日本模具材料和层叠模具的发展趋势

日本模具材料和层叠模具的发展趋势本文主要介绍用新观点开发的工具钢和强度比工具钢差但有其特长的铸铁、铝、铜合金的模具材料，也对模具材料用层叠、金属光造形，制造出三次元冷却水管等不能用切削技术生产的模具构造进行了介绍。旳1.添加合金元素改善模具用钢的可加工性与有关特性的方法通过添加合金元素提高各种模具用钢的可加工性与有关特性的方法，包括使碳化物微细化的同时，加Cu和S使耐磨耗性与可加工性都好的冷模具用钢；降低钢材中的非金属杂质、添加适量的Si、Mn、S使可加工性与镜面加工性都好的塑料模用钢；添加适量的Si使可加工性与高温强度、韧性都好的热模具用钢。2．控制热裂最有效的办法对压铸机用模具进行耐热裂性的试验表明，控制热裂最有效的办法是高硬度化、低硅（Si）化（提高热传导率）、高钼（Mo）化（提高温域的耐力）。经过淬火改善内部冷却速度慢的大型材料可以得到高韧性，因而在确保避开大热裂的内部韧性的基础上，可达到高硬度，从而实现延长模具寿命的效果。另外，应力集中的高负荷部位，仅改善模具材料想大幅度提高性能是困难的，氮化、PVD等表面处理是不可缺少的。3．开发新概念的冷模具用钢NOGA冷模具用钢NOGA不仅是依靠自身的耐磨耗性，重点是放在其后续的表面处理工程上。对冷冲模损伤情况调查，改善表面处理皮膜的密着性，可将粗大的一次碳化物减少到最低限度，又不损伤其本来的耐磨耗特性。适当添加特种元素、保持钢材热处理时的硬度60HRC，并确保其低磨耗性，从而使表面处理皮膜的密着性大幅度提高，也提高了模具的寿命，同时也使其耐倾变性、热处理尺寸变异等模具钢所要求的各种特性整体都有所提高。4．代替铸钢用于各种模具的球墨铸铁冲模用球铁要求淬火性好、硬度高、焊接性能好。在美国有通用、福特等公司联合开发的NAAMS标准的D6510，日本有木村铸造所开发的KSCD—8001、丰田与虹枝开发的TCG600等。KSCD—8001是Mo-Cu-Ni系球——石墨粒数多，由于是牛眼组织，具有高强度、高硬度、高比率的延伸性和高冲击值。代替铸钢的球铁“诺比达可”是将P等不纯元素降低到最低程度，减低疲劳强度和冲击值，添加1%～2%的Ni以强化基础组织的铁素体固溶，并析出约50%的珠光体。表面是切口感受性低的铁素体，内部是有强度的珠光体，由于两层倾斜构造使整体持有高的疲劳强度。5．铜合金的模具材料纯铜质地柔软，但易于合金化，添加其他元素可大幅度提高硬度和其他特性，用于塑料模更有其优越性。作为模具用高机能铜合金有5种：硬度为40HRC的Moldmax-HH，硬度和热传导性都好的Moldmax-LH，超热传导材料Moldmax-SC，与铝合金A7075有同样切削性和放电加工性能的铜•镍-锡合金Molbmax-XL、铜-镍-硅-铬合金的Moldmax-V，以及新开发的Fomament钢，是Cu-Mn-Co合金。可用于制造电脑结口的模具，每一件用钢制模具需29s，而用Moldmax-HH为25s节约4s，百万个生产线就可节约278h。控制好冷却对模具质量是非常重耍的，为此选用Moldmax材质的例子很多。6．模具用铝合金铝合金与铁合金比较，质地轻、耐蚀性、热传导性、加工性、再生性好，但强度、高温脆性比铁差得多。在最高强度的Al-Cu-Zn-Mg（7×××系列）铝合金的基础上开发了具有高温脆性对策的ALQUEEN300模具用铝合金。其成分与性能比较如表1、表2所示。LQUEEN300是比7075合金易于铸造且加工余量小的合金，用于模具寿命终了后可再溶解多次使用。作为模具用合金已有40年历史，不仅可用于模具，也可用于其他制品。7．用扩散结合制造层叠模具扩散结合后层叠模具由模型设计CAD数据决定调温配管的设置，通过层叠扩散结合制造出模具。压射成型用模具具有形状创成机能和热交换机能，热交换机能是高循环化和成品高精度化的重要机能。扩散结合层叠模具配置如图所示。此项模具可缩短塑料成型循环时间，可用于立体部件的热成型和冷成型，可应用浇口套，也可用于压铸模。8．用金属光造型复合加工法制造压射成形模金属光造型是薄层重叠三次元造型的层叠造型技术的一种。在造型过程中，切削加工可达到以往工程不能加工的深棱深孔，可用一般切削工具加工而不需放电加工，是积层造型与切削加工的复合加工方法。金属光造型复合加工机是金属光造型机构与高速高精度切削加工机构紧密结合为一体的，搭载有专门的主轴，配置有可上下升降的造型切削加工台面，激光束搜查采用专门的反射镜，造型室采用氮气作为保护气体，造型台预热装有加热器，备有20种工具交换装置。为使造型位置与切削加工位置自动一致，装有CCD镜头和自动调正软件。可用于复杂模具的制作，例如模具的冷却水道多是用钻削加工直孔、不能随意配置，金属光造型法可以中空结构造型，从而可在所希望位置设置冷却水道的空洞。本文主要介绍用新观点开发的工具钢和强度比工具钢差但有其特长的铸铁、铝、铜合金的模具材料，也对模具材料用层叠、金属光造形，制造出三次元冷却水管等不能用切削技术生产的模具构造进行了介绍。旳1.添加合金元素改善模具用钢的可加工性与有关特性的方法通过添加合金元素提高各种模具用钢的可加工性与有关特性的方法，包括使碳化物微细化的同时，加Cu和S使耐磨耗性与可加工性都好的冷模具用钢；降低钢材中的非金属杂质、添加适量的Si、Mn、S使可加工性与镜面加工性都好的塑料模用钢；添加适量的Si使可加工性与高温强度、韧性都好的热模具用钢。2．控制热裂最有效的办法对压铸机用模具进行耐热裂性的试验表明，控制热裂最有效的办法是高硬度化、低硅（Si）化（提高热传导率）、高钼（Mo）化（提高温域的耐力）。经过淬火改善内部冷却速度慢的大型材料可以得到高韧性，因而在确保避开大热裂的内部韧性的基础上，可达到高硬度，从而实现延长模具寿命的效果。另外，应力集中的高负荷部位，仅改善模具材料想大幅度提高性能是困难的，氮化、PVD等表面处理是不可缺少的。3．开发新概念的冷模具用钢NOGA冷模具用钢NOGA不仅是依靠自身的耐磨耗性，重点是放在其后续的表面处理工程上。对冷冲模损伤情况调查，改善表面处理皮膜的密着性，可将粗大的一次碳化物减少到最低限度，又不损伤其本来的耐磨耗特性。适当添加特种元素、保持钢材热处理时的硬度60HRC，并确保其低磨耗性，从而使表面处理皮膜的密着性大幅度提高，也提高了模具的寿命，同时也使其耐倾变性、热处理尺寸变异等模具钢所要求的各种特性整体都有所提高。4．代替铸钢用于各种模具的球墨铸铁冲模用球铁要求淬火性好、硬度高、焊接性能好。在美国有通用、福特等公司联合开发的NAAMS标准的D6510，日本有木村铸造所开发的KSCD—8001、丰田与虹枝开发的TCG600等。KSCD—8001是Mo-Cu-Ni系球——石墨粒数多，由于是牛眼组织，具有高强度、高硬度、高比率的延伸性和高冲击值。代替铸钢的球铁“诺比达可”是将P等不纯元素降低到最低程度，减低疲劳强度和冲击值，添加1%～2%的Ni以强化基础组织的铁素体固溶，并析出约50%的珠光体。表面是切口感受性低的铁素体，内部是有强度的珠光体，由于两层倾斜构造使整体持有高的疲劳强度。5．铜合金的模具材料纯铜质地柔软，但易于合金化，添加其他元素可大幅度提高硬度和其他特性，用于塑料模更有其优越性。作为模具用高机能铜合金有5种：硬度为40HRC的Moldmax-HH，硬度和热传导性都好的Moldmax-LH，超热传导材料Moldmax-SC，与铝合金A7075有同样切削性和放电加工性能的铜•镍-锡合金Molbmax-XL、铜-镍-硅-铬合金的Moldmax-V，以及新开发的Fomament钢，是Cu-Mn-Co合金。可用于制造电脑结口的模具，每一件用钢制模具需29s，而用Moldmax-HH为25s节约4s，百万个生产线就可节约278h。控制好冷却对模具质量是非常重耍的，为此选用Moldmax材质的例子很多。6．模具用铝合金铝合金与铁合金比较，质地轻、耐蚀性、热传导性、加工性、再生性好，但强度、高温脆性比铁差得多。在最高强度的Al-Cu-Zn-Mg（7×××系列）铝合金的基础上开发了具有高温脆性对策的ALQUEEN300模具用铝合金。其成分与性能比较如表1、表2所示。ALQUEEN300是比7075合金易于铸造且加工余量小的合金，用于模具寿命终了后可再溶解多次使用。作为模具用合金已有40年历史，不仅可用于模具，也可用于其他制品。7．用扩散结合制造层叠模具扩散结合后层叠模具由模型设计CAD数据决定调温配管的设置，通过层叠扩散结合制造出模具。压射成型用模具具有形状创成机能和热交换机能，热交换机能是高循环化和成品高精度化的重要机能。扩散结合层叠模具配置如图所示。此项模具可缩短塑料成型循环时间，可用于立体部件的热成型和冷成型，可应用浇口套，也可用于压铸模。8．用金属光造型复合加工法制造压射成形模金属光造型是薄层重叠三次元造型的层叠造型技术的一种。在造型过程中，切削加工可达到以往工程不能加工的深棱深孔，可用一般切削工具加工而不需放电加工，是积层造型与切削加工的复合加工方法。金属光造型复合加工机是金属光造型机构与高速高精度切削加工机构紧密结合为一体的，搭载有专门的主轴，配置有可上下升降的造型切削加工台面，激光束搜查采用专门的反射镜，造型室采用氮气作为保护气体，造型台预热装有加热器，备有20种工具交换装置。为使造型位置与切削加工位置自动一致，装有CCD镜头和自动调正软件。可用于复杂模具的制作，例如模具的冷却水道多是用钻削加工直孔、不能随意配置，金属光造型法可以中空结构造型，从而可在所希望位置设置冷却水道的空洞。