模具材料及其发展概况

观海听鸥

模具材料及其发展概况<br/>朱福顺1, 2, 王鹏程1, 郭胜利1<br/>(1. 内蒙古工业大学材料科学与工程学院, 010062; 2. 辽宁交通高等专科学校机电系, 110122)<br/>　　摘　要　本文全面的综述了金属成形和塑料成型模具的常用和新型材料, 同时对模具材料的发展<br/>及推广提出建议。<br/>关键词　热作模具材料; 冷作模具材料; 塑料模具材料<br/>1　引言<br/>随着制造业的快速发展, 模具行业得到空前的<br/>发展, 模具被广泛的应用于金属、陶瓷、塑料等材料<br/>的成型。模具的设计与制造是这一行业的主要研究<br/>内容, 但成功研制的新型模具材料对其发展注入了<br/>新的活力。<br/>2　金属成形常用模具材料<br/>2. 1　热作模具材料(锤锻模钢和热挤压模具钢) [1, 2 ]<br/>2. 1. 1　常用热作模具材料<br/>5CrN iMo 和5CrM nMo 是常用的锤锻模钢, 前<br/>者以用于大型(锻模高度大于300mm ) 或型腔复杂<br/>的热锻模; 而5CrM nMo 适宜于制造中、小型锻模<br/>(锻模高度小于300mm )。两种钢的主要缺点是热强<br/>度、热稳定性能稍差, 在受热条件较恶劣的热锻模<br/>(400℃以上) 时, 热强性和使用寿命不足。3Cr2W 8V<br/>是常用的热挤压模具钢, 它是一种高热强性热模钢<br/>并具有良好的锻造、机械加工和热处理工艺性能, 在<br/>热挤模和热冲模上有广泛的应用。但3Cr2W 8V 钢<br/>的冷热疲劳性较差, 尤其是用火冷却时, 模具的热疲<br/>劳寿命更低。3Cr2W 8V 钢冷热疲劳性差的原因除<br/>含钨量高外; 另一未被充分认识的原因是不尽合理<br/>的碳含量。<br/>2. 1. 2　国内研制的新型热作模具钢<br/>HM 1 钢(4Cr3Mo3W 2V ) 和HM 3 钢(3Cr3Mo3<br/>VN b) 是结合我国资源条件研制而成的。HM 1 钢获<br/>国家发明奖。这两种钢突出的优点是具有最高的室<br/>温与高温冲击韧性和优良的抗冷热疲劳性, 适用于<br/>制造高温、高速、高载荷、火冷条件下工作因断裂或<br/>热疲劳失效的热作模具。GR 钢( 4Cr3Mo3W -<br/>4V T iN b) 含有较高的钨和少量的钛和铌, 具有最高<br/>的热强性和热稳定性以及良好的抗热疲劳性, 适于<br/>制造温度较高与工件接触时间长, 容易引起热变形<br/>塌陷或热磨损失效的模具。O 12A l 钢<br/>(5Cr4Mo3SiM nVA l) 和CG2 钢(6Cr4Mo3N i2WV )<br/>属于基体钢。这两种钢含碳量高, 热疲劳抗力较差,<br/>突出的优点是有高的硬度、强度以及耐磨性, 可冷热<br/>兼用, 可取代Cr12 型钢和高速钢用以制造要求高强<br/>韧性的冷镦、冷冲和冷挤模具[4 ]。新型的锤锻模具钢<br/>有5r2N iMoV Si 和5Cr2N iMoV Si 这两种钢具有高<br/>的淬透性, 热稳定性比5CrN iMo 高150℃, 回火时<br/>有二次硬化效应, 高的强韧性, 因此适宜于锤锻模<br/>钢。新型的热挤压模具钢有4Cr5MoSiV (H11)、<br/>4Cr5MoSiV 1 ( H13 )、3Cr3Mo3W 2V ( HM 1 )、<br/>5Cr4Mo3SiM nVA l ( 012A l) 和4Cr3Mo2 - VN iN b<br/>(HD) 淬透性较高, 高的高温强度及韧性, 高的热稳<br/>定性, 良好的冷热疲劳抗力。使用温度: H13 ≤<br/>600℃, HD≤700℃, 故适宜于热挤压模。<br/>2. 2　冷作用模具钢(冷镦模具钢和冷挤压模具<br/>钢) [1, , 3 ]<br/>2. 2. 1　常用冷作模具材料<br/>对冷作模具材料的主要性能要求是: 良好的耐<br/>磨性, 足够的强度和韧性, 高的疲劳寿命, 良好的抗<br/>擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。常用的冷镦<br/>模具钢有T 10A、9SiCr、9Cr2、Cr12MoV 等, 凹模镶<br/>块可用Cr12MoV、W 6Mo5Cr4V 2、WC (含13%～<br/>25%Co)、W 18Cr4V 钢制造, 形状复杂、冲击大的凸<br/>模可采用耐冲击钢5CrW 2Si、60Si2M n 和基体钢。<br/>冷镦模具表面要求高硬度(≥60HRC) , 硬材料的冷<br/>镦模具要整体淬硬, 以防压塌; 在保证不堆塌的前提<br/>下, 为了使模具有足够的韧性, 防止开裂, 冷镦模具<br/>的心部硬度以40～ 50HRC 为宜。冷挤压模具钢常<br/>用的模具材料有Cr12MoV、Cr12Mo1V 1、<br/>W 6Mo5Cr4V 2 钢和基体钢等, 内预应力环常采用<br/>4Cr5MoV Si、4Cr5MoV 1Si 钢(46～ 48HRC) , 外预应<br/>力环通常用4Cr5MoV Si、5CrN iMo 等钢制造。低中<br/>碳钢的冷挤压模具要求有高的硬度(59～ 66HRC) ,<br/>高的抗压屈服强度和适当的韧性。<br/>2. 2. 2　国内研制的新型冷作模具钢<br/>新型的冷作用模具钢有65Cr4 W 3Mo2VN b<br/>( 65N b )、6Cr4Mo3N i2WV ( CG - 2 )、<br/>5Cr4Mo3SiM nVA l (012A l)、65W 8Cr4T i (LM 1) 和<br/>65Cr5Mo3W 2V SiT i(LM 2) 等; 高的强韧性, 良好的<br/>耐磨性, 可是用于冷挤压模、冷镦模和冲模。<br/>2. 3　冲压模具材料<br/>炭素工具钢T 8A、T 10A、40Cr: 最常用、最便<br/>宜、应用最广泛的冲模材料优点是加工性好, 有一定<br/>的的硬度; 但其淬火变形大, 耐磨性能较差; 热处理<br/>HRC58℃～ 62℃。低合金工具钢CrWMo、gCrSi 钢:<br/>淬透性能好, 淬火时变形小, 适用于中小型冲模;<br/>HRC 热处理58℃～ 68℃。高炭高铬模具钢Cr12、<br/>Cr12MoV , 其优点为易淬透、稳定性高、具有高强<br/>度、抗压强度高及微变形小; 常用于冲击力大寿命高<br/>形状复杂的冲摸, 热处理HRC58℃～ 62℃。高炭中<br/>铬模具钢Cr6WV、Cr4W 2MoV , 虽其耐磨性、淬透<br/>性能稍差, 但因加入W、MOV 元素, 提高了钢的稳<br/>定性、综合力学性能, 适用于弯曲模; 热处理<br/>HRC58℃～ 62℃。Cr12MoVCr2M n2SiWMoV 钢,<br/>具有高淬透性能, 空冷硬度变形小; 是冲压模与拉伸<br/>模的常用材料; 热处理HRC58℃～ 62℃。YG 硬质<br/>合金, 是一种多相硬质合金材料, 硬质合金是一种性<br/>能介于陶瓷与高速钢之间的工具与结构材料, 其耐<br/>磨性、稳定性、综合力学性能、硬度都高; 可用于大批<br/>量寿命高的小型冲摸。其缺点加工性能差, 价格高。<br/>YE 钢结硬质合金, 钢结硬质合金用钢作粘结剂, 是<br/>0 2 内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2005 年第7 期　<br/>&copy; 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.<br/>不含钴的硬质合金, 采用粉末冶金法烧结制成, 是一<br/>种即具有合金钢的可加工性又具有硬质合金的高耐<br/>磨和高硬度的材料, 是一种长寿命的好冲压模具材<br/>料。<br/>3　塑料成型模具材料概述[4～ 8 ]<br/>塑料模具材料的要求, 材料高度纯洁, 组织均匀<br/>致密, 无网状及带状碳化物; 无孔洞疏松及白点等缺<br/>陷; 应具有良好的热加工工艺性能, 热处理变形少,<br/>尺寸稳定性好; 淬透性高, 热处理后应具有高的强韧<br/>性、高的硬度和耐磨性, 等向性能好; 在硬化状态下<br/>应具有良好的镜面抛光性(成型面表面粗糙度Ra≤<br/>0. 100Lm ) 及花纹图案蚀刻性; 预硬后应具有良好的<br/>切削加工性; 应具有良好的耐氟氯腐蚀性和一定的<br/>耐热性。<br/>3. 1　常用塑料成型模具材料<br/>冷挤压、渗碳淬硬钢20、20Cr、SM 1CrN i3, 正<br/>火、调质钢45、SM 45 、SM 48、SM 50、SM 53、SM 55,<br/>调质钢, 预硬化钢40Cr、SM 4Cr5MoSiV、<br/>SM 4Cr5MoSiV 1、SMCr12Mo1V 1, 预硬化钢(通用<br/>型) 3Cr2Mo、SM 3Cr2Mo, 预硬化钢(大型、精密复<br/>杂、镜面抛光) 3Cr2N iM nMo、SM 3Cr2N iMo、<br/>SM 3Cr2N i1Mo, 易切削时效硬化钢(高精密、复杂)<br/>SM 2CrN i3MoA l1S, 高碳高合金工具钢(高硬度、高<br/>耐磨) SMCr12Mo1V 1, 耐腐蚀钢2Cr13、2Cr13, 耐<br/>腐蚀钢, 高耐磨3Cr17Mo、SM 3Cr17Mo、4Cr13 、<br/>SM 4Cr13, 冷挤压、高耐腐蚀钢1Cr18N i9, 高碳工具<br/>钢T 10 ( A )、CrWM n、9SiCr、9M n2V ,<br/>5CrN iM nMoV SCa 钢, 属易切削预硬化精密塑料模<br/>具钢, 在预硬状态下(36～ 48HRC) , 具有良好的综<br/>合力学性能、耐磨性能、等向性能、切削性能和镜面<br/>抛光性能。<br/>3. 2　新型塑料成型模具材料<br/>大截面易切削预硬钢P20BSCa、P20Sre,<br/>P20BSCa 特别适合于大型或超大型塑料模具的使<br/>用, P20Sre 可满足大截面塑料模具钢的常规性能要<br/>求。5CrN iM nMoV SCa (5N iSCa) ; 大型塑料模具, 使<br/>用硬度: 35～ 45HRC。属易切削非调质微合金化钢<br/>FT , 生产成本低, 具有良好的强韧性和抛光性能。马<br/>氏体析出硬化型镜面塑料模具钢10N i3M nCuA lMo<br/>(PM S) 用于要求有高镜面的精密模具, 例如光学透<br/>明塑料镜片模具。马氏体时效析出硬化不锈钢<br/>0Cr16N i4Cu3N b (PCR) 用于高硬度、耐腐蚀的精密<br/>塑料模具。低镍马氏体时效钢06N i6CrMoV T iA l 用<br/>于精密复杂的塑料模具, 例如磁带盒及照相机模。<br/>M n- B 系中高碳空冷贝氏体钢空冷12 钢生产工艺<br/>简单、节能、成本低(因省去了淬火重新加热工序)、<br/>模具寿命长;M n- B- S- Ca 系中碳低合金易切削<br/>空冷贝氏体钢Y82 其特性与上述的空冷12 钢相<br/>似, 它在热成型后空冷, 再经中温回火, 获得硬度约<br/>40HRC 及良好的强韧性配合。如用于电视机壳模<br/>具, 含硫系易切削预硬钢Y55CrN iM nMoV (SM 1)、<br/>8Cr2M nWMoV S 具有高的强韧性、优良的镜面抛光<br/>性, 可渗氮, 用于高精度模具。4Cr5MoSiV S (H11+<br/>S) 钢属易切削预硬钢, 用于要求耐热耐磨的大中型<br/>塑料模; 3Cr2M nMo 钢(低硫) 通用型, 用于一般要<br/>求的中小型模具; 3Cr2N iM nMo 钢(低硫) 高级型,<br/>用于大型精密复杂长寿命模具; 3Cr2N iM nMoV 钢<br/>(超低硫+ Ca) 超级型, 用于特大型精密复杂长寿命<br/>的模具。新型有色合金有铸造锌基合金(4%A l-<br/>3%Cu- 0. 05%M g) , 制模后可在模具表面直接电<br/>镀硬铬, 制模周期短、成本低。用于型腔复杂的吹塑、<br/>吸塑模; 析出硬化型铜基合金(3. 5%～ 6. 0%T i, &lt;<br/>0. 2%N i) 经固溶处理后冷压成型, 再时效硬化。模<br/>具型腔质量好。<br/>4　结论与建议<br/>研制高性能、长寿命、高的性能价格比和高效的<br/>新型模具材料, 取代昂贵的进口钢材, 将会带来明显<br/>的技术效果和经济效益。<br/>研制的一些新模具材料的性能和寿命已达到或<br/>接近国外先进水平, 但科技成果转化为实用产品特<br/>别缓慢。因此, 建议积极开展新材料的信息交流, 尤<br/>其是科研人员与生产者的沟通。模具制造商也不能<br/>及时得到优质的模具材料。目前流通领域中的经、代<br/>销商又大都为非专业性的, 模具材料特别是特种材<br/>料的销售公司其规模和资金也都停留于较低水平的<br/>层次上。因此加强国内模具材料的供需沟通渠道。<br/>我国在模具钢超纯冶炼方面的使用还不够完<br/>善, 特别是目前市场上相当一部分来自小钢厂的模<br/>具钢。由于他们不具备精炼装备和技术, 所以就无法<br/>达到或生产出高品位的模具材料, 使得模具钢市场<br/>中的材料质量参差不齐。<br/>参考文献<br/>[1 ]　崔昆. 我国模具钢发展. 金属成型工艺, 1995 (4).<br/>[2 ] 　圻崔忠. 主编. 金属学与热处理. 机械工业出版社,<br/>1988.<br/>[3 ]　第一机械工业部技术情报所编, 冷挤压新工艺的应用,<br/>1976.<br/>[ 4 ]　殷志祥. 镜面塑料模具钢的研究与应用. 金属热处理,<br/>1992 (1).<br/>[ 5 ]　丁浩. 塑料工业实用手册(下册). 北京: 化学工业出版<br/>社, 1996.<br/>[6 ]　黄家平. 新型塑料模具专用钢SM 1、SM 2 介绍. 模具工<br/>业, 1987 (7).<br/>[7 ]　吴晓春. 易切削非调质塑料模具钢的组织与性能. 特殊<br/>钢, 1996 (1).<br/>[8 ]　吴晓春. 易切削系非调质塑料模具钢的加工性. 机械工<br/>程材料, 1996 (1).<br/>作者简介: 朱福顺, 男, 1976 年生, 辽宁交通高等专科学校助<br/>理讲师, 在读硕士研究生, 主要研究方向: 模具CAD&ouml;CAM。