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國內模具新鋼種的研發
發布日期：2011-02-16 11:34
隨著少無切削和精密成形技術在我國的快速發展，對模具材料的性能要求越來越高，一些五十年代以來長期沿用的老鋼種已不能完全滿足要求。為此，國內一些大學、研究所、鋼廠和模具使用單位相繼開發了許多具有優良性能的模具鋼，使國內模具的使用壽命得到了很大提高，并使我國模具鋼的鋼種系列逐漸得到了補充和完善。
1． 冷作模具鋼的開發情況
對冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性，足夠的強度和韌性，高的疲勞壽命，良好的抗擦傷和咬合性能以及良好的工藝性能。九十年代以前，國內常用的冷作模具鋼有：碳素工具鋼T1OA，合金工具鋼9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si；高速工具鋼 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2；軸承鋼GCr15；彈簧鋼60Si2Mn，滲碳鋼20Cr、12CrNi3A；不銹鋼3Crl3等。其中用量最大的是 C r12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和 W18Cr4V。為滿足生產要求，國內先后研究開發了一系列新型冷作模具鋼。
1．1高強韌耐磨鋼
Cr12系列冷作模具鋼是較廣泛采用的鋼種系列，具有良好的淬透性和耐磨性，但共晶碳化物偏析較嚴重，韌性較差，淬火后異常變形較大。為彌補此類鋼的性能缺陷，國內先后開發了一些高強韌耐磨鋼，如7 Cr7Mo2V2Si(代號 L D)、Cr8WmoV3Si(代號 ER5)、9 Cr6W3Mo2V2 (代號 GM)、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等。與 Cr12、Cr12MoV相比，此類鋼的碳和鉻的含量較低，改善了碳化物不均性，提高了韌性；適當增加了 W、Mo、V等合金元素的含量，從而增強了二次硬化能力，提高了耐磨性。所以，此類鋼在具有良好的強韌性的同時，還有優良的耐磨性和較好的綜合性能，主要用于制造承受應力較大、要求高強韌性和耐磨損的各類冷作模具。
7Cr7Mo2V2Si，代號LD，最初是針對冷鐓模具而研制的。其碳含量低于 G．Steven推薦的’平衡碳’規律，使鋼在具有高硬度的同時，又具有較好的韌性；加入Cr、Mo、V元素，有利于二次硬化，保證鋼具有較高的硬度、強度和良好的耐磨性；加入一定量的 Si，以強化基體，提高回火穩定性。LD鋼常用的熱處理工藝是1100～1150℃ 淬火，530～570℃ 回火，回火后硬度 HRC57～63。1100℃淬火后的組織為細針馬氏體十殘留奧氏體十剩余碳化物，晶粒度10.5ç´š。 l100℃ 淬火、570℃回火后的組織為回火馬氏體十殘余碳化物。 LD鋼已被廣泛應用于制造冷鍛、冷沖、冷壓、冷彎等承受沖擊、彎曲應力較大，又要求耐磨損的各類冷作模具。
Cr8MoWV3Si，代號 ER5，在具有較高強韌性的同時，又具有突出好的耐磨性。該鋼在回火過程中彌散析出的特殊碳化物，是 ER5比 Crl2系鋼具有更高強韌性和耐磨性的重要原因。ER5鋼適用于制造承受沖擊力較大，沖擊速度較高的精密冷沖，重載冷沖以及要求高耐磨的其他冷作模具。
9Cr6W3Mo2V2，代號GM，也是以提高耐磨性為主要目的而研制的高耐磨冷作模具鋼。該鋼通過 Cr、 W、Mo、V等碳化物形成元素的合理配比，并根據’平衡碳’規律配碳，使鋼具有最佳的二次硬化能力及抗磨損能力，同時又保持了較高的強韌性和良好的冷熱加工性能，適用于制造沖裁、冷擠、冷鍛、冷剪、高強度螺栓滾絲輪等精密、高耐磨冷作模具。
1．2高速鋼基體鋼
高速鋼基體鋼具有相當于正常淬火高速工具鋼的基本成份．并允許鋼中保留5％左右的過剩碳化物，另外再適當增加或減少某些元素的含量。此類鋼有效地解決了高速鋼碳化物不均勻分布和韌性較差的問題，鋼的抗彎強度、韌性、塑性和疲勞抗力高于高速鋼，但耐磨性低于高速鋼，用于制造要求高強度和足夠韌性的冷擠壓、冷沖、冷鐓等模具。由于高速鋼基體鋼的紅硬性好，所以也用于制造熱作模具。國內研制的高速鋼基體鋼有：65Cr4W3Mo2VNb（簡稱65Nb）、60Cr4Mo3Ni2WV（代號CG-2）、5Cr4Mo3SiMnVA1（代號O12A1）、65W8Cr4VTi（代號LMI）、65Cr5Mo3W2VSiTi（代號LMZ）等。
65Cr4W3Mo2VNb，其基體成份相當于淬火后的W6Mo5Cr4V2鋼，但碳含量較一般基體鋼高，以增加碳化物量和提高耐磨性。加入0.2～0.35％ Nb，以提高鋼的強韌性和改善工藝性。65Nb用于制造冷擠壓、厚板冷沖、冷鐓等承受較大載荷的冷作模具，也可用于溫熱擠壓模具。
1．3低合金冷作模具鋼
國內開發的低合金冷作模具鋼中，有7CrSiMnMoV（代號CH）、
6CrMnNiMoVSi（代號GD）、 6CrMnNiMoVWSi（DS）、CrNiWMoV等。這些鋼的淬透性好，淬火溫度較低，熱處理變形小，價格低，具有較好的強度和韌性的配合，適用于制造精度復雜模具。
7CrSiMnMoV，代號CH，在820～1000℃淬火，可獲得HRC60以上的硬度，是一種空淬微變形鋼，可以火焰加熱空冷淬硬。該鋼的耐磨性盡管比Cr12MoV差，但比9Mn2V和T10A好；抗彎強度、抗壓強度和沖擊韌性都優于Cr12MoV和9Mn2V；熱處理后的變形量和常用的Cr12MoV、Cr2Mn2SiWMoV、Cr4W2MoV等鋼相當。 CH鋼具有良好的強韌性和良好的工藝性，可用于代替T10A、9Mn2V、CrWMn、GCr15、Cr12MoV等制造對強韌性要求較高的冷作模具，如沖孔凸模、中薄鋼板（2～5mm厚）的修邊落料模等。由于該鋼可以采用火焰加熱空冷淬硬，所以也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽車模具。 6CrMnNiMoVSi，代號GD，較CH鋼增加了0.85％左右的Ni，進一步強韌化了基體。該鋼的淬火溫度范圍較寬，淬透性好，也可火焰加熱空冷淬火，具有良好的強韌性。當用于制造易崩及斷裂的冷沖模具時，模具壽命較高。
． 4無磁高強度模具鋼
電子工業中的部分磁性元件需用無磁性的模具生產，7Mnl5Cr2A13V2WMo鋼的導磁系數很低，強度、耐磨性也良好，但切削加工比較困難。國內開發的無磁模具鋼有18Mn12Crl8NiN（代號A18）、8Mnl5Cr18（代號WCG）、50Mnl8Cr4WN（簡稱 50Mn）等。其中50Mn具有低磁導率（μ＜1.1H／m），較高強度和良好的加工性能，經1020～1070℃（水冷）固溶處理后，硬度HRC30左右。再經過590℃士10℃時效，硬度上升至HRC35左右。
2．熱作模具鋼的開發情況熱作模具大體分為熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模和沖裁模。5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V是熱作模具鋼中應用量仍然較大的鋼種。5CrNiMo主要用于厚度300～400mm的大中型鍛模，5CrMnMo適用于厚度在250mm以下的小型鍛模。但當用于更大截面或更高溫度時，這兩種鋼存在淬透性、熱穩定性、熱疲勞性及耐磨性不夠的問題。3Cr2W8V的高溫強度較高，但鋼的熱疲勞性較差，韌性也不高，用于壓鑄模具和鋁、銅合金熱擠壓模具時，模具的使用壽命都較低。國內在熱作模具方面先后開發了幾十種鋼。
2． l大截面熱鍛模具鋼為彌補5CrMnMo和5CrNiMo在較大截面和較高溫度時熱穩定性、熱疲勞性及淬透性不夠的缺陷，內開發了45Cr2NiMoVSi（簡稱45Cr2）、5Cr2NiMoVSi（簡稱5Cr2）、3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi（代號B2） 等大截面熱鍛模具鋼。與5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2中既含有較高的Cr和Mo，又加入了少量的V，使 CCT曲線上的高溫轉變區上移，低溫轉變區顯著右移，提高了鋼的淬透性。截面尺寸在500*500mm以下的模具經970-990℃淬火，650～680℃回火后，硬度可達HRC36-44。45Cr2和5Cr2還具有二次硬化能力，它們的高溫強度較5CrNiMo鋼高50％，熱穩定性高出100～150℃，沖擊韌性則相當。另外，鋼的熱磨損性、熱疲勞性及抗熱裂紋擴展的能力也強于5CrNiMo。這二種鋼用于12000t以下機械壓力機模具及16t以下模鍛模具，模具的使用壽命是5CrNiMo鋼制造的同種模具壽命的數倍。
2．2中小熱鍛模具鋼
中小熱鍛模具的表面溫度可達600℃以上，5CrMnMo和5CrNiMo的高溫性能顯然不能滿足要求。3Cr2WSV鋼的高溫強度較高，但韌性及熱疲勞性能較差。為此，國內較早開發了2Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2MnVB（代號ER8）等3％Cr-3％Mo和3％Cr-2％Mo型的中碳鉻系高強度熱作模具鋼，其中3Cr3Mo3VNb是根據形成合金碳化物所需的碳量對2Cr3Mo3VNb做進一步成份調整而來的。這二種鋼中加人了3％左右的Mo，既能提高鋼的淬透性和防止出現回火脆性，又能提高鋼的熱穩定性。加人V和Nb則可起到細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性作用。因此，鋼的淬透性高，淬火加熱溫度范圍寬，過熱敏感性低，具有高溫強度高、熱穩定性好、塑性韌性好、冷熱疲勞性能好、熱磨損性能好等優點，用于制造不銹鋼（2Crl3）等熱鍛模，軸承凹模和輥鍛模，都取得了良好的使用效果。
 
4Cr3Mo3W4VNb，代號GR，除Cr、Mo、V和Nb外，又加入了4％W，所以鋼的高溫強度和熱穩定性得到了進一步提高，是中碳鉻系熱作模具鋼中高溫強度較高，熱穩定性較好的鋼種。該鋼還具有良好的冷熱疲勞性能，該鋼適用于制造工作溫度600-700C℃的淺型腔中小鍛模，也可用于銅合金熱擠壓模具。
除以上 30Cr-30Mo型熱作模具鋼外，國內先后開發的5％Cr系中碳中合金熱作模具鋼已較大量用于熱鍛模具，如4Cr5MoVSi、 4Cr5MoV1Si等，其中4Cr5MoV1Si具有優異的韌性和良好的冷熱疲勞性能，適用于制造工作溫度在600℃以下，對韌性和塑性要求較高的模具。如用4Cr5MoV1Si代替5CrNiMo、 5CrMnMo制造汽車連桿、曲軸鍛模，模具的使用壽命得到了明顯提高；用于制造鋁合金壓鑄模具和鋁型材擠壓模具，模具的使用壽命較高。另外，該鋼還可作塑料模具鋼使用。目前，4Cr5MoV1Si鋼的優良性能已在國內得到了廣泛認可，應用量已較大。許多大學、研究院所和鋼廠不惜花重金對該鋼做研究和生產質量改進工作，并就此打出了自己的優質品牌。
2．3壓鑄模具鋼
在有色金屬壓鑄中，3Cr2W8V曾是應用廣泛的模具鋼，5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2Mo等中碳低合金鋼也作為鋁鋅合金壓鑄模具鋼使用。3Cr2W8V的冷熱疲勞性能較差，模具的使用壽命不高。國內為此先后開發了幾個新型模具鋼，如4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4）和4Cr5Mo2MnVSi（代號Y10）等。
4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4），最初就是針對銅合金壓鑄模具而研制的。該鋼通過合理的成份配比，使其在達到高的熱強性及熱穩定性的同時，又保持了良好的韌性和塑性，抗冷熱疲勞性能明顯優于3Cr2W8V，模具的使用壽命較3Cr2W8V制造的模具的使用壽命有明顯提高。該鋼也可用于制造熱擠壓和中小熱鍛模具。
4Cr5Mo2MnVSi（代號Y10），是針對鋁合金壓鑄模具而研制的，與3Cr2W8V鋼相比，該鋼具有抗冷熱疲勞性能好、熱處理變形小、抗鋁溶損性能好等優點，模具的使用壽命普遍比3Cr2W8V鋼制造的模具的使用壽命提高一倍以上。該鋼還可用于制造工作溫度在600℃以下的中小熱鍛等模具。
2．4銅、鋁型材熱擠壓模具鋼
銅合金熱擠壓模的穿孔針、底模等長時與高溫銅坯接觸，模具的使用工況較苛刻。用3Cr2W8V或4Cr5MoV1Si鋼制作此類模具，模具的使用壽命一直較低。國內曾試圖采用奧氏體熱作模具鋼來解決此類模具壽命低的問題，但因鋼的冷熱疲勞性能較差而仍未得到圓滿解決。在此背景下，國內有關大學、研究院所和鋼廠先后推出了可以提高此類模具使用壽命的鋼種，如4Cr3Mo2NiVNbB（代號 HD）、4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4）等。HD鋼較一般中碳3％Cr～2％Mo或3％Cr～3％Mo型熱作模具鋼又增加了1％左右的 Ni，進一步提高了鋼的韌性和塑性。在相同硬度（HRC43）下，其斷裂韌性比3Cr2W8V鋼高30％。用HD鋼制造的銅合金管材擠壓底模和穿孔針的使用壽命較3Cr2W8V鋼提高一倍左右，并在軸承環熱擠沖頭和凹模、汽門擠壓底模上也有成功應用的例子。用Y4鋼制造銅合金擠壓模底模和穿孔針頂頭，模具的使用壽命也比3Cr2W8V鋼制造的模具穩定地提高一倍以上。
鋁型材熱擠壓模平模和組合模對韌性的要求較高，4Cr5MoV1Si是首選的模具材料，已被大量推廣應用。
2．5高溫玻璃模具鋼玻璃制品模具要求模具材料具有優良的抗高溫氧化性能和冷熱疲勞性能，良好的耐芒硝腐蝕性能，足夠高的強度，良好的拋光性能，并要易于脫模。此類模具常用鑄鐵、合金鑄鐵或3Crl3不銹鋼制造，鋼的性能遠滿足不了實際需要。為此，國內開發了代號為GY的高溫玻璃模具鋼。該鋼是Si-Cr-Mo系預硬鋼，具有良好的冷熱疲勞性能，優異的抗氧化性能，優良的抗熱觸性能和較高的玻璃粘附溫度。該鋼在預硬后（HRC35左右）加工，加工性能良好，尤其適用于制造玻璃熔化或成型溫度較高、表面質量要求高的玻璃制品模具。
3．塑料模具鋼的開發情況
塑料模具鋼是國內發展得較滯后，到目前為止仍未成完整系列的鋼種。在九十年代之前，國內常用的塑料模具鋼仍然是0.4～0.6％碳的碳素結構鋼，如45#和40Cr，另外再以T10A、Gcrl5、CrWMn、5CrNiMO、 5CrMnMo、Cr12、Crl2MoV等作補充。國內先后開發了十余種新型塑料模具鋼。
3．l預硬化型塑料模具鋼
為避免大、中型精密塑料模具熱處理后變形，保證模具的精度和使用性能，相繼研制開發了預硬化型塑料模具鋼。此類鋼一般是中碳低合金鋼，在調質（HRC3O-40）后切削加工成型，然后直接投入使用，主要用于制造復雜、精密和長壽命的大、中型塑料模具。
3Cr2Mo是國內較早開發的塑料模具鋼，與AISIP20相當，目前已在許多鋼廠生產。在使用時，一般先進行預硬處理，即先850～880℃淬火， 580～640℃回火，預硬至HRC28～35的硬度，然后再進行切削加工。該鋼適用于制造大、中型精密塑料模具，如電視機、洗衣機殼體等塑料模具，并已獲得較大量應用。另外，也可用于制造鋅合金壓鑄模具。除3Cr2Mo外，國內先后開發的5CrNiMnMoVSCa（簡稱5 NiSCa）、8Cr2MnWMoVS（簡稱8Cr2）、40CrMnVBSCa（簡稱P20BSCa）、Y55CrNiMnMoV（代號SM1）等是易切削型預硬塑料模具鋼，在這些鋼中加人了S、Ca、 Pb、Se等元素以改善預硬鋼的加工性能。如 5NiSCa鋼預硬硬度為HRC39時，磨削力比HRC25的40Cr的磨削力還小。此類鋼不僅適用于制造大、中型精密注塑模具，還可用于制造精密冷作模具。
3．2時效硬化型塑料模具鋼
根據制造高精度、復雜塑料模具的需要，國內先后開發的幾種時效硬化型塑料模具鋼，如10Ni3MnCuAl（代號PMS）、25CrNi3MoAl、Y20CrNi3AlMnMo（代號SM2）、 06Ni6CrMoVTiAl（簡稱06）等。此類鋼一般含較低的碳，含Ni、Al、Ti、Cu、MO等合金元素，在固溶后硬度較低（一般HRC ≤ 32），可以被較容易地切削加工，加工后再時效處理，以獲得所需要的使用性能。由于時效溫度低，時效后模具變形很小，所以適用于制造高精度、復雜的熱塑性模具。
10Ni3MnCuAl，代號PMS，經850士 20℃固溶后，硬度為 HRC30～33。經 500℃左右時效后，彌散析出硬化相Al3Ni，基體硬度隨之上升至HRC38～43。該鋼具有優良鏡面加工性能，模具表面粗糙度可達Ra0.05μm，適用于制造要求高鏡面、高精度的各種熱塑性塑料制品模具，如光學儀器：鏡片模具，磁帶內外殼和電話機、石英鐘、車輛燈具等塑料殼體模具。 Y20CrNi3AlMnMo，代號M2，含0.1％左右的S，切削加工性能得到了改善，是一種易切削型號時效硬化塑料模具鋼。
3．3耐蝕塑料模具鋼
當較大批量地生產聚氯乙稀、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品時，模具需耐氟、氯等鹵族元素氣體的腐蝕，為此需在模具表面鍍鉻或直接采用耐腐蝕鋼。
國內開發的耐腐蝕塑料模具鋼OCrl6Ni4Cu3Nb（代號PCR）屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，在1050℃固溶（空冷）后得到單一的板條馬氏體組織，硬度為HRC32～35，經480℃左右時效后，析出彌散強化相CuNi，硬度上升到HRC39～44。該鋼在含有氟、氯等離子的腐蝕性介質中的耐蝕性明顯優于17一4PH（OCrl7Ni4Cu4），適用于制造含氯、氟或混入阻燃劑的熱塑性塑料的注射模具。
3．4非調質塑料模具鋼
非調質鋼在鍛、軋后即可達到預硬，不需再進行調質處理。為改善切削加工性能，有些鋼中還添加了適量的 P、Så’Œ Ca。國內對非調質塑料模具鋼的開發較晚，25CrMnVTiSCaRE（代號FT）、2Cr2MnMoVSå’Œ2Mn2CrVCaS即是近幾年開發的新鋼種。鍛、軋空冷后，FT鋼Φ100mm圓鋼的硬度可以達到HRC30～35。
4．國內模具鋼開發與應用中存在或需要解決的主要問題
目前，我國模具新鋼種的推廣應用工作還存一些需要解決的問題：
（l）缺乏有關指導性強、實用的技術資料，給用戶合理選擇和使用新鋼種帶來了困難。
（2）除4Cr5MoV1Si、3Cr2Mo等個別鋼種已獲較大量應用外，一些性能優良的鋼種的生產和應用量仍太少。
（3）鋼的質量不夠穩定。直接影響了鋼的性能的發揮和新鋼種的推廣應用。不斷提高鋼的純凈度、致密度、均勻性和質量穩定性，仍是今后長期努力的方向。
（4）規格單一，絕大部分是黑皮圓鋼，用戶不得不另行改鍛。品種規格多樣化、產品精品化是今后需要盡快解決的問題之一。
（5）尚待開發具有特殊性能的鋼種，進一步完善鋼種系列，如開發粉末冶金模具鋼，補充完善塑料模具鋼系列，建立陶瓷、耐火磚、地磚等成形模具用鋼等。
（6）產銷渠道不暢通，用戶甚至不知道從何處購買所需的新鋼種。 
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