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中国模具钢技术发展现状与国外模具钢发展相比较

发布时间:2013-11-07

中国模具钢技术发展现状与国外模具钢发展相比较

模具是工业发展的基石,世界各国的制造业为了降低产品成本,提高产品质量和生产效率,改善材料利用率,节约能源,广泛地采用各种模具成形:工艺代替传统的切削加工工艺。据国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉介绍,目前机械制造、电子工业、轻工业等工业部门的产品约有60%~80%的工件采用模具成型。很多产品的质量、尺寸精度、表面粗糙度、更新换代的速度和产品的成本,很大程度上取决于模具的质量、使用寿命和制造周期。作为主要模具材料的模具钢则是模具制造的基础,随着模具工业的迅速发展,对模具钢的数量、质量、品种、规格、性能等各个方面、不断地提出更高、更新的要求。近年来,国内外模具钢的产量、生产技术、工艺装备、质量、品种等方面都取得了比较迅速的发展。
      1、模具钢钢种的发展

      我国模具钢的产量早已位居世界的前列。近20年来模具钢的产量增长很快,领先于其他钢类,模具钢的产量占合金工具钢的80%左右。随着模具工作条件的日益苛刻,各国在原有的冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类的基础上,又相继发展了不少适应新的要求的新钢种。

      在冷作模具钢中,所发展的材料有:

      (1)高韧性、高耐磨性模具钢这些钢C、C含量低于传统的Crl2型模具钢,增加了Mo、V合金数量,其耐磨性优于Crl2MolVl钢,韧性和抗回火软化能力则高于Crl2,如美国钒合金钢公司早期发表的VascoDie(8Cr8M02V2Si)、日本大同特殊钢公司的DC53(CrSM02VSi),我国自行开发的则有7CrTM02V2Si(LD钢)、9CrW3M02V2(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。

      (2)低合金空淬微变形钢这类钢的特点是合金含量低(≤5%),淬透性、淬硬性好,Φ100mm的工件可以空冷淬透、淬火变形小、工艺性好,主要用于制造精密复杂模具。如美国ASTM标准钢号A4(Mn2CrM-o)、A6(7Mn2CrMo)、日本大同特殊钢公司的G04。我国自行研制的Gr2Mn2SiWMoV和8Cr2MnMoWVS等钢种也属于低合金空淬微变形钢,后一种钢号还兼备优良的切削性。

      (3)火焰淬火模具钢这类钢的特点是淬火温度范围宽,淬透性好。由于火焰局部淬火的工艺简便、以缩短模具制造周期,降低制造费用等特点,已经广泛地用于制造剪切、下料、冲压、冷镦等冷作模具,特别是大型镶块模具,如东风汽车公司采用我国研制的7CrSiMiMoV火焰淬火钢制造汽车大型覆盖件镶块冲模刃口材料,取得了很好的使用效果。这类钢代表性的钢号有日本爱知公司的SX5(Cr8MoV),大同特殊钢公司的G05,日本日立金属公司的HMDl。

      (4)粉末冶金冷作模具钢采用粉末冶金工艺生产的高碳高合金钢,由于钢液雾化形成的微细钢粉凝固很快,可以完全避免一般工艺生产的高碳高合金冷作模具钢在浇注后缓慢凝固产生的粗大碳化物和偏析等缺陷。特点:磨削性好、韧性好、等向性好、热处理工艺性好。已发表的粉末冷冶金钢号有美国坩埚钢公司的CPM9V,CPMl0V,日本日立金属的HAP40等。

      在热作模具钢中新发展的材料有:

      (1)通用型热作模具钢1.5155NiCrMoV6为代表的低合金热作模具钢,以H13(4CrSMoSiVl)为代表的中合金热作模具钢;以HIO(3Cr3M03VSi)钨系钼系热作模具钢。目前在我国4CrSMoSiVl是产量最高的热作模具钢。

      (2)高淬透性特大型锻压模块用钢淬透性好,尺寸较大的模具心部可以获得均匀的性能。如IS04957标准中的40NiCrMoV;法国NF-35-590标准中的dONCDl6;我国的4Cr2MoVNi、3Cr2MoWVNi等。

      (3)高热强性模具钢又可分为以下四类。

      a.中合金高热强性模具钢,一般是在3Cr3M03Si-V(H10)和4CrSMoSiVl(HB)钢的基础上增加W、Mo、Co、Nb等元素,提高其高温性能。如美国ASTM标准钢号H10A、我国开发的3Cr3M03W2V等。

      b.沉淀硬化型热作模具钢,这类钢的含碳量较低,一般在2%左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如V、Nb、Ni、Al、Mo等,模具淬火后,采用较低温度回火(≈400℃),硬度为40HRC左右,由于含碳量低,中温回火后的组织为板条状低碳马氏体,具有良好的韧性,而且具有良好的切削性,可以进行型腔加工。模具在使用过程中,与高温工件接触的工作表面被工件加热到钢的沉淀硬化温度(500~600℃),由于合金碳化物和金属间化合物的析出,工作表面的硬度可上升到45~48HRC,提高了型腔表面的耐磨性模具心部仍保留原有的组织和高韧性,从而提高了模具的使用寿命。如日本日立金属公司的YHD3、大同特殊钢公司的DH76等。

      c.低碳高速钢和基体钢高速工具钢具有良好的抗回火软化性能和高温硬度,但是其韧性和抗冷热疲劳性能较差。低碳高速钢是将高速钢的碳含量由1%左右降至0.3%-0.6%,在牺牲部分红硬性和耐磨性的情况下,提高韧性和抗冷热疲劳性能,如美国ASTM标准钢号H42,我国标准钢号6W6MoSCr4V。基体钢的化学成分相当于淬火后的高速钢基体组织成分,所以淬火后过剩碳化物的数量少,细小均匀,使钢的韧性和抗冷热疲劳性能进一步得到改善。如美国钒合金铁公司的VasooMA(5Gr4W3Mo2V),我国的6Cr4Mo3W2VNb。这种钢由于综合性能较好,即可以用于热作模具钢,也可以用于制造高性能的冷作模具。

      d.奥氏体型热作模具钢,这类钢经固熔时效处理后,在700-800℃仍保持较好的强度,如日本日立金属公司的5Mnl8CrlOV2,我国的7Mnl0Cr8Nil0M03V2等。

      塑料模具钢由原国标中的3Crl2Mo(P20)一个钢号发展成由有以下七大类构成的塑料模具用钢系列:

      (1)非合金塑料模具钢主要用于制造生产通用型热塑性塑料生产工件批量不大,技术要求不太严格制品模具。如20、45等碳素结构钢和T8、T10等碳素工具钢。

(2)预硬型塑料模具钢采用中碳合金钢预先经过淬火和高温回火状态下(硬度为30~40HRC)交货:代表性的钢号如美国的P20、瑞典ASSAB公司的718(3Cr2MnNiMo),日本大同特殊钢公司的PDS5,我国的3Cr2Mo等。

      (3)时效硬化型塑料模具钢由于时效温度低,变形小,而且有规律,适用于制造形状复杂,尺寸精度要求高的模具,如美国ASTM标准钢号P21,日本大同特殊钢公司的NAK55(2Ni2A1CuMoS),NAK80,我国的25CrNi3MoAl等。

      (4)渗碳型塑料模具钢一般为C、Si含量很低的低碳钢或低碳合金钢,以保证钢在常温下具有高塑性和很低的变形抗力,以便进行型腔的冷挤压,挤压成型腔后进行渗碳淬火、回火,使模具表面具有高硬度和抗磨损性能,一般用于制造要求耐磨性较高的热固性塑料模具和增强塑料模具。如美国ASTM标准钢号P2(10CrMo)、P3(10CrNi);我国的20Cr、12CrNi2等。

     (5)整体淬硬型模具钢一般都是借用高耐磨性冷作模具钢及热作模具钢。如Cr5M01V(A2)和Crl2MolVl(D2)等冷作模具钢和4Cr5MoSiVl等热作模具钢。

      (6)耐蚀塑料模具钢有些塑料制品如聚氯乙烯、氟化塑料、阴燃塑料等在压制过程中对模具有腐蚀作用,因此,对此类塑料模具一般采用马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢,如瑞典ASSAB公司的STVAX(4Crl3),我国的研制的PCR(OCrl6Ni4Cu3Nb)等。

      (7)无磁塑料模具钢为了适应磁性塑料制品的生产,国内外发展了一些无磁塑料模具钢,将奥氏体型模具钢通过时效硬化处理得到要求的硬度强度和低的导磁率,如日本日立金属公司的HPM7,我国的7Mnl5Cr2A13V2WMo等。

      此外,为了适应塑料模具制造过程中的一些对钢的工艺性能的特殊要求,发展了以下四类专用的特种塑料模具钢种。

      (1)镜面磨削用塑料模具钢纯净度、致密度高,材质均匀性好,且淬回火硬度较高。适用于制做光学仪器、电子设备的透明制品。如瑞典材料S136,日本大同特殊钢公司的S-STAR等。

      (2)非调质型预硬塑料模具钢锻(轧)后直接得到要求的硬度,一般为30-40HRC。如我国的3Cr2MnMo-VS钢等。

      (3)高焊接性塑料模具钢此类钢焊接性能很好,可以避免或简化焊前预热或焊后处理工艺,以便模具的堆焊修复工作。如日本大同特殊钢公司开发的PXZ、PX5及NAK55等。

      (4)易切削塑料模具钢此类钢由于既加人了S等易切元素,又同时加入了Ca等变性剂,所以既改善了钢的切削性能,又抑制了硫对钢的力学性能和热加工性能的不利影响。如日本大同特殊钢公司的NAK55,DHA2F,我国的5NiCaS等。

      模具的工作条件日益苛刻,对模具材料的质量水平,特别是模具钢的纯净度,等向性的水平,提出了更高的要求,由于模具的加工费用昂贵,要求提高钢材的尺寸精度,减少加工公差,改善其切削性能,以降低模具的生产成本,罗百辉指出,当前我国模具制造业日益向通用化、标准化、系列化、高效率、短制造周期发展,为适应这些发展的需要,作为使用最频繁的模具材料的模具钢也在日益向多品种、精料化、制品化的方向迅速发展。如新型扁钢连轧机的不断投入和宽厚板轧机的技术改造的日益完善,模具钢的品种规格越来越多样化。国内外特殊钢企业针对以上要求,在模具钢的生产工艺装备上相应地做了大量的工作,取得了显著成绩。

具体体现在以下几方面:

      (1).不断改善冶炼工艺和装备;采用电炉+炉外精炼生产纯净度较高的模具钢。

      (2).选用更合理的热合工工艺;采用先进的轧制、锻造工艺,提高钢材成材率。

      (3).采用可进一步细化钢材组织的热处理方法;提高钢材的均匀性和等向性。

      (4).配备可生产高附加值模具钢的深度加工工艺装备;加工出高附加值的模板、模块、模架和模具标准件。

      (5).将模具钢的生产从分散趋于集中,便于形成规模大、功能全的模具钢生产基地。

     2、模具钢技术发展现状

      建国以来,我国模具钢生产技术发展很快,从无到有,从仿制到自己开发,目前我国模具钢的产量已跃居世界前列。绝大部分国外的标准钢号和试制的的钢号,我国也都进行了生产或试制工作,通过几次钢种整顿和标准修订初步形成了我国的模具钢系列,在模具钢的生产技术,品种质量,工艺装备科研开发及材料应用等方面都取得了很多进展。但是,由于我国模具钢发展历史短,与国外相比还存在着不少问题和差距。

      (1)钢种系列不够充实完整,有的钢种(如粉末冶金高合金模具钢)尚属空白。

      (2)钢种的产品结构和选用不合理,很多模具钢仍沿用传统的几种老牌号,不能满足日益增长的模具产品的需求,导致模具使用寿命不高,产品精度低,粗糙度差。

      (3)钢材品种规格少,目前国内市场上的模具钢产品仍以黑皮圆棒材为主。品种比较单一,精料和制品的比例很低。由于原料加工余量大,材料利用率低,拉长了模具的制造周期。

      (4)生产工艺和装备方面。

      特殊钢的质量控制、检测手段落后,缺乏热处理深度加工和在线质量检验设备。缺少生产高性能粉末冶金模具钢的设备。缺乏专业化生产的工模具钢生产线和模具钢开发中心。

      国外模具钢发展比较分析

      目前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,模具标准钢号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全部大于5%,而合金元素大于10%的有10种,用量占80%。

      国外相继开发的新型热作模具钢包括:(1)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40NCD16等;(2)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;(3)高温热作模具钢,如美国T2M、T2C,日本的Nimowal等。

      为了满足冷作模具的特殊要求,各国发展的新型冷作模具钢有:(1)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DC53钢等;(2)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;(3)火焰淬火模具钢,如日本爱知SX5、SX105V,日本日立HMD1、HMD5等钢;(4)粉末冶金冷作模具钢,如美国CPM10V,德国320CrVMo13.5等。

      国外新型塑料模具钢的发展趋势主要有以下几个方面:(1)易切削、抛光性好的塑料模具钢,如美国的412、M-300,日本的YAG,英国的EAB,瑞典的STAVAX-13等;(2)预硬化型塑料模具钢,如美国P20、445,日本的PDS,德国MOVTREX-A(2312)等;(3)整体淬硬型塑料模具钢,如美国A2、D3和H13等;(4)耐腐蚀塑料模具钢,如国标ISO中的110CrMo17,瑞典ASSAB公司的4Cr13等;(5)无磁塑料模具钢,如日本大同特殊钢公司的NAK301等。

国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉指出,国外模具制造业正在向通用化、标准化、系列化、高效率、短制造周期发展,CAD和CAM的应用日益普及。为了适应模具制造业发展的需要,模具材料日益向多品种、精细化、制品化的方向迅速发展。随着模具工作条件的日益苛刻,对模具的质量,特别是钢的纯净度、等向性的水平提出了更高的要求。为达此目的,国外普遍采用电炉+炉外精炼工艺生产纯净度高的模具钢,对于大截面锻压模块和大型的钢材规定采用真空处理。对于纯净度要求更高的模具钢,大部分采用电渣重熔,以进一步提高钢的纯净度、致密度、等向性和均匀性,减少偏析。因此,模具钢的质量有了较大提高。为了加强竞争力量,适应经济全球化的发展趋势,国外模具钢的生产从分散趋向于集中,并多家公司进行跨国合并。为了更好地进行竞争,这些公司都建成了完善的技术先进的模具钢生产线和模具钢科学研究基地,形成几个世界著名的工模具生产和科研中心,以满足迅速发展的模具工业。

      总体而言,我国模具钢还比较落后,尤其是用于制造高档次模具的钢材,仍然在使用进口钢,与国际先进水平相比,主要有以下差距:

      (1)模具钢品种、规格不全,低档次较多,高档次较少。高质量、高性能模具钢的品种少。从品种方面,尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷等专用的模具钢系列。钢材中扁钢、模块、精料制品比例比较低,钢材的利用率较国外低10%左右。为满足制造大型、精密、复杂、高寿命模具的需要,国外发展预硬化钢,而国产钢基本上停留在退火阶段,或热轧状态供货,并且供货周期较长,这是我国家电行业大量进口模具钢的主要原因。

      (2)模具钢的专业化生产程度较低。钢材的质量、性能稳定性较差,外观质量较差。中国模具钢分散在几十个企业生产,大部分生产厂家的生产工艺装备不配套,特别是后部工序,深加工设备落后,从而制约国产模具钢质量的提高和性能的提高。

      (3)模具钢供销渠道有待畅通。模具制造多为单件或小批量生产,并所需钢材的品种多、规格多、数量少、需求供货及时的行业特点,与冶金厂的批量生产有矛盾。国外通过钢材商店可随时解决零售问题。国内近几年来也出现了部分代理商、钢材商店等中间销售环节,但在模具钢销售的服务意识和水平与国外先进水平还有一定差距,影响了国产模具钢的推广和应用。例如Bohler-Uddehum的全球10万用户中,大多是工程师指导用户使用。

      值得注意的事,我国模具的质量和服务,离用户需求的差距相当大,因而出现了不少“宁可出高价买国外的,不愿以低价买国内的”的不正常现象。部分的国内外模具钢价格比较见表1。由表可知,进口钢材价格要比国内价高出3~6倍,从同一钢种的价格差距上反映出我国模具钢的落后面貌。

      根据对国内外模具钢的对比研究发现,国外模具钢的品质主要体现在:纯净、均匀、组织细小、尺寸精确。这些方面的差距造成我国冷作模具钢在与进口钢同样强度下韧性不足,耐磨性低下;而热作模具钢的高温强度和热疲劳性能都低,使国产模具钢的模具寿命较进口钢的模具寿命明显的低。

      以H13为例,与进口H13相比,国产H13夹杂物、一次碳化物较多;退火组织中碳化物有明显沿晶界分布现象;心部横向冲击韧性只有纵向的0.2~0.3等等。但是,尽管这些国产H13钢存在上述诸多质量问题,却均是按国家标准生产合格的正规产品。这就暴露我国国家标准GB1299-2000与北美压铸协会标准NADCA#207-90的差距。表2是不同国家H13钢的化学成分标准。以北美压铸协会标准考核检测时可发现的退火组织、带状组织、和冲击韧性等问题,均不是我们国家所考核的指标。这正是国产H13钢生产质量差的关键问题。

      我们要清楚地认识到,在国外先进国家的企业,只是把国际标准作为最低标准,他们真正贯彻或执行的是比国际标准更高的“企业标准”或“内控标准”,如瑞典UDDEHOLM公司和奥地利Bohler公司均有非常严格的企业标准。这一现实正好与我国目前的情况相反,是不利于我国模具钢发展的。为此,我国模具钢的国家标准应尽可能地向国际先进标准靠拢,这样才会促进我国模具钢水平的提高,改变我国模具钢质量普遍较低的现象.