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, 采用了许多高效压力加工设备,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。CrWMn钢有适当的淬透性和耐磨性,热处理变形小,但CrWMn钢锻后需较严格地控 制冷速,并采用适当的热处理,使碳化物呈均匀细小的粒状,分布于基体上,否则易形成网状碳化物,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,如:
1.1 低合金冷作模具钢
这类钢的主要特点是工艺性好,淬火温度低,热处理变形小,强韧性好,并具有适当的耐磨性。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]。
1.2 基体钢
基体钢一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢。美国、日本在七十年代初即研究过牌号为Vasco MA、Vasco Matrix I和MOD2的基体钢,相当于M2和M36高速钢的基体,但未得到广泛的使用。我国研制了一些基体钢,如65Cr4W3Mo2VNb(简称65Nb)、 65W8Cr4VTi(简称LM1)65Cr5Mo3W2VSiTi(简称LM2)钢等。 这些基体钢的主要特点是其含碳量稍高于基体的含碳量,以增加一次碳化物量和提高耐磨性,还加入少量的强碳化物形成元素铌或钛,以形成比较稳定的碳化物,阻 止淬火加热时晶粒的长大并改善钢的工艺性能。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[7]。
1.3 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。在这些钢中,适当降低了铬含量以改善碳化物偏析,增加钨、钼和钒的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性。 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。
2 热作模具钢
我国常用的热作模具钢为5CrMnMo、5CrNiMo和 3Cr2W8V钢。
5CrNiMo钢主要用做大中型锻模。但其淬透性不够高,回火稳定性也不高,其性能不能满足大截面锻模对性能的要求。 3Cr2W8V钢广泛用做黑色和有色金属热挤压模和Cu、Al合金的压铸模。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,主要有:
2.1热锻模具钢
国内在八十年代,针对5CrNiMo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的需要和 使用温度不超过500?C的问题,对国内外用钢做过大量的分析对比和研究。研究工作表明,国外同类钢5CrNiMoV中的Cr、Ni、Mo含量均高于国产 5CrNiMo钢,并含有少量的V,因而其淬透性和回火稳定性均高于国产5CrNiMo钢,并建议选用5CrNiMoV钢,用于制做大型、复杂的重载荷锤 锻模[11]。
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[1]。与 5CrNiMo钢相比,这些钢中的碳含量稍低,提高了Cr和Mo的含量并加入适当的V和Si,因之有高的淬透性和热稳定性。45Cr2NiMoVSi钢中 的碳和硅,较之5Cr2NiMoVSi钢,稍有降低,更适宜于做锤锻模。这种钢用于制造4000t以上机械压力机锻模和3t以上锻锤模,使用寿命较 5CrNiMo和5CrNiMoV提高0.5~1.5倍。3Cr2MoWVNi钢也是我国开发的一种热锻模用钢,有高的使用寿命[11]。
2.2 热挤压用模具钢
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。但H13钢有较大的尺寸效应, 国外采用炉外精练、高温扩散退火、等向锻造等工艺,以改善其尺寸效应,减小Cr和Mo的成分偏析,国内多采用电渣重熔等工艺。
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。一些钢是在国外钼系3Cr3Mo3V钢和铬系H13钢的基础上发展起来,并在合金化方面有一定特色,如 HMI(3Cr3Mo3W2V)、 TM(4Cr3Mo2WMnVNb) 、Y4(4Cr3Mo2MnVB)、Y10(4Cr5Mo2SiV1)、HD2(4Cr3Mo2VNiNbB)、 012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl) 等钢。这些钢在保持较好的强韧性条件下,具有高的其热稳定性,分别用于制做热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等,有良好的使用效果[3,12]。
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[2]。
3 塑料模具钢
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。
3.1 预硬型塑料模具钢
这 类钢在钢厂经过充分锻打后制成模块,预先热处理至要求的硬度(一般预硬至30~35RHC)后,供使用单位制模。 P20(即3Cr2Mo)是国外使用*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。718是瑞典生产的改型 P20钢,较P20有更高的淬透性,调质后可在大截面尺寸保持硬度均匀一致,亦在我国得到较广泛地使用。
3.2 易切削预硬钢[13]
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。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。S系易切削钢的各向异性较大,在截面增大时,硫化物的偏析比较严重。
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钢采用了S-Ca复合易切削系和喷射冶金技术,改善了硫化物的形态、分布和钢的各向异性,在大截面中硫化物的分布仍比较均匀。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。
3.3 非调质塑料模具钢
这种钢不经调 度处理,锻、轧后可达到预硬硬度,有利于节约能源、降低成本、缩短生产周期。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[14]。
3.4 时效硬化钢
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