国内外模具材料的发展及现状

-1-国内外模具材料的发展现状及趋势赵辉材料082班082033摘要：简单介绍了我国及国外模具材料发展的现状及趋势，还介绍了我国模具材料存在的一些问题。关键词：模具材料，现状，发展趋势1.引言随着世界经济产业结构的调整，先进的制造工艺已成为我国工业的发展方向之一。而制造业的基础模具工业也随之迅速地得到发展。中国模具潜在的市场很大，近年来中国已迅速地发展成为模具制造大国，在世界模具制造业产值中，所占的比例逐年上升，模具材料的用量也逐年增长。工业技术不断向前发展，对模具要求在更苛刻、更高速的工况条件下工作。因此，国内外都在模具材料的研究和发展上做出了巨大的努力，也在这一方面取得了不少成果。制造模具及其零件的材料有很多，如钢，铸铁，非铁合金及其合金、高温合金、硬质合金、钢结硬质合金、有机高分子材料、无机非金属材料、天然或人造金刚石等。但其中钢是用的最多，应用范围最广的材料。这篇文章，我将说说国内外模具材料（包括冷作模具材料，热作模具材料及塑料模具材料）的现状及发展趋势。2.国内模具材料现状及发展趋势2.1国内模具材料现状近几年，我国模具工业一直以每年15%左右的增长速度发展，在世界模具产值中所占比例显著提高。经过几次钢种整顿的标准修订，在GB/T1299-2000《合金工具钢》标准中包含了37个钢种，基本上形成了我国特色的模具钢系列。据中国冶金工业联合会调研，我国模具钢按照使用状态主要分为：塑料模具钢约占60%；冲压模具钢约占20%；压铸模具钢占6%~8%。目前我国模具用钢广泛，除了工具钢(碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢)外，还有轴承钢、弹簧钢、调质钢、渗碳钢、不锈钢等，钢种达数十种之多，但常用的只有20余种，而用量最多的是Cr12、Cr12MoV、CrWMn、3Cr2W8V、5CrMnMo、5CrNiMo、45、40Cr等。其中Cr12、Cr12MoV的应用量大面广，但在冶炼、铸造、锻造、热处理等方面存在一系列问题，模具使用寿命较低，特别是产品结构和应用方面还存在一些问题[1,8]。国内大多数冶金厂设备、工艺较落后,大多采用电炉冶炼,钢的纯度差,表面脱碳层深、碳化物级别高、疏松超标。钢材的冶金质量低、成材率低,一般质量的模具钢多,高质量的模具钢材少。而国外模具钢生产80%以上采用真空精炼和电渣重熔生产,钢材纯度、等向性高。而国内通过电渣重熔生产的模具钢所占的份额很少,大约1/10。国外发达国家的模具钢成材率在85%～90%,而国内成材率仅为70%。与国外相比存在很大差距[3]。2.2塑料模具材料塑料模具的工作条件比较复杂,它在工作过程中会受到高温塑料填充和流动的压应力和摩擦力作用,同时高温塑料在成型过程中总会有一些腐蚀性物质析出。这种特殊的工作条件对塑料模具材料提出了特定的性能要求。1.具有优良的综合性能；2.具有优良的工艺性能。模具材料包括模具钢和合金材料,但主要是-2-模具钢。目前,专用塑料模具钢系列主要包括渗碳型塑料模具钢、淬硬型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐蚀型塑料模具钢和无磁型塑料模具钢等[7]。我国列入国家标准中的塑料模具钢仅为3Cr2Mo和3Cr2MnNiMo。国外常用的塑料模具钢已形成较完整的系列,如美国塑料模具钢有7个钢号,形成完整的P系列:日本日立金属公司有15个钢号:日本大同特殊钢13个钢号。我国塑料模用钢的随意性较大,80%是用碳钢和40Cr钢。对于复杂、精密模具,为避免热处理变形,一般在退火态、正火态或调质态加工使用,因此寿命仅为国外同类模具的1/10～1/2。国内汽车塑料模具企业大多愿意选用德国、日本、瑞典三大系列的模具钢,高光模具材料用NK80、2738、P20;关键模具材料用进口的2738、NAK80、S136等。但是,在国内购买欧洲模具钢材,价格上扬30%～40%,严重影响了国内模具的竞争力[3]。2.3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、剪切、辊压、冷镦、冷挤压等模具,国外通用的代表性钢种有低合金油淬模具钢01(9CrWMnV),中合金空淬模具钢A(2Cr5Mo1V)和高铬高碳模具钢D3(Cr12)D2(Cr12Mo1V1)。我国通用的是20世纪50年代从前苏联引进的CrWMn、Cr12、Cr12MoV三种。1981年我国引进高碳高铬工具钢D2。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的模具钢,主要有:高韧性高耐磨性模具钢、低合金空淬微变形钢、粉末冶金模具等。高韧性高耐磨性模具钢比较有代表性的钢号有美国钒合金钢公司早期发表的VascoDie,近年来日本山阳特殊钢公司发表的QCM8,我国自行开发的LD、GM钢等,分别用于冷挤压模具、冷冲模具及高强度螺栓的滚丝模具,都取得了良好的使用效果。低合金空淬微变形钢代表性的钢号有: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。粉末冶金模具由于具有磨削性、韧性、等向性、热处理工艺性好的特性,近20年来在国外发展很快,代表性的钢号有美国的CPM10V,德国的320CrVMo13.5,用于制造形状比较复杂,工作条件苛刻的长寿命模具[2]。我国目前的冷作模具材料包括碳素工具钢、低合金高碳工具钢、高耐磨钢（高碳高铬钢、高碳中铬钢、高速钢以及特殊用途冷作模具钢。其中特殊用途冷作模具钢包括：微变形钢，硬质合金以及钢结硬质合金。微变形空淬钢,这类钢有较高的淬透性，可用冷却速度缓和的淬火介质，从而减少了淬火应力，降低了变形开裂倾向，在淬火时可通过调节残余奥氏体的比例，达到微变形。这类钢号主要有GD钢等。7CrNinSioV钢(GD)的特点是强韧性较好，工艺性能好，可代替CrWMn、WCr12型钢制冷作模具，解决模具早期崩刃或断裂。硬质合金，具有高的硬度、高的抗压强度和高的耐磨性，所以用其制作的模具坚固耐用，使用寿命比一般钢制冲模高30～100倍，且制品表面质量好，故适用于大批量生产，主要用来制作多工位级进模，大直径拉深凹模镶块。缺点是脆性大，加工困难，不能锻造及热处理，且成本高，致使其应用受限制。钢结硬质合金，是以难熔金属碳化物为硬质相，以合金为粘结剂，用粉末冶金方法生产的一种新型模具材料，具有硬质合金的高硬度、高耐磨性和高抗压强度，又具有钢的可加工性和热处理性。以WC为硬质相的钢结硬质合金，又简称DT合金，还具有较好的抗热裂能力，不易出现崩刃、淬裂等，是较理想的模-3-具材料之一[4]。2.4热作模具材料热作模具钢主要用于制造高温状态下进行压力加工的模具，如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦模具等。随锻压机械能力的加大、加工件形状的复杂化，尤其是被加工材料加工难度的增大，如加工钛合金、高合金钢、不锈钢和耐热钢，模具趋向大型化、高性能。对热作模具用钢性能的要求也越来越高，传统的热模具钢5CrNiMo和5CrMnMo钢由于热强性、热稳定性较低、易龟裂和塌陷，使用寿命短。3Cr2W8V钢由于钨含量高、耐热振性较差、易热疲劳，导致龟裂等缺陷。近年来，一些具有较高的热强性、高的热疲劳性和良好的韧性的新型热作模具钢相继问世。我国的热作模具钢包括低耐热高韧性热作模具钢、中耐热高韧性热作模具钢、高耐热热作模具钢及特殊用途热作模具钢。低耐热高韧性热作模具钢主要用于生产承受很大冲击载荷的锤锻模、平锻机锻模、大型压力机锻模等，我国常用钢号为5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoV、45Cr2NiMoVSi等。中等耐热性韧性钢，主要有5%的铬型热作模具钢和铬钼系热作模具钢，含有较多的铬、钼、钒等碳化物元素，主要包括4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiV1（H13）、4Cr5W2SiV、3Cr3Mo3W2V（HM1）、25Cr3Mo3VNb（HM3）、2Cr3Mo2NiVSi。高耐热热作模具钢主要用于较高温度下工作的热顶锻模具、热挤压模具、铜及黑色金属的压铸模具、压力机模具等。其中压力铸造是在高的压力下，使熔融的金属挤满型腔而压铸成型，在工作过程中模具反复与炽热金属接触，因此要求有较高的回火抗力和热稳定性。高耐热热作模具钢主要包括3Cr2W8V（H21）、5Cr4W5Mo2V、5Cr4Mo3SiMnVAl、4Cr3MoW4VNb、6Cr4Mo3Ni2WV、4Cr3Mo2NiVNbB等[5]。2.5国内模具材料发展趋势针对我国模具材料生产和强化技术的现状及存在问题，今后我国模具材料技术的发展及应用要重视以下几个方面：1）、扩大模具钢的品种规格充分发挥现有设备，特别是新引进设备的能力，大力发展高精度高质量模具扁钢和中厚模具钢板的生产。至少应达到模具钢产量的3%左右。扩大精料生产，根据需要提供剥皮、冷拔、银亮钢材的生产，逐步开发经过机械加工和淬回火处理的模块和制品，提高产品的附加值。2）、完善模具材料系列，合理使用材料结合模具工业的发展，形成我国新的模具钢系列，当前尤其应注意开展粉末冶金高性能模具钢的研究开发工作，以满足高性能长寿命模具生产的需要，相应地开展模具钢强韧化机理及模具失效机理的研究工作，指导材料研究，并相应地开展测试手段和测试技术的开发工作。3）、建成几条技术先进的模具材料生产线有计划地建立完善的科研试制基地和技术情报中心，在全国建成各具特色的几条技术先进的模具钢生产线，采用先进的工艺装备先进的技术，生产高纯净度、高等向性，品种规格齐全的高精度高质量模具钢钢材和制品，使我国模具钢的生产技术、产品质量迅速全面地达到国际先进水平。4）、大力开拓模具钢的国外市场充分发挥我国的资源优势，尽快研究出国外市场需求的高质量模具钢精品，以产顶进，变资源和原料出口为模具制品出口，创更高的经济效益和社会效益[6]。3国外模具材料现状及发展趋势-4-3.1国外模具材料现状随着模具制造业的不断发展，对模具钢从冶金质量、数量、性能上要求不断提高。在国外出现高合金、高质、优化、低级材料强化及扩充材料领域等趋向，模具材料由低级向高级发展，发展的趋向是碳素工具钢→低合金工具钢→高合金工具钢，相继出现一系列新型模具材料，模具标准钢的合金化程度也日趋提高。例如美国，15种热作模具钢合金元素含量全部大于5%，而合金元素含量大于10%的有10种，用量占80%。工业发达国家的冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢种类比较齐全，并已形成系列，如美国的冷作模具钢有O系列、A系列、D系列，热作模具钢有H系列，塑料模具钢有P系列。但常用的模具钢种集中在几个钢号或十几个钢号，其中用量较大的有O1(CrWMnV)、V2(Cr5SMOIV)、D3（Cr12）、h2(Cr12Mo1V1)、H13(4Cr5MoV1Si)、H11(4Cr5MoVSi)、H10(4Cr3Mo3V)、P20(3Cr2Mo)等。这些钢的使用性能较好，由于合金工具钢标准比较完善合理，针对性较强，具有一定的先进性、代表性，在国际上信誉较高，而被世界各国广泛采用，形成国际上的通用化趋势。此外，国外也不断地研制新钢种，以满足模具工业不断发展的需求。国外相继开发的新型热作模具钢包括：高淬透性特大型锻压模具钢，如国际标准ISO中的40NiCrMoV7，法国NF标准中的等；高热强性模具钢，如美国H10A，日本日立金属公司的YHD3，以及特殊钢公司的5Mn15Ni5Cr8Mo2V2钢等；高温热作模具钢，如美国的T2M、T2C，日本的Nimowal等。各国发展的新型冷作模具钢有：高韧性、高耐磨性模具钢，如美国钒合金钢公司的VascoDie(8Cr8Mo2VSi)钢，日本大同特殊钢公司的SLDB、QCM8、TCD、DC53钢等；低合金空淬微变形钢，如美国ASTM标准钢号A14、A16，日本的G04和ACD37等；火焰淬火模具钢，如日本SX5、SX105V、G05、HMDl、HMD5，日本日立HMD1、HMD5等钢；粉末冶金冷作模具钢，如美国CPM10V，德国320CrVMo13.5等；高速钢基体钢有美国的VASCOMA；时效模具钢有日本的NAK55、NAK80、N5M等；热作模具钢有瑞典的QR08