备，锻锤逐渐被压力机替代。
原用模具钢的性能常不能满足服役条件对性能的高要求，影响了模具的使用寿命和压力加工新工艺新设备的 推广应用。七十年代末，精密及大型工程塑料制品的使用日益广泛，对塑料模具用钢的需求量急剧增加，
对塑料模具钢的性能也提出了新的要求，而我国当时尚无塑 料模具专用钢。

六十年代以来，在国家有关部委的支持下，中国科技工作者结合国情，开发出不少新模具钢，其中一些使用性能优异、工艺性能也 比较好的新钢种受到模具制造和使用单位的欢迎。在此期间也引进了一些国外通用的钢号，
其中有些钢号通过生产试用，取得良好的效果[1]。对一些使用效果较 好的冷作模具钢和热作模具钢，有关部门还分别组织了性能对比试验研究，提出了选择和应用的建[2，3]议。为满足高耐磨、长寿命模具的需要，
五十年代末， 我国硬质合金有了迅速的发展，同时也开发了多种钢结硬质合金，用做模具取得良好的效果。
本文分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、硬 质合金和钢结硬质合金、模具热处理、展望和建议六部份论述。

1 冷作模具钢
目前我国常用的冷作模具钢仍是低合金工具钢 CrWMn和高碳高铬工具钢Cr12MoV及Cr12这些老的钢号。导致模具在使用中的崩刃和开裂。高碳高铬工具钢有高的耐磨 性，但其碳化物偏析较严重，导致变形的方向性和强韧性的降低。
通过反复镦拨可在一定程度上改善其偏析程度。1981年，我国引入国际通用 的高碳高铬工具钢D2(Cr12Mo1V1)。和Cr12MoV钢相比，D2钢的碳化物偏析较之Cr12MoV略有改善，强度与韧性稍有提高，D2钢制作 的模具，其使用寿命
亦有不同程度的提高[4]。高速钢（主要是W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V）有更高的耐磨性和强度，常用于制作模具，但其韧性不 能满足复杂大型和受冲击负荷大的模具的需要。
为了改善这类钢的强韧性，我国开发了一些新的冷作模具钢。低合金冷作模具钢，如 GD(6CrMnNiMoVSi)、7CrSiMnMoV（简称CH）、DS钢等。GD钢用于制作易崩刃、断裂的冷冲模具有高的使用寿命[5]。CH钢的 成分与日本的
SX105V钢相同，是一种火焰淬火钢，常用于制做汽车等生产线上用的模具零件，火焰淬火时加热模具刃口切料面，硬化层下又有一个高韧性的基 体做衬垫，从而使模具获得较高的使用寿命[3[。DS钢是一种冲击冷作模具钢，
其冲击韧性显着优于常用的高韧性刀片用工具钢6CrW2Si[6]。这类基体钢已较广泛地用于制作冷挤压、厚板冷冲、冷镦等模具，特别适于难变形材料用的大型复杂模具，还可用做 黑色金属的温热挤压模具。韧性较高的耐磨
冷作模具钢，为了改善Cr12型冷作模具钢的碳化物偏析，提高其韧 性，并进一步增加钢的耐磨性，我国做了大量的研究工作，开发出不少新的钢种，如 LD[8]、ER5[9]和GM[10]钢等。与Cr12型冷作模具钢比较，这类钢的碳化物
偏析有所改善，有较高的韧性。这类钢比Cr12型冷作模具钢有更好的耐磨性，因而制做的模具有更高的寿命，更 适于高速冲床和多工位冲床的使用。我国常用的热作模具钢为5CrMnMo、5CrNiMo和 3Cr2W8V钢。这种钢的热稳定性高，
使用温度达650?C，但钨系热作模具钢的导热性低、冷 热疲劳性差。

我国在八十年代初引进国外通用的铬系热作模具钢H13 (4Cr5MoSiV1)，H13钢有良好的冷热疲劳性，在使用温度不超过600?C时，代替3Cr2W8V钢，模具寿命有大幅度提高，因此H13钢迅速 得到推广应用，其产量已超过3Cr2W8V钢。
为适应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热稳定性方面更高的要求，我国研制了不少 的新热作模具钢。国内还开发了大截面热锻模具钢5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi钢，已获得较广泛的应用。H13已是国内外广泛使用
的热作模具钢，在使用温度不超过600?C时，有良好的冷热疲劳性能，用做热挤压模和铝合金压 铸模，有比较高的使用寿命。我国研制 了许多强韧性好、热稳定性高的热挤压用热作模具钢。我 国有关部门曾组织一些研究单位
和使用单位，选择了27种国内外应用和新研制成功的热作模具钢，对其基本力学性能、工艺性能和使用性能进行测试和对比，并提 出了各类热作模具的选材准则。塑料成形用模具产值已在模具工业总产值中占首位。
中国过去无专用塑料模具用钢。近年在引进国外塑料模具用钢的同时，自行研制和开发出一些新的塑料模具专用钢。P20（即3Cr2Mo）是国外使用zui广泛的预硬塑料模具钢，已列入我国合金工具钢标准，八十年代以来已在我国
一些工厂广泛采用。为 了改善预硬塑料模具钢的被切削性能，可加入易切削元素。美国、日本、德国都发展了一些易切削预硬钢。我国研制了一些含硫易切削预硬塑料模具钢，如 8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）和S-Ca复合易切削塑料
模具钢5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）。 5NiSCa钢 有高的淬透性和镜面抛光性，模具硬度为35~45HRC时，可顺利进行各种加工。我国开发的这类钢有：中碳锰硼系空冷贝氏体钢、可用于制作塑料模和橡胶模；非 调质塑料模具钢
2Mn2CrVTiSCaRe (FT),钢中加入S、Ca、Re做为易切削元素，比S-Ca复合系易切削钢有更好的切削性能[13]；低碳MnMoVB系非调质贝氏体型大截面塑料模具 钢（B30），钢中加入S、Ca作为易切削元素，工业试生产表明400mm
厚板坯热轧后空冷，硬度沿截面分布较均匀。我国开发了几种低镍时效硬化钢，这些钢经调质后进行机械加工，再经时效，通过析出金属间化合物提高硬度，热处理后变形很小。时 效硬化钢适于制作高精度塑料模具、
透明塑料用模具等。塑料制品在以化学性腐蚀塑料为原料时，模具需具有防腐蚀性能，一般采用耐蚀钢制造模具，此时还要求有较好的耐磨性。常用的 钢种为4Cr13(420)、9Cr18、17-4PH。PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)是我国开发的
一种耐蚀塑料模具钢，有较好的综合力学性能良 好的抗蚀性。用于制作某些模具，模具使用寿命可提高数倍、数十倍以上。但硬质合金较脆，抗弯强度和韧性较差，且不能进行机械 加工。硬质合金作为模具材料，
主要用于拉丝模具、受冲击力不大的冷挤和冷冲模具等。目前,我国已可生产各类牌号的硬质合金，基本上可以满足国内市场的需 要。

为了满足制造集成电路板钻孔用的微型钻头、计算机用的点阵打印针、精密工模具等的需要，近年来，模具是钢结硬质合金 的主要应用领域。我国于60年代开始研制这种材料，已研制成多种牌号的钢结硬质合金，
用作模具的钢结硬质合金。以后用此技术生产常规工艺无法生产的高碳 高钒高耐磨冷模具钢，这类钢有较好的切削加工性和磨削性能，并有较好的韧性，制成的模具使用寿命与一些硬质合金相近。国外已生产多种牌号
的粉末冶金高耐磨 冷模具钢，国内尚少研究。模具制造的成本高，特别是一些精密复杂的冷冲模、塑料模、压铸模等。采 用热处理技术提高模具的使用性能，可以大幅度提高模具寿命，有显着的经济效益，我国模具技术
工作者十分重视模具热处理技术的发展。模具钢经真空热处理后有良好的表面状态，变形小。与大气下的淬火比较，真空油淬后模具表面硬化比较均匀，而且 略高一些，主要原因是真空加热时，模具钢表面呈活性状态，
不脱碳，不产生阻碍冷却的氧化膜。在真空下加热，钢的表面有脱气效果，因而具有较高的力学性能， 炉内真空度越高，抗弯强度越高。真空淬火后，钢的断裂韧性有所提高，模具寿命比常规工艺普遍提高40%~400%，甚至更高。
冷作模具真空淬火技术已得到 较广泛的使用。近年来的研究工作表明，模具钢经深冷处理（-196℃），可以提高其力学性 能，一些模具经深冷处理后显着提高了使用寿命。模具钢的深冷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深冷处理。深冷处理能提高钢的耐磨性和抗回火稳 定性。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，已开发出专用深冷处理设备。
一 些热作模具钢，如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等，采用高于常规淬火温度加热淬火，可以减少钢中碳化物的数量、改善其形态和分 布，使固溶于奥氏体中碳的分布均匀化，淬火后可在钢中获得更多的板条马氏体，
提高其断裂韧性和冷热疲劳抗力，从而延长模具使用寿命。例如3Cr2W8V钢 制的一种热挤压模具，常规淬火温度为1080~1120℃，回火温度为560~580℃。当淬火温度提高至1200℃，回火温度为680℃（2次），模具 寿命提高了数倍。
W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速钢和Cr12MoV等高合金冷作模具钢，可适当降低其淬火温度，以改善其塑韧 性，减少脆性开裂倾向，从而提高模具寿命。例如W6Mo5Cr4V2的淬火温度可选用1140~1160℃。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、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。W6Mo5Cr4V2和65Nb钢制模具进行渗碳以及65Nb钢制模具真空渗碳后，模具的寿命均有显着提高。
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。冷作模具和热作模具还可以进行硫氮或硫氮碳共渗。近年许多研究工作都表明稀土有明显 的催渗效果，从而发展了
稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。渗硼工艺常用于各种冷作模具上，由于耐磨性的提高，模具寿命可提高数倍或十余倍。采用中碳钢渗硼有时可取代高合金钢制 作模具。渗硼也可应用于热作模具，如热挤压模等。
渗金属包括渗铬、渗钒、渗钛等工艺均可用于处理冷作和热作模 具，其中TD法（熔盐渗金属）已得到一些应用，可使模具寿命提高几倍乃至十几倍。

目前在模具上应用较多的是离子镀TiN，这种膜不仅硬度高而且膜的韧性好、结合力强、耐高温。国内外对高能束热处理的原理、工艺等均投入较多的研究，比较成熟的是激光相变硬化、小尺寸电子束处理和中等功率的离子注 入，
并在提高模具寿命方面获得了应用。可以认为，我国已建立了较完整的模具用材系列，其中一些模具材料 的性能优异，达到国际先进水平。我国模具热处理的研究开发亦可与国际同步，一些新的模具热处理技术在不同程度上
得到推广和应用。针对存在 的问题，对今后我国模具用材料和模具热处理技术的发展，加速模具钢生产的制品化、精料化和模具钢经销的商品化。我 国每年模具用钢超过20万吨，且逐年增长。近年，国外模具钢的进口量，
约占模具钢需要量的1/3，呈逐渐增加趋势。主要问题是我国模具钢的品种规格较少， 模具钢生产的制品化、精料化和经销的商品化程度低。在一些工业发达国家，冶金企业供应经机加工的模具钢制品已达50~60%，而中国80%以上
的模具钢仍 以黑皮圆棒供货。越来越多的模具制造厂点要求在模具设计完成后，模具钢供应厂商能迅速提供所需钢材，减少库存钢材数量，缩短制模周期。中国钢材生产企业尚 不适应这一商品市场机制，这是进口模具钢材在
中国日益扩大的重要原因。我 国已开发出不少有一定特色的新型模具钢，其中一些钢的性能优异，达到或超过国外同类钢的水平。但这些新钢的推广数量和应用范围不够大，主要原因是由于中国 模具钢的生产尚未走制品化、
精料化的道路而经销方式不适应商品市场的要求，解决了这些问题，这些性能良好的新型模具钢有广阔的推广前景，将会产生巨大的经 济效益。
中国已经有了较完整的模具钢系列，尚需不断提高其质量，扩大应用，在应用中进一步存优去劣。同时，有选择地开发先进模具钢，完善 中国的模具钢系列，例如开发粉末冶金模具钢，多元易切削系塑料模具钢，建立玻璃、
陶瓷，耐火砖和地砖等成形模具用钢系列等我国某些特殊钢厂已采用新的冶金设备和工艺生产模具钢，如炉外精炼、真空冶炼、快锻机和精锻机等，一些模具钢的质 量有大幅度提高，如D2、P20等钢已批量出口，出口产品的
质量可以达到国际先进水平。工业发达国家一直在努力提高模具钢的纯净度、致密度、均匀性和质量 稳定性。国外有的企业规定在高纯度模具钢中[O]?10ppm，[H]? 2ppm，S?50ppm，因为钢的纯净度的进一步提高可以显着提高钢
的韧性和疲劳性能。对大型模具还必须采用真空除气、高温扩散退火，减少合金元素的偏 析，并使用等向锻选工艺，提高等向性，使模具钢的横向和厚向的塑性和韧性达到纵向的80~90%以上。我国还需要在这方面进一步开展工作。
模具的可控气氛热处理与真空热处理应进一步得到发展、推广和应用。一些行之有效的模具表面 热处理技术，应完善其工艺，加强其推广和应用。提高装备和工艺材料的制造水平，加强热处理专业厂的建设。