我国模具材料与模具热处理研究进展(1) -ag尊龙app

 五十年代，我国模具用钢全部因袭国外钢号。进入六十年代，为了节约原材料和提高毛坯ag尊龙app-kb88凯时官网登录，少无切削工艺和精密成形技术有了迅速的发展，为了提高生产效率，采用了许多高效压力加工设备，锻锤逐渐被压力机。原用模具钢的性能常不能满足服役条件对性能的高要求，影响了模具的使用寿命和压力加工新工艺新设备的推广应用。七十年代末，精密及大型工程塑料制品的使用日益广泛，对塑料模具用钢的需求量急剧增加，对塑料模具钢的性能也提出了新的要求，而我国当时尚无塑料模具专用钢。

六十年代以来，在国家有关部委的支持下，中国科技工作者结合国情，开发出不少新模具钢，其中一些使用性能优异、工艺性能也比较好的新钢种受到ag尊龙app-kb88凯时官网登录制造和使用单位的欢迎。在此期间也引进了一些国外通用的钢号，其中有些钢号通过生产试用，取得良好的效果[1]。对一些使用效果较好的冷作模具钢和热作模具钢，有关部门还分别组织了性能对比试验研究，提出了选择和应用的建[2，3]议。为满足高耐磨、长寿命模具的需要，五十年代末，我国硬质合金有了迅速的发展，同时也开发了多种钢结硬质合金，用做模具取得良好的效果。

本文分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、和钢结、模具热处理、展望和建议六部份论述。

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，热处理变形小，但crwmn钢锻后需较严格地控制冷速，并采用适当的热处理，使碳化物呈均匀细小的粒状，分布于基体上，否则易形成网状碳化物，导致模具在使用中的和开裂。高碳高铬工具钢有高的耐磨性，但其碳化物偏析较严重，导致变形的方向性和强韧性的降低。通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，强度与韧性稍有提高，d2钢制作的模具，其使用寿命亦有不同程度的提高[4]。ag尊龙app-kb88凯时官网登录（主要是w6mo5cr4v2和w18cr4v）有更高的耐磨性和强度，常用于制作模具，但其韧性不能满足复杂大型和受冲击负荷大的模具的需要。

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

这类钢的主要特点是工艺性好，淬火温度低，热处理变形小，强韧性好，并具有适当的耐磨性。如gd(6crmnnimovsi)、7crsimnmov（简称ch）、ds钢等。gd钢用于制作易崩刃、断裂的冷冲模具有高的使用寿命[5]。ch钢的成分与日本的sx105v钢相同，是一种火焰淬火钢，常用于制做汽车等生产线上用的模具零件，ag尊龙app-kb88凯时官网登录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使用寿命[3[。ds钢是一种冲击冷作模具钢，其冲击韧性显著优于常用的高韧性刀片用工具钢6crw2si[6]。

1.2 基体钢

基体钢一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢。美国、日本在七十年代初即研究过牌号为vasco ma、vasco matrix i和mod2的基体钢，相当于m2和m36高速钢的基体，但未得到广泛的使用。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。 这些基体钢的主要特点是其含碳量稍高于基体的含碳量，以增加一次碳化物量和提高耐磨性，还加入少量的ag尊龙app-kb88凯时官网登录形成元素铌或钛，以形成比较稳定的碳化物，阻止淬火加热时晶粒的长大并改善钢的工艺性能。这类基体钢已较广泛地用于制作冷挤压、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，提高其韧性，并进一步增加钢的耐磨性，我国做了大量的研究工作，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，增加钨、钼和钒的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性。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ag尊龙app-kb88凯时官网登录，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使用。

2 热作模具钢

我国常用的热作模具钢为5crmnmo、5crnimo和3cr2w8v钢。

5crnimo钢主要用做大中型锻模。但其淬透性不够高，回火稳定性也不高，其性能不能满足大截面锻模对性能的要求。3cr2w8v钢广泛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ag尊龙app-kb88凯时官网登录，使用温度达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，在使用温度不超过600c时，代替3cr2w8v钢，模具寿命有大幅度提高，因此h13钢迅速得到推广应用，其产量已超过3cr2w8v钢。

为适应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热稳定性方面更高的要求，我国研制了不少的新热作模具钢，主要有：

2.1热锻模具钢

国内在八十年代，针对5crnimo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的需要和使用温度不超过500c的问题，对国内外用钢做过大量的分析对比和研究。研究工作表明，国外同类钢5crnimov中的cr、ni、mo含量均高于国产5crnimo钢，并含有少量的v，因而其淬透性和回火稳定性均高于国产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]。

国内还开发了大截面热锻模具钢5cr2nimovsi和45cr2nimovsi钢，已获得较广泛的应用[1]。与5crnimo钢相比，这些ag尊龙app-kb88凯时官网登录的碳含量稍低，提高了cr和mo的含量并加入适当的v和si，因之有高的淬透性和热稳定性。45cr2nimovsi钢中的碳和硅，较之5cr2nimovsi钢，稍有降低，更适宜于做锤锻模。这种钢用于制造4000t以上机械压力机锻模和3t以上锻锤模，使用寿命较5crnimo和5crnimov提高0.5~1.5倍。3cr2mowvni钢也是我国开发的一种热锻模用钢，有高的使用寿命[11]。

2.2 热挤压用模具钢

h13已是国内外广泛使用的热作模具钢，在使用温度不超过600c时，有良好的冷热疲劳性能，用做热挤压模和铝合金压铸模，有比较高的使用寿命。但h13钢有较大的尺寸效应， 国外采用炉外精练、高温扩散退火、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，国内多采用电渣重熔等工艺。

我国研制了许多强韧性好、热稳定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钢的基础上发展起来，并在合金化方面有一定特色，如hmi(3cr3mo3w2v)、 tm(4cr3mo2wmnvnb) 、y4(4cr3mo2mnvb)、y10(4cr5mo2siv1)、hd2(4cr3mo2vninbb)、012al(5cr4mo3simnval) 等钢。这些钢在保持较好的强韧性条件下，具有高的其热稳定性，分别用于制做热挤压模、精锻模、ag尊龙app-kb88凯时官网登录压铸模等，有良好的使用效果[3，12]。

我国有关部门曾组织一些研究单位和使用单位，选择了27种国内外应用和新研制成功的热作模具钢，对其基本力学性能、工艺性能和使用性能进行测试和对比，并提出了各类热作模具的选材准则[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。 中国过去无专用塑料模具用钢。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专用钢。

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，预先热处理至要求的硬度（一般预硬至30~35rhc）后，供使用单位制模。 p20（即3cr2mo）是国外使用最广泛的预硬塑料模具钢，已列入我国ag尊龙app-kb88凯时官网登录钢标准，八十年代以来已在我国一些工厂广泛采用。718是瑞典生产的改型p20钢，较p20有更高的淬透性，调质后可在大截面尺寸保持硬度均匀一致，亦在我国得到较广泛地使用。

3.2 易切削预硬钢[13]

为了改善预硬塑料模具钢的被切削性能，可加入易切削元素。美国、日本、德国都发展了一些易切削预硬钢。国外易切削预硬钢主要是s系，也有s-se系、ca系。但se价格较贵。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复合易切削系和喷射冶金技术，改善了硫化物的形态、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，可顺利进行各种加工。