我国模具材料与模具热处理研究进展

 五十年代，我国模具用钢全部因袭国外钢号。进入六十年代，为了糜费原材料和进步毛坯精度，少无切削工艺和精密成形技术有了迅速的展开，为了进步消费效率，采用了许多高效压力加工设备，锻锤逐步被压力机替代。原用模具钢的功能常不能满足服役条件对功能的高要求，影响了模具的运用寿命和压力加工新工艺新设备的推行使用。七十年代末，精密及大型工程塑料制品的运用日益普遍，对塑料模具用钢的需求量急剧添加，对塑料模具钢的功能也提出了新的要求，而我国事前尚无塑料模具公用钢。

 六十年代以来，在国度有关部委的支持下，中国科技义务者结合国情，开发出不少新模具钢，其中一些运用功能优良、工艺功能也比较好的新钢种遭到模具制造和运用单位的欢送。在此时期也引进了一些国外通用的钢号，其中有些钢号经过消费试用，获得良好的效果[1]。对一些运用效果较好的冷作模具钢和热作模具钢，有关部门还辨别组织了功能比照实验研讨，提出了选择和使用的建[2，3]议。为满足高耐磨、短命命模具的需求，五十年代末，我国硬质合金有了迅速的展开，同时也开发了多种钢结硬质合金，用做模具获得良好的效果。

 本文分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、硬质合金和钢结硬质合金、模具热处置、瞻望和建议六部份阐述。

 1冷作模具钢

 目前我国常用的冷作模具钢仍是低合金工具钢CrWMn和高碳高铬工具钢Cr12MoV及Cr12这些老的钢号。CrWMn钢有适当的淬透性和耐磨性，热处置变形小，但CrWMn钢锻后需较严峻地控制冷速，并采用适当的热处置，使碳化物呈均匀粗大的粒状，分布于基体上，否则易构成网状碳化物，招致模具在运用中的崩刃和开裂。高碳高铬工具钢有高的耐磨性，但其碳化物偏析较严重，招致变形的方向性和强韧性的降低。经过反复镦拨可在一定程度上改善其偏析程度。

 1981年，我国引入国际通用的高碳高铬工具钢D2(Cr12Mo1V1)。和Cr12MoV钢相比，D2钢的碳化物偏析较之Cr12MoV略有改善，强度与韧性稍有进步，D2钢制造的模具，其运用寿命亦有不同程度的进步[4]。高速钢（次要是W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V）有更高的耐磨性和强度，常用于制造模具，但其韧性不能满足复杂大型和受冲击负荷大的模具的需求。

 为了改善这类钢的强韧性，我国开发了一些新的冷作模具钢，如：

 1.1低合金冷作模具钢

 这类钢的次要特点是工艺性好，淬火温度低，热处置变形小，强韧性好，并具有适当的耐磨性。如GD(6CrMnNiMoVSi)、7CrSiMnMoV（简称CH）、DS钢等。GD钢用于制造易崩刃、断裂的冷冲模具有高的运用寿命[5]。CH钢的成分与日本的SX105V钢相反，是一种火焰淬火钢，常用于制做汽车等消费线上用的模具零件，火焰淬火时加热模具刃口切料面，硬化层下又有一个高韧性的基体做衬垫，从而使模具获得较高的运用寿命[3[。DS钢是一种冲击冷作模具钢，其冲击韧性显着优于常用的高韧性刀片用工具钢6CrW2Si[6]。

 1.2基体钢

 基体钢普通指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相反的钢。美国、日本在七十年代初即研讨过牌号为VascoMA、VascoMatrixI和MOD2的基体钢，相当于M2和M36高速钢的基体，但未失掉普遍的运用。我国研制了一些基体钢，如65Cr4W3Mo2VNb（简称65Nb）、65W8Cr4VTi（简称LM1）65Cr5Mo3W2VSiTi（简称LM2）钢等。这些基体钢的次要特点是其含碳量稍高于基体的含碳量，以添加一次碳化物量和进步耐磨性，还参加大批的强碳化物构成元素铌或钛，以构成比较波动的碳化物，阻止淬火加热时晶粒的长大并改善钢的工艺功能。这类基体钢已较普遍地用于制造冷挤压、厚板冷冲、冷镦等模具，特别适于难变形材料用的大型复杂模具，还可用做黑色金属的温热挤压模具[7]。

 1.3韧性较高的耐磨冷作模具钢

 为了改善Cr12型冷作模具钢的碳化物偏析，进步其韧性，并进一步添加钢的耐磨性，我国做了大批的研讨义务，开发出不少新的钢种，如LD[8]、ER5[9]和GM[10]钢等。在这些钢中，适当降低了铬含量以改善碳化物偏析，添加钨、钼和钒的含量以添加二次硬化的才能和进步耐磨性。与Cr12型冷作模具钢比较，这类钢的碳化物偏析有所改善，有较高的韧性。这类钢比Cr12型冷作模具钢有更好的耐磨性，因而制做的模具有更高的寿命，更适于高速冲床和多工位冲床的运用。

 2热作模具钢

 我国常用的热作模具钢为5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V钢。

 5CrNiMo钢次要用做大中型锻模。但其淬透性不够高，回火波动性也不高，其功能不能满足大截面锻模对功能的要求。3Cr2W8V钢普遍用做黑色和有色金属热挤压模和Cu、Al合金的压铸模。这种钢的热波动性高，运用温度达650?C，但钨系热作模具钢的导热性低、冷热疲劳性差。

 我国在八十年代初引进国外通用的铬系热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1)，H13钢有良好的冷热疲劳性，在运用温度不跨越600?C时，替代3Cr2W8V钢，模具寿命有大幅度进步，因而H13钢迅速失掉推行使用，其产量已跨越3Cr2W8V钢。

 为顺应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热波动性方面更高的要求，我国研制了不少的新热作模具钢，次要有：

 2.1热锻模具钢

 国际在八十年代，针对5CrNiMo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的需求和运用温度不跨越500?C的成绩，对国际外用钢做过大批的分析比照和研讨。研讨义务标明，国外同类钢5CrNiMoV中的Cr、Ni、Mo含量均高于国产5CrNiMo钢，并含有大批的V，因而其淬透性和回火波动性均高于国产5CrNiMo钢，并建议选用5CrNiMoV钢，用于制做大型、复杂的重载荷锤锻模[11]。

 国际还开发了大截面热锻模具钢5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi钢，已获得较普遍的使用[1]。与5CrNiMo钢相比，这些钢中的碳含量稍低，进步了Cr和Mo的含量并参加适当的V和Si，因之有高的淬透性和热波动性。45Cr2NiMoVSi钢中的碳和硅，较之5Cr2NiMoVSi钢，稍有降低，更适合于做锤锻模。这种钢用于制造4000t以上机械压力机锻模和3t以上锻锤模，运用寿命较5CrNiMo和5CrNiMoV进步0.5~1.5倍。3Cr2MoWVNi钢也是我国开发的一种热锻模用钢，有高的运用寿命[11]。

 2.2热挤压用模具钢

 H13已是国际外普遍运用的热作模具钢，在运用温度不跨越600?C时，有良好的冷热疲劳功能，用做热挤压模和铝合金压铸模，有比较高的运用寿命。但H13钢有较大的尺寸效应，国外采用炉外精练、低温分散退火、等向锻造等工艺，以改善其尺寸效应，减小Cr和Mo的成分偏析，国际多采用电渣重熔等工艺。

 我国研制了许多强韧性好、热波动性高的热挤压用热作模具钢。一些钢是在国外钼系3Cr3Mo3V钢和铬系H13钢的根底上展开起来，并在合金化方面有一定特征，如HMI(3Cr3Mo3W2V)、TM(4Cr3Mo2WMnVNb)、Y4(4Cr3Mo2MnVB)、Y10(4Cr5Mo2SiV1)、HD2(4Cr3Mo2VNiNbB)、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)等钢。这些钢在坚持较好的强韧性条件下，具有高的其热波动性，辨别用于制做热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等，有良好的运用效果[3，12]。

 我国有关部门曾组织一些研讨单位和运用单位，选择了27种国际外使用和新研制成功的热作模具钢，对其根本力学功能、工艺功能和运用功能中止测试和比照，并提出了各类热作模具的选材原则[2]。

 3塑料模具钢

 塑料成形用模具产值已在模具工业总产值中占首位。中国过来无公用塑料模具用钢。近年在引进国外塑料模具用钢的同时，自行研制和开发出一些新的塑料模具公用钢。

 3.1预硬型塑料模具钢

 这类钢在钢厂经过充分锻打后制成模块，事后热处置至要求的硬度（普通预硬至30~35RHC）后，供运用单位制模。P20（即3Cr2Mo）是国外运用最普遍的预硬塑料模具钢，已列入我国合金工具钢标准，八十年代以来已在我国一些工厂普遍采用。718是瑞典消费的改型P20钢，较P20有更高的淬透性，调质后可在大截面尺寸坚持硬度均匀分歧，亦在我国失掉较普遍地运用。

 3.2易切削预硬钢[13]

 为了改善预硬塑料模具钢的被切削功能，可参加易切削元素。美国、日本、德国都展开了一些易切削预硬钢。国外易切削预硬钢次要是S系，也有S-Se系、Ca系。但Se价钱较贵。S系易切削钢的各向异性较大，在截面增大时，硫化物的偏析比较严重。

 我国研制了一些含硫易切削预硬塑料模具钢，如8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）和S-Ca复合易切削塑料模具钢5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）。5NiSCa钢采用了S-Ca复合易切削系和放射冶金技术，改善了硫化物的外形、分布和钢的各向异性,在大截面中硫化物的分布仍比较均匀。5NiSCa钢有高的淬透性和镜面抛光性，模具硬度为35~45HRC时，可顺利中止各种加工。

 3.3非调质塑料模具钢

 这种钢不经调度处置，锻、轧后可抵达预硬硬度，有利于糜费动力、降低本钱、延伸消费周期。我国开发的这类钢有：中碳锰硼系空冷贝氏体钢、可用于制造塑料模和橡胶模；非调质塑料模具钢2Mn2CrVTiSCaRe(FT),钢中参加S、Ca、Re做为易切削元素，比S-Ca复合系易切削钢有更好的切削功能[13]；低碳MnMoVB系非调质贝氏体型大截面塑料模具钢（B30），钢中参加S、Ca作为易切削元素，工业试消费标明400mm厚板坯热轧后空冷，硬度沿截面分布较均匀[14]。

 3.4时效硬化钢

 我国开发了几种低镍时效硬化钢，这些钢经调质后中止机械加工，再经时效，经过析出金属间化合物进步硬度，热处置后变形很小。时效硬化钢适于制造高精度塑料模具、通明塑料用模具等。

 这类钢有25CrNi3MoAl[3]、10Ni3Mn2AlCu（PMS）[15]]和06Ni6CrMoVTiAl[11]等钢。这些钢经调质后，硬度为20~30HRC，可中止机械加工，再经时效，硬度可达38~42HRC、。

 3.5耐蚀塑料模具钢

 塑料制品在以化学性腐蚀塑料为原料时，模具需具有防腐蚀功能，普通采用耐蚀钢制造模具，此时还要求有较好的耐磨性。常用的钢种为4Cr13(420)、9Cr18、17-4PH。PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)是我国开发的一种耐蚀塑料模具钢，有较好的综合力学功能良好的抗蚀性[3]。

 4硬质合金和钢结硬质合金

 硬质合金是用粉末冶金办法制造的一类复合材料。硬质合金的硬度很高、耐磨性好，有高的弹性模量和高的运用义务温度。用于制造某些模具，模具运用寿命可进步数倍、数十倍以上。但硬质合金较脆，抗弯强度和韧性较差，且不能中止机械加工。硬质合金作为模具材料，次要用于拉丝模具、受冲击力不大的冷挤和冷冲模具等。目前,我国已可消费各类牌号的硬质合金，根本上可以满足国际市场的需要。

 为了满足制造集成电路板钻孔用的微型钻头、计算机用的点阵打印针、精密工模具等的需求，近年来，各国都研制出一些微晶（WC晶粒小于1微米）和超细晶粒硬质合金（WC晶粒小于0.6微米）,传统的硬质合金中，WC晶粒尺寸为1.3～1.5微米。超细晶粒硬质合金补偿了常规硬质合金的许多缺乏，扩展了其使用范围，在制造耐磨耐冲击工模等方面获得了良好的效果。我国一些研讨单位和硬质合金厂已研制出多种牌号的微晶硬质合金和超细晶粒硬质合金[16，17]。开发高功能超细晶粒硬质合金目前仍是硬质合金研讨的热点。

 钢结硬质合金是以碳化物为硬质相，钢作粘接相构成的复合材料。钢结硬质合金有良好的耐磨性，其强度和韧性普通高于硬质合金，并具有可热处置性、可切削加工性、可锻性和可焊性这样一些工艺功能。模具是钢结硬质合金的次要使用范畴。我国于60年代开端研制这种材料，已研制成多种牌号的钢结硬质合金，用作模具的钢结硬质合金，硬质相次要用TiC和WC，钢的基体次要采用低合金铬钼钢、中高合金工具钢或高速钢，如TiC系的GT35、R5、D1、T1和WC系的TLMW50、GW50、GJW50。钢结硬质合金已用于制作冷镦模、挤压模、拉伸模、冲裁摸、拉丝模、热镦模等[11，18]。

 粉末冶金技术的展开和热等静压的使用，招致七十年代无偏析粉末高速钢的消费和运用，其次要特点是强韧性、可磨削性、等向性、热处置工艺性都优于普通高速钢，并有比较高的运用寿命。当前用此技术消费常规工艺无法消费的高碳高钒高耐磨冷模具钢，这类钢有较好的切削加工性和磨削功能，并有较好的韧性，制成的模具运用寿命与一些硬质合金相近。国外已消费多种牌号的粉末冶金高耐磨冷模具钢，国际尚少研讨[11]。

 5模具热处置

 模具制造的本钱高，特别是一些精密复杂的冷冲模、塑料模、压铸模等。采用热处置技术进步模具的运用功能，可以大幅度进步模具寿命，有显着的经济效益，我国模具技术义务者非常注重模具热处置技术的展开。

 5.1真空热处置[19，20]

 模具钢经真空热处置后有良好的表面形态，变形小。与大气下的淬火比较，真空油淬后模具表面硬化比较均匀，而且略高一些，次要缘由是真空加热时，模具钢表面呈活性形态，不脱碳，不发作障碍冷却的氧化膜。在真空下加热，钢的表面有脱气效果，因而具有较高的力学功能，炉内真空度越高，抗弯强度越高。真空淬火后，钢的断裂韧性有所进步，模具寿命比常规工艺普遍进步40%~400%，甚至更高。冷作模具真空淬火技术已失掉较普遍的运用。

 5.2深冷处置[21]

 近年来的研讨义务标明，模具钢经深冷处置（-196℃），可以进步其力学性能，一些模具经深冷处置后显着进步了运用寿命。模具钢的深冷可以在淬火和回火工序之间中止，也可在淬火回火之后中止深冷处置。假如在淬火、回火后钢中仍保存有剩余奥氏体，则在深冷处置后仍需求再中止一次回火。深冷处置能进步钢的耐磨性和抗回火稳定性。深冷处置不只用于冷作模具，也可用于热作模具和硬质合金。深冷处置技术已越来越遭到模具热处置义务者的关注，已开发出公用深冷处置设备。不同钢种在深冷进程中的组织变化及其微观机制及其对力学功能的影响，尚需进一步研讨。

 5.3模具的低温淬火和降温淬火[22]

 一些热作模具钢，如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等，采用高于常规淬火温度加热淬火，可以添加钢中碳化物的数量、改善其外形和分布，使固溶于奥氏体中碳的分布均匀化，淬火后可在钢中获得更多的板条马氏体，进步其断裂韧性和冷热疲劳抗力，从而延伸模具运用寿命。例如3Cr2W8V钢制的一种热挤压模具，常规淬火温度为1080~1120℃，回火温度为560~580℃。当淬火温度进步至1200℃，回火温度为680℃（2次），模具寿命进步了数倍。

 W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速钢和Cr12MoV等高合金冷作模具钢，可适当降低其淬火温度，以改善其塑韧性，添加脆性开裂倾向，从而进步模具寿命。例如W6Mo5Cr4V2的淬火温度可选用1140~1160℃。

 5.4化学热处置[23，24]

 化学热处置能无效地进步模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化性等功能。几乎一切的化学热处置工艺均可用于模具钢的表面处置。

 研讨义务标明，高碳及低合金工具钢和中高碳高合金钢均可中止渗碳或碳氮共渗。高碳低合金钢渗碳或碳氮共渗时，应尽可以选取较低的加热温度和较短的保温工夫，此时可保证表层有较多的未溶碳化物中心，渗碳和碳氮共渗后，表层碳化物呈颗粒状，碳化物总体积也有分明添加，可以增加钢的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb钢制模具中止渗碳以及65Nb钢制模具真空渗碳后，模具的寿命均有显着进步。

 采用500~650℃低温回火的合金钢模具，均可在低于回火温度的范围内或在回火的同时中止表面渗氮或氮碳共渗。

 渗氮工艺目前多采用离子渗氮、高频渗氮等工艺。离子渗氮可以延伸渗氮工夫，并可获得高质量的渗层。离子渗氮可以进步压铸模的抗蚀性、耐磨性、抗热疲劳性和抗粘附功能。

 氮碳共渗可在气体介质或液体介质中中止，渗层脆性小，共渗工夫比渗氮工夫大为延伸。压铸模、热挤压模经氮碳共渗后可显着进步其热疲劳功能。氮碳共渗对冷镦模、冷挤压模、冷冲模、拉伸模等均有很好的使用效果。

 冷作模具和热作模具还可以中止硫氮或硫氮碳共渗。近年许多研讨义务都标明稀土有分明的催渗效果，从而展开了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。

 5.5渗硼和渗金属[23，24，25]

 渗硼可以是固体渗硼、液体渗硼和膏剂渗硼等，使用最多的是固体渗硼，市场上已有固体渗硼剂供给。固体渗硼后，表层的硬度高达1400`2800HV，耐磨性高，耐腐蚀性和抗氧化功能都较好。

 渗硼工艺常用于各种冷作模具上，由于耐磨性的进步，模具寿命可进步数倍或十余倍。采用中碳钢渗硼有时可取代高合金钢制作模具。渗硼也可使用于热作模具，如热挤压模等。

 渗硼层较脆，分散层比较薄，对渗层的支撑力弱，为此，可采用硼氮共渗或硼碳氮共渗，以加强过渡区，使其硬度变化峻峭。为改善渗硼层脆性，可采用硼钒、硼铝共渗。

 渗金属包括渗铬、渗钒、渗钛等工艺均可用于处置冷作和热作模具，其中TD法（熔盐渗金属）已失掉一些使用，可使模具寿命进步几倍乃至十几倍。

 5.6气相堆积[23，25]

 气相沉积按构成的根本原理，分为物理气相堆积(PVD)和化学气相堆积(CVD)。

 PVD分为真空蒸镀、溅射镀和离子镀。离子镀是蒸镀和溅射镀相结合的技术，离子镀膜具有粘着力强、均镀才能好、被镀基体材料和镀层材料可以普遍搭配等优点，因而获得较普遍的使用。近年来多弧离子镀遭到人们的注重。目前在模具上使用较多的是离子镀TiN，这种膜不只硬度高而且膜的韧性好、结合力强、耐低温。在TiN根底上展开起来的多元膜，如(TiAl)N、(TiCr)N等，功能优于TiN，是一类更有出路的新型薄膜。

 CVD是用化学办法使反响气体在根底材料表面发作化学反应构成掩盖层（TiC、TiN）的办法。CVD有多种办法。通常，CVD的反响温度在900℃以上，覆层硬度抵达2000HV以上，但高的温度容易使工件变形，堆积层界面易发作反响。展开趋向是降低温度，开发新的涂层成分。例如，金属无机化合物CVD(MOCVD)，激光CVD(LCVD)，等离子CVD(PCVD)等。

 5.7高能束热处置[26]

 高能束热处置的热源通常是指激光、电子束、离子束等。它们共同的特征是：供给材料表面功率密度至多103W/㎝2。它们的共同特点是：加热速度快，加热面积可根据需求选择，工件变形小，不需求冷却介质，处置环境清洁，可控功能好，便于完成自动化处置。国际外对高能束热处置的原理、工艺等均投入较多的研讨，比较成熟的是激光相变硬化、小尺寸电子束处置和中等功率的离子注入，并在进步模具寿命方面获得了使用。

 6瞻望和建议

 可以以为，我国已树立了较完好的模具用材系列，其中一些模具材料的功能优良，抵达国际先进程度。我国模具热处置的研讨开发亦可与国际同步，一些新的模具热处置技术在不同程度上失掉推行和使用。

 针对存在的成绩，对今后我国模具用材料和模具热处置技术的展开，提出如下建议：

 6.1加速模具钢消费的制品化、精料化和模具钢经销的商品化。

 我国每年模具用钢跨越20万吨，且逐年增长。近年，国外模具钢的出口量，约占模具钢需求量的1/3，呈逐步添加趋向。次要成绩是我国模具钢的品种规格较少，模具钢消费的制品化、精料化和经销的商品化程度低。在一些工业兴隆国度，冶金企业供给经机加工的模具钢制品已达50~60%，而中国80%以上的模具钢仍以黑皮圆棒供货。越来越多的模具制造厂点要求在模具设计完成后，模具钢供给厂商能迅速提供所需钢材，添加库存钢材数量，延伸制模周期。中国钢材消费企业尚不顺应这一商品市场机制，这是出口模具钢材在中国日益扩展的重要缘由。

 6.2大力推行使用功能优秀的新型模具钢不时完善模具钢钢种系列

 我国已开发出不少有一定特征的新型模具钢，其中一些钢的功能优良，抵达或跨越国外同类钢的程度。但这些新钢的推行数量和使用范围不够大，次要缘由是由于中国模具钢的消费尚未走制品化、精料化的路途而经销方式不顺应商品市场的要求，处理了这些成绩，这些功能良好的新型模具钢有广大的推行前景，将会发作宏大的经济效益。

 中国已经有了较完好的模具钢系列，尚需不时进步其质量，扩展使用，在使用中进一步存优去劣。同时，有选择地开发先进模具钢，完善中国的模具钢系列，例如开发粉末冶金模具钢，多元易切削系塑料模具钢，树立玻璃、陶瓷，耐火砖和地砖等成形模具用钢系列等

 6.3进一步进步模具钢的质量

 我国某些特殊钢厂已采用新的冶金设备和工艺消费模具钢，如炉外精炼、真空冶炼、快锻机和精锻机等，一些模具钢的质量有大幅度进步，如D2、P20等钢已批量出口，出口产品的质量可以抵达国际先进程度。工业兴隆国度不断在努力进步模具钢的纯洁度、致密度、均匀性和质量波动性。国外有的企业规则在高纯度模具钢中[O]?10ppm，[H]?2ppm，S?50ppm，由于钢的纯洁度的进一步进步可以显着进步钢的韧性和疲劳功能。对大型模具还必需采用真空除气、低温分散退火，添加合金元素的偏析，并运用等向锻选工艺，提初等向性，使模具钢的横向和厚向的塑性和韧性抵达纵向的80~90%以上。我国还需求在这方面进一步展开义务。

 6.4加强先进模具热处置技术的推行与使用[28]

 模具的可控氛围热处置与真空热处置应进一步失掉展开、推行和使用。一些行之有效的模具表面热处置技术，应完善其工艺，加强其推行和使用。进步配备和工艺材料的制造程度，加强热处置专业厂的建立。

来源:机械专家网