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我国冷作模具选材的趋向
 
发布时间:2011.01.21 新闻来源:www.discspringsource.cn 浏览次数:
 
The Trend of Material Selection for Cold 模具生产的单套性使模具工作者经常面临选材和选择强化处理工艺的任务。当前我国模具选材的主要问题是用老钢种多,用新钢种少;用常规热处理工艺多,用表面处理新技术少;加工后再热处理多,热处理后再加工少。由此造成模具平均寿命短(仅为国外的1/3),材料消耗多,制造废品率高。中国模协模具材料委员会于1997年4月推出《模具钢使用推荐表》以促使模具企业科学合理地选材,但对新钢种及其选用介绍欠详。为此,笔者试从理论与实践的结合上,就冷作模具(包括塑料模具)的选材和强化处理进行简要评述。

    1 冷冲裁模的选材

    1.1 轻载冲裁模

    轻载冲裁模以磨损失效为主,选材时主要依据是冲裁件的批量、硬度、精度及复杂程度等因素所要求的耐磨性和强韧性。如小批量生产可选用T8A、T10A钢,中批量生产可选用CrWMn、9Mn2V和GCr15钢,大批量生产可选用Cr12、Cr12MoV钢,特大批量生产可选用硬质合金Y15、Y20。

    上述钢种,尤其是CrWMn、Cr12型等钢的耐磨性较好,但由于碳化物偏析、马氏体脆性大等原因使其韧性差,疲劳抗力低,用作模具常因崩刃、脆断失效(占45%以上),寿命不高。防止脆断的途径有二,一是采用细化晶粒,细化碳化物,获得较多马氏体或下贝氏体的强韧化处理工艺;二是改用下列高强韧新型模具钢。

    (1)Cr5Mo1V(美国AISI A2)钢和Cr6WV钢。这两种钢与Cr12MoV钢相比降碳减铬,碳化物均匀程度改善,其耐磨性略低而韧性较高。它们用于制造大批生产用薄板、中厚板大型冲裁模,其寿命比用CrWMn、9Mn2V等钢成倍提高。一般采用950~980℃淬火、200~300℃回火处理工艺。

    (2)Cr12Mo1V1(美国AISI D2)钢。此钢是将Cr12MoV钢增加Mo、V含量至1%左右,可使莱氏体形貌改善,晶粒细化,从而使强韧性提高,耐磨性更好。用它替代Cr12MoV钢制造滚丝模、冲裁模可几倍地提高寿命。采用1000~1040℃油冷淬火或空冷淬火、200~220℃回火,硬度为60~61HRC,耐磨性好;若采用300~400℃回火,硬度为56~58HRC,强韧性高。
(3)6CrNiSiMnMoV(代号GD)钢。此钢以中高碳和多元少量合金化使碳化物细小均匀,钢材可不锻造。于870~930℃油冷淬火或空冷淬火,组织中有较多板条马氏体,强韧性很高,在(175~230)℃×2h回火,硬度为58~62HRC,变形小于CrWMn钢。它的各种冷热加工性能好,成本较低,适合中小厂使用,用于制造各种易崩刃、脆断的冷作模具,尤其适于细长凸模、大型复杂薄壁凸凹模、中厚板冲裁模及剪刀片等,其寿命比用CrWMn、GCr15和Cr12型等钢提高十几倍、几十倍。

    (4)7CrSiMnMoV(代号CH)钢。这是一种火焰淬火模具钢,成分与GD钢类似,因而也具有高强韧性和良好的各种工艺性能。它于820~1000℃淬火,硬度均在60HRC以上,变形小。它在900℃淬火、200℃回火后,强度和韧性均高于9Mn2V、CrWMn和Cr12MoV等钢。它适宜于火焰加热空冷淬火,可只淬模具刃口部分。因而简化制造工艺,周期短,成本低,且模具崩刃可焊补。可用于制造薄板冲裁模、整形模和切边模等。

    1.2 重载冲裁模

    重载冲裁模刃口更易磨损,同时易于崩刃、断裂,要求材料既有高耐磨性,又有高强韧性。以往,小批量软料中厚板冲裁模常选用T8A、9SiCr、60Si2Mn和6CrW2Si等钢,其韧性较好,但抗压强度和耐磨性不足;大批生产用重载冲裁模常以高速钢做凸模,以高碳高铬钢做凹模,其承载能力高,耐磨性好但韧性差,寿命并不高。现在趋于选用强韧性好且耐磨的新型模具钢,如GD、Cr5Mo1V、Cr12Mo1V1钢,以及下列新钢种。

    (1)5Cr4Mo3SiMnVAl(代号012Al)钢。此钢由钼高速钢淬火基体成分调整而得。加入Si、Mn以进一步强化基体,加入Al以细化晶粒。经1120℃淬火基本上是板条马氏体组织,未溶碳化物仅占2.3%,晶粒度10级。回火温度根据硬度要求选择,如560℃×2h回火两次,硬度为59~60HRC,有较高的断裂韧性和热疲劳强度,是一种冷热兼用模具钢。若再进行氮碳共渗等表面处理,可进一步提高耐磨性和使用寿命。
我国冷作模具选材的趋向The Trend of Material Selection for Cold(1)

    郑州工业高等专科学校 张鲁阳 电力在线

    

    (2)7Cr7Mo2V2Si(代号LD)钢。此钢的含碳量和合金度略高于012Al钢,且V量较高,既能保持强韧而又具有更高的抗压强度和耐磨性。它于1100~1150℃淬火、530~570℃回火两次,硬度为58~62HRC,变形小。调节回火温度可得到强韧性和耐磨性的不同配合。适于制造各种冷作模具,寿命均有显著提高。

    (3)9Cr6W3Mo2V(代号GM)钢。此钢成分配比合理,符合平衡碳规律,淬火基体中固溶合金元素多,未溶碳化物细小弥散,具有高强韧性、高耐磨性和二次硬化潜力。其淬火、回火温度范围宽,且调节温度可实现强韧性和耐磨性的良好配合。于1080℃油淬、540℃回火两次后,硬度为65HRC,抗弯强度不低于基体钢,硬度和耐磨性接近高速钢,各项性能指标均显著优于Cr12MoV钢。它的各种工艺性能良好。用GM钢制造的高速冲床多工位级进模、滚丝模和切边模等比用基体钢、Cr12MoV钢提高模具寿命2~6倍以上。

    (4)Cr8MoWV3Si(代号ER5)钢。此钢的含碳量和合金度比前几种钢有所增高。与Cr12MoV钢相比,C、Cr降低使碳化物细小均匀,Mo、W、V增高可提高二次硬化能力和耐磨性。因此ER5钢的强度、韧性和耐磨性均优于Cr12MoV钢,且各种工艺性能良好,成本适中。于1120~1150℃淬火、520~550℃回火3次,硬度为64~65HRC,调节工艺参数可调整强韧性和耐磨性的配合。ER5钢适于制造大型重载冲裁模、精密冲裁模和冷镦模。用它制造的电机硅钢片冲裁模,其寿命目前为同类模具之最。

    用各种高强韧性钢制造的模具,均可通过表面强化处理进一步大幅度提高寿命。用于冷冲裁模的表面处理工艺有氮碳共渗、渗硼、TD法渗钒、渗铬、气相沉积TiN或TiC、化学镀镍磷合金和电火花熔覆硬质合金等。
2.冷挤压模的选材

    冷挤压模承受很大的载荷和强烈的摩擦,要求凸模有足够的抗压、抗弯强度以防镦粗、折断;凹模要有足够的抗拉强度和疲劳抗力以防开裂;凸、凹模均要求高耐磨性以延长使用寿命。以往,小批挤压软料的模具,常用60Si2Mn钢做凸模、T10A钢做凹模;中批量生产用复杂模具,常选用CrWMn、9CrWMn等钢;大批生产用重载模具,常以Cr12MoV钢做凹模,以高速钢做凸模。

    除60Si2Mn钢外,上述钢种在使用中均表现出强韧性不足,凸模易折断,凹模易胀裂。现趋向于选用GD、012Al、LD、GM和ER5等新型高强韧模具钢,以及下列新钢种。

    (1)6W6Mo5Cr4V(代号6W6)钢。此钢系降碳高速钢,碳化物减少,分布均匀,强韧性增高。经1180~1200℃淬火、560~580℃回火3次,硬度为60~63HRC,强韧而又耐磨。主要用于取代高速钢和Cr12型钢制造冷挤凸模和冷镦冲头,寿命成倍提高。

    (2)6Cr4W3Mo2VNb(代号65Nb)钢。此钢系基体钢,加入少量Nb以细化晶粒,稳定碳化物,减少马氏体中碳量,从而进一步提高韧性。于1080~1180℃淬火、520~600℃回火,硬度为59~62HRC。调节温度可调整强韧性和耐磨性配合。适于制造形状复杂的有色金属冷挤压模,也可用于单位压力不超过2500MPa的钢挤压模。

    (3)6Cr4Mo3Ni2WV(代号CG2)钢。此钢系调整成分的基体钢,加Ni可进一步提高强韧性和热疲劳抗力。淬火温度1100~1140℃,用于冷挤模时可于520~560℃回火两次,硬度为59~62HRC;用于温挤、热挤模具时则于600~650℃回火两次,硬度为50~54HRC。

    (4)硬质合金YG15、YG20和钢结硬质合金GT35、TLMW50,其硬度高,耐磨,有一定韧性,寿命很高,但制造工艺复杂,成本高,只用于大量生产的场合。如反挤压钢件的批量不应小于105件,反挤压铝件的批量应在5×105件以上。

    钢制冷挤压模根据需要可进行表面强化处理。除前述表面处理工艺外,还可进行硼硫复合渗、硫氮碳共渗等,以改善表面摩擦性能,防止粘着磨损失效。

    3.冷镦模的选材

    冷镦模冲头和凹模的受力与冷挤压模类似,只是加荷速度大,冲击力的大小与坯料状况和冷镦机的工作特性有关。
2.冷挤压模的选材

    冷挤压模承受很大的载荷和强烈的摩擦,要求凸模有足够的抗压、抗弯强度以防镦粗、折断;凹模要有足够的抗拉强度和疲劳抗力以防开裂;凸、凹模均要求高耐磨性以延长使用寿命。以往,小批挤压软料的模具,常用60Si2Mn钢做凸模、T10A钢做凹模;中批量生产用复杂模具,常选用CrWMn、9CrWMn等钢;大批生产用重载模具,常以Cr12MoV钢做凹模,以高速钢做凸模。

    除60Si2Mn钢外,上述钢种在使用中均表现出强韧性不足,凸模易折断,凹模易胀裂。现趋向于选用GD、012Al、LD、GM和ER5等新型高强韧模具钢,以及下列新钢种。

    (1)6W6Mo5Cr4V(代号6W6)钢。此钢系降碳高速钢,碳化物减少,分布均匀,强韧性增高。经1180~1200℃淬火、560~580℃回火3次,硬度为60~63HRC,强韧而又耐磨。主要用于取代高速钢和Cr12型钢制造冷挤凸模和冷镦冲头,寿命成倍提高。

    (2)6Cr4W3Mo2VNb(代号65Nb)钢。此钢系基体钢,加入少量Nb以细化晶粒,稳定碳化物,减少马氏体中碳量,从而进一步提高韧性。于1080~1180℃淬火、520~600℃回火,硬度为59~62HRC。调节温度可调整强韧性和耐磨性配合。适于制造形状复杂的有色金属冷挤压模,也可用于单位压力不超过2500MPa的钢挤压模。

    (3)6Cr4Mo3Ni2WV(代号CG2)钢。此钢系调整成分的基体钢,加Ni可进一步提高强韧性和热疲劳抗力。淬火温度1100~1140℃,用于冷挤模时可于520~560℃回火两次,硬度为59~62HRC;用于温挤、热挤模具时则于600~650℃回火两次,硬度为50~54HRC。

    (4)硬质合金YG15、YG20和钢结硬质合金GT35、TLMW50,其硬度高,耐磨,有一定韧性,寿命很高,但制造工艺复杂,成本高,只用于大量生产的场合。如反挤压钢件的批量不应小于105件,反挤压铝件的批量应在5×105件以上。

    钢制冷挤压模根据需要可进行表面强化处理。除前述表面处理工艺外,还可进行硼硫复合渗、硫氮碳共渗等,以改善表面摩擦性能,防止粘着磨损失效。

    3.冷镦模的选材

    冷镦模冲头和凹模的受力与冷挤压模类似,只是加荷速度大,冲击力的大小与坯料状况和冷镦机的工作特性有关。
一般先冷压成型或切削加工成型,再进行热处理和精加工。尽管各种钢各有特点,但都难以同时满足使用性能、加工性能、尺寸精度和表面质量等多方面要求,这促使新型塑料模具专用钢的产生和发展。

    新型塑料模具钢主要分为两大类。一类属于易切削钢,它通过改善预硬调质后的切削加工性能来实现先热处理后加工,以保证模具精度要求;另一类属于时效硬化钢,它通过固溶处理→切削加工→时效硬化来解决模具硬度、精度与加工性能之间的矛盾。两类钢均可通过表面强化处理来达到整体强韧表面耐磨的要求。

    4.1一般预硬型塑料模具钢

    这类钢主要包括3Cr2Mo(美国AISI P20)、3Cr2NiMo(代号P4410)、4Cr2MnNiMo(代号718)等钢。它们含碳量不高,淬火温度约830~860℃,不同温度回火后硬度至28~36HRC时,仍有良好的切削加工性能。P4410和718钢的淬透性、强韧性相对较高,可分别用于截面厚度≥250mm和≥400mm的模具。均可采用渗氮或火焰淬火以提高表面硬度。

    4.2易切预硬型塑料模具钢

    这类钢包括①5NiSCa,②Y55CrNiMnMoV(SM1),③Y20CrNi3AlMnMo(SM2),④8Cr2MnWMoVS。它们均含S或Ca,调质硬度为36~45HRC时,切削性能与调质45钢相近。其热处理工艺为:钢①880~930℃油冷,550~680℃回火,硬度为30~45HRC;钢②830~850℃油冷,620~660℃回火,硬度为36~42HRC;钢③880~900℃油冷,500~520℃回火,硬度为40HRC;钢④860~900℃油冷或空冷,550~620℃回火,硬度为42~48HRC。钢①可镀Cr、Ni,其他3种钢除镀覆外还可渗氮。钢①的镜面抛光性能良好,适于制造透明塑料模具;钢④的硬度、耐磨性高,适于制造硬质塑料模具;4种钢除了用作各种塑料模外,还可用于胶木线路板冲孔模及精密冲裁模导向板。

    4.3时效硬化型塑料模具钢

    (1)低镍马氏体时效钢06Ni6CrMoVTiAl。此钢比18Ni型钢便宜很多,工艺简便。于800~850℃油冷,硬度为20~23HRC,加工成型后经(510~530)℃×(6~8)h时效处理,硬度为43~48HRC,变形率很小,为0.02%~0.05%。用它制造塑料模比用40Cr、T10A等钢提高模具寿命2倍以上。可进行渗氮强化模具表面。
(2)新型时效硬化钢25CrNi3MoAl。此钢为Ni-Mo-Al系时效硬化钢。其工艺过程为880℃水淬或空冷,硬度为48~50HRC;680℃×(4~6)h回火,硬度为22~23HRC;加工成型后经(520~540)℃×(6~8)h时效,硬度为39~42HRC,变形率为-0.04%,若半精加工后去应力回火,变形率减小至-(0.01~0.02)%;时效的同时可进行渗氮;最后经研磨、抛光或光刻花纹后装配使用。

    (3)镜面塑料模具钢1Ni3CuMnMoAl(代号PMS,日本JIS NAK80)。此钢为Ni-Cu-Al系时效硬化钢。800~850℃空淬,硬度为30HRC,易于切削成型,再于(510~530)℃×(3~5)h时效,硬度为41~43HRC,可同时进行渗氮,变形率为-(0.01~0.04)%。

    此钢中若加入(0.04~0.15)%S,热处理硬度为38~45HRC时,其切削性能与正火中碳钢相近,故也可作为预硬钢。它还具有可逆时效性能,650℃回火后硬度为25HRC,适于冷挤压成型高精度模具,再经时效处理仍可提高硬度至40HRC。

    PMS钢适于制造要求镜面或光刻蚀花纹的各种热塑性塑料成型模,渗氮后可用于含玻璃纤维等硬填料的工程塑料件精密成形模。

    (4)耐蚀塑料模具钢0Cr16Ni4Cu3Nb(代号PCR)。此钢系时效硬化不锈钢。1050℃空冷固溶,硬度为32~35HRC;切削成型后经(460~480)℃×4h时效,硬度为42~44HRC,变形率-(0.04~0.05)%,有良好的抛光性能。适于制造含氯、氟的塑件成型模。时效抛光后再于300~400℃进行PVD离子镀,可用于要求高耐磨的耐蚀塑料模。

 
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