日本模具钢开发应用动向

日本模具钢开发应用动向1使用环境的变化1.1生产动向日本国内模具钢的月产量从2000年的1.2万吨稳定增长到2005年的月产1.4万吨以上，其需求量和模具产值也保障了这种增长态势。与模具生产有关的环境最近发生了变化：①伴随生产向国外转移(如2004年日本某公司在中国合资生产了80万辆小轿车、约占当年中国小轿车总产量的30％)，在生产地共同筹措模具材料、热处理及加工的动向正加速进行，且日本产模具钢和模具也增大了在以中国为主体的东亚地区的使用；另外，模具的无维修化和使用环境的变化，都对模具及所用钢材提出了更多的新要求。②为了满足市场对模具的高质量、低成本和缩短交货期(即生产周期)的要求，必须不断对模具的质量、性能进行改善并开发新产品。1.2环保问题因燃料费用上涨及CO２气体减排都迫切需要实现汽车的轻量化，以及提高汽车的抗撞击安全性能，这都扩大了高强度钢零部件在汽车上的应用，从而对相关的模具材料提出了更多、更苛刻的要求。2模具钢的开发动向2.1模具钢所需特性无论是冷用、温、热用或塑料用模具钢，都必须满足模具使用对耐磨性、韧性、疲劳强度、抗压强度、抗热负荷损伤、耐蚀性、高镜面性、表面处理性的要求，以及模具制造对淬透性、切削性、焊接性和低热处理应变的要求。因此，厂家总是根据不同的用途选择这些特性和各自所需的模具钢。2.2各种用途模具钢的开发动向2.2.1冷模具用钢冷模具钢使用SK、SKS、SKD、SKH等广泛的JIB(日本工业标准)钢种及独有钢种，特别是以1.5C－1.5Cr钢(SKD11)为代表的高C－高Cr系钢为基础，所开发的独有钢种改善了韧性和切削性，还能高温回火处理，其代表性钢种有1C－8Cr系的DC53。最近的冷模具有高精度、高硬度材的倾向，要求高疲劳强度模具钢；为了改善模具表面耐磨性；也在积极应用PVD、CVD、TRD处理等表面镀层技术。冷模具的主要损耗原因是磨损和裂纹。研究表明，钢的耐磨性随钢中硬质碳化物数量的增多而提高；当钢中碳化物的体积百分数由10％增至20％时，其比磨损量(mm2/N)也减至原来的1/2。各种碳化物的硬度(HV)按Fe3C(5Cr钢)'Cr7C3(10～15Cr钢)'MO2C(5Mo钢)'WC(5～10W钢)'VC(2.5～5V钢)的顺序逐步升高(从1800HV→2800HV)，所列钢种耐磨性也相应地逐次升高，然而碳化物数量的增加会降低钢的韧性。作为保证耐磨性和韧性都不下降而单纯提高一方面性能的方案有：改变降低韧性的碳化物形态，以提高强度并抑制韧性下降；均匀分散细小的硬质碳化物；对韧性钢材进行表面改质。模具热处理应变和精加工余量的大小与产品尺寸精度密切相关，而冷态磨削精加工时数又直接影响成本和交货期。因此，如何减少热处理应变，改善磨削加工性是实现产品高质量、低成本并缩短交货期的模具钢开发重点。按不同的冷加工用途，分别开发了A(弯曲与深冲)型、B(冷锻)型和C(精密下料和冲裁)型模具钢。A型的代表性钢种为DC53(1C－8Cr)，不但韧性和切削性优良，且高温回火后能获得63HRC高硬度，还与表面处理CVD、TD被膜有良好粘合性。B型的代表性钢种为马特里克斯(matrix)系高速钢DRAM(分为1、2、3共3个钢号)，是以化学成分、特殊熔炼及其后的锻造、热处理技术改善而显著减少了粗大碳化物的钢种，其显微组织的碳化物比原来的MH85和AISIM2的分布更均匀且更细小，即使在各种苛刻的使用条件也能延长模具寿命。C型的代表性钢种为高纯净粉末冷工具钢，其耐磨性、耐屑性优良，可显著减少模具寿命的波动。2.2.2热模具用钢这类模具的主体是温·热锻压模具，含热冲压模具、高速冲压模具和闭塞锻压模具。在热冲压模具方面，广泛应用的材料是SKD61钢，它具有优良的高温耐磨性、韧性、淬透性，能满足热锻模具的要求。热锻模材料最近的研究动向是在把握模具的损坏形态并查清钢种特性的基础上选定钢种，以期延长模具寿命。有研究认为，应充分利用5Cr-3Mo钢优良的低周疲劳强度，以提高模具寿命。在温锻模具中，正在广泛使用耐高负荷强度优良且能确保韧性的马特里克斯高速钢DRM1。这是因为此钢的实用表明其无塑性变形，在≥500~C的温度范围的强度比原来的SKD7、SKD61更高，且疲劳强度高，韧性也优良。2.2.3塑料模具用钢广泛使用的塑料模具用钢除SCM系钢之外，其主体是沉淀硬化和SUS420J2钢等高性能钢。近几年对这类钢的要求是确保稳定的光洁度，改善耐蚀性并提高精密模具的韧性。高性能精密塑料模具正广泛使用以NAD55、NAK80为代表的3Ni—IAl一1Cu系沉淀硬化钢，且使用范围还在扩大；还进行了同系列耐蚀性、韧性、光洁度改善钢的开发，其产品已经投放市场。既保持了耐蚀性、又改善了切削性能的SUS420F系易切钢C—STAR能用于塑料模具衬套以外的主要部位，有助于改善模具维修性能。另外，以SUS420J2钢为基础而改善了淬透性的模具钢已开发成功；还开发生产了向高Cr系钢(如C一16~r钢)中加N以提高耐蚀性的模具钢，且已成功用于生产实际。3今后面临课题及展望在模具性能方面，将会继续要求更稳定的模具寿命；以高级钢材制作模具有利于其制作技术的改善，性能和寿命波动少的通用模具钢材的生产是关键。另一方面，必须建立能与稳定的材料供应体制和在生产现场的热处理设备相适应的高性能、小应变热处理技术。并且，在使用了高强度钢板作为加工材料的汽车部件冷成形中，必须对模具进行高性能表面处理；随着表面处理技术的改善，为了提高模具表面的粘合性，以改善镀层性能，将需要研发表面处理专用的模具钢。针对压铸模具使用的高周期化倾向，为了解决模具材料易产生大裂纹的弊端，如何改善模具材质的超细化组织和韧性也是今后的重要课题。虽然如何将提高模具钢切削性能的要求与缩短模具制作的交货期相结合仍是今后需要继续完善之处，但对耐热模具钢而言，特别需要开发对模具破损行为不会产生负面影响的易切削技术。模具寿命的提高，、推动了模具的开发。而模具设计与制造技术的数字化和模具寿命预测技术的发展则将进一步促进模具加工、热处理及表面处理技术的最佳化。