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我模具材料与模具热处理研究进展

2019-01-03 1102

  五十年代,我模具用钢部因袭外钢号。进入六十年代,为了节约原材料和提高毛坯精度,少无切削工艺和精密成形技术有了迅速的发展,为了提高生产率,采用了许多高压力加工设备,锻锤逐渐被压力机替代。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,而我当时尚无塑料模具用钢。
  六十年代以来,在有关部委的支持下,中科技工作者结合情,开发出不少新模具钢,其中些使用性能优异、工艺性能也比较好的新钢种受到模具制造和使用单位的欢迎。在此期间也引进了些外通用的钢号,其中有些钢号通过生产试用,取得良好的果[1]。对些使用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、模具热处理、展望和建议六部份论述。

  1冷作模具钢
  目前我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,导致变形的方向性和强韧性的降低。通过反复镦拨可在定程度上改善其偏析程度。
  1981年,我引入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]。高速钢(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,我开发了些新的冷作模具钢,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,是种火焰淬火钢,常用于制做汽车等生产线上用的模具零件,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、日本在七十年代初即研究过号为VascoMA、VascoMatrixI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。我研制了些基体钢,如65Cr4W3Mo2VNb(简称65Nb)、65W8Cr4VTi(简称LM1)65Cr5Mo3W2VSiTi(简称LM2)钢等。这些基体钢的主要点是其含碳量稍高于基体的含碳量,以增加次碳化物量和提高耐磨性,还加入少量的强碳化物形成元素铌或钛,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,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,并进步增加钢的耐磨性,我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使用。
  2热作模具钢
  我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。这种钢的热稳定性高,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。
  我在八十年代初引进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,我研制了不少的新热作模具钢,主要有:
  2.1热锻模具钢
  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,对内外用钢做过大量的分析对比和研究。研究工作表明,外同类钢5CrNiMoV中的Cr、Ni、Mo含量均高于产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]。
  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,这些钢中的碳含量稍低,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钢也是我开发的种热锻模用钢,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。

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