我国模具材料与模具热处理的研究进展

2022-06-08 15:44:51 资讯

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20世纪50年代，中国所有的模具钢都攻击了国外的钢号。20世纪60年代，为了节约原材料，提高空白精度，没有切割工艺和精密成型技术的快速发展。为了提高生产效率，采用了许多高效的压力加工设备，锻锤逐渐被压力机取代。原模具钢的性能往往不能满足使用条件对性能的高要求，影响了新工艺和新设备的推广和应用。20世纪70年代末，精密和大型工程塑料产品的应用越来越广泛，对塑料模具钢的需求急剧增加，对塑料模具钢的性能提出了新的要求。

自20世纪60年代以来，在**有关部委的支持下，中国科技工作者结合国情开发了许多新型模具钢，其中一些具有优异的使用性能和良好的工艺性能，受到模具制造和使用单位的欢迎。在此期间，还引进了一些外国通用钢号，其中一些通过生产试验取得了良好的效果。对于一些冷模具钢和热模具钢，有关部门还组织了性能比较试验研究，并提出了选择和应用建议。为了满足高耐磨、长寿命模具的需要，20世纪50年代末，中国硬合金发展迅速，开发了各种硬合金作为模具，取得了良好的效果。

本文分为冷模钢、热模钢、塑料模钢、硬合金和钢结硬合金、模具热处理、展望和建议六个部分。

冷作模具钢

目前，我国常用的冷模具钢仍然是低合金工具钢CrWMn高碳高铬工具钢Cr12MoV及Cr12这些老钢号。CrWMn钢具有适当的淬透性和耐磨性，热处理变形小，但CrWMn钢锻后，应严格控制冷速，并采用适当的热处理，使碳化物呈均匀细小的颗粒，分布在基体上，否则在使用过程中容易形成网状碳化物，导致模具坍塌开裂。高碳高铬工具钢耐磨性高，但碳化物偏析严重，导致变形方向和韧性降低。通过反复卷曲，可以在一定程度上提高偏析程度。

1981年，中国引进了国际通用高碳高铬工具钢D2(Cr12Mo1V1)。和Cr12MoV钢相比，D与2钢碳化物偏析相比，Cr12MoV略有提高，强度和韧性略有提高，D2.模具的使用寿命也不同。高速钢(主要是W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V）它具有较高的耐磨性和强度，常用于制造模具，但其韧性不能满足模具和高冲击载荷模具的需要。

为国开发了一些新型冷模具钢，如：

① 低合金冷作模具钢

该钢具有工艺性好、淬火温度低、热处理变形小、韧性好、耐磨性好等特点。GD(6CrMnNiMoVSi)、7CrSiMnMoV（简称CH）、DS钢等。GD冷冲模具易崩刃、断裂，使用寿命长。CH钢和日本的成分SX105V钢是一种火焰淬火钢，常用于制造汽车等生产线上的模具零件。火焰淬火时，加热模具刃口切割面，硬化层下有高韧性基底作为衬垫，使模具获得更高的使用寿命。DS钢是一种冲击冷作模具钢，其冲击韧性明显优于普通高韧性刀片工具钢6CrW2Si。

② 基体钢

基体钢一般是指与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢。

20世纪70年代初，美国和日本研究了该品牌VascoMA、VascoMatrixI和MOD相当于基体钢M2和M36高速钢基体，但没有得到广泛应用。我国开发了655等基体钢Cr4W3Mo2VNb（简称65Nb）、65W8Cr4VTi（简称LM1）65Cr5Mo3W2VSiTi（简称LM2)钢等。这些基质钢的主要特点是碳含量略高于基质碳含量，增加碳含量，提高耐磨性，添加少量强碳化物形成元素铌或钛，形成相对稳定的碳化物，防止淬火加热过程中颗粒的生长，提高钢的工艺性能。该基质钢广泛应用于制造冷挤压、厚板冷冲压、冷轧等模具，特别是大型复杂模具，也可用作黑色金属热挤压模具。

③ 耐磨冷模具钢韧性高

为了改善Cr中国做了大量的研究工作，开发了许多新的，进一步提高了钢的耐磨性。中国做了大量的研究工作，开发了许多新的钢种，如LD、ER5和GM钢等。为了提高碳化物分析，增加钨、钼和钒的含量，适当降低铬含量，提高二次硬化能力和耐磨性。Cr与12型冷作模具钢相比，该钢的碳化物偏析有所改善，韧性高。这种钢比Cr12型冷模钢耐磨性更好，使模具寿命更长，更适合高速冲床和多工位冲床。

热作模具钢

我国常用的热作模具钢为5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V钢。

5CrNiMo钢主要用于大中型锻造模具。但其淬火性能不够高，回火稳定性不高，其性能不能满足大截面锻造模具的性能要求。Cr2W8V热挤压模和有色金属广泛应用于黑色和有色金属Cu、Al合金压铸模具。该钢具有较高的热稳定性和650的使用温度℃，但钨热作模导热性低，冷热疲劳性差。

20世纪80年代初，中国引进了国外常用的铬热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1)，H13钢冷热疲劳性好，使用温度不超过600℃时，代替3Cr2W8V因此，钢、模具的使用寿命此H13钢已迅速推广应用，产量已超过3Cr2W8V钢。

为了适应新的压力加工工艺和新设备对模具钢韧性和热稳定性的更高要求，我国开发了许多新的热模具钢，主要包括：

① 热锻模具钢

20世纪80年代，中国针对50年代CrNiMo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的需要，使用温度不超过500℃对国内外钢材进行了大量的分析、比较和研究。研究表明，国外同类钢5CrNiMoV中的Cr、Ni、Mo均高于国产5CrNiMo它含有少量的钢V，因此，其淬透性和回火稳定性均高于国内5CrNiMo并建议选择5CrNiMoV用于制造大型复杂的重载锤锻模。

我国还开发了大截面热锻模具钢5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi钢，已广泛应用。CrNiMo与钢相比，这些钢的碳含量略低，增加了Cr和Mo并添加适当的含量V和Si，因此具有高淬透性和热稳定性。Cr2NiMoVSi与5相比，钢中的碳和硅Cr2NiMoVSi钢，略有减少，更适合锤锻模。这种钢用于制造4万种钢。t上述机械压力机锻模3t上述锻锤模的使用寿命为5CrNiMo和5CrNiMoV提高0.5~1.5倍。3Cr2MoWVNi钢也是我国开发的热锻模钢，使用寿命长。

② 模具钢用于热挤压

H13是国内外广泛使用的热作模具钢，使用温度不超过600℃冷热疲劳性能好，用作热挤压模和铝合金压铸模，使用寿命长。H13钢尺寸效应大。国外采用炉外精炼、高温扩散退火、等向锻造等工艺，提高尺寸效果，降低尺寸效果Cr和Mo我国主要采用电渣重熔等工艺。

我国开发了许多强韧性好、热稳定性高的热挤压作为模具钢。有的钢是国外钼系3Cr3Mo3V钢和铬系H在13钢的基础上，面具有一定的特点，如HMI(3Cr3Mo3W2V)、TM(4Cr3Mo2WMnVNb)、Y4(4Cr3Mo2MnVB)、Y10(4Cr5Mo2SiV1)、HD2(4Cr3Mo2VNiNbB)、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)等待钢。这些钢在保持良好韧性的条件下具有较高的热稳定性，用于制造热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等，具有良好的使用效果。

中国有关部门组织了一些研究单位和用户，选择了27种国内外应用和新开发的热模

模具钢价格

测试，比较其基本机械性能、工艺性能和使用性能，并提出了各种热模的材料选择标准。

塑料模具钢

塑料成型模具的产值在模具行业的总产值中**。中国过去没有特殊的塑料模具钢。近年来，在引进国外塑料模具钢的同时，开发了一些新型的塑料模具专用钢。

① 预硬塑料模具钢

钢厂充分锻造后制成模块，预热至所需硬度(一般预硬至30~35RHC）之后，为用户制模。P20（即3Cr2Mo）它是国外使用更广泛的预硬塑料模具钢，已被列入中国合金工具钢标准。自20世纪80年代以来，它已广泛应用于中国的一些工厂。718是瑞典生产的转型P20钢，较P20具有较高的淬透性，调质后能保持大截面尺寸的硬度均匀，在我国也得到了广泛的应用。

② 预硬钢易切割

为了提高预硬塑料模具钢的切割性能，可以添加易切割元素。美国、日本和德国都开发了一些易于切割的预硬钢。国外预硬钢易于切割S系，也有S-Se系、Ca系。但Se价格较贵。S易切割钢各向异性大，截面增大时硫化物偏析严重。

我国开发了一些含硫易切割的预硬塑料模具钢，如8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）和S-Ca复合易切塑料模具钢5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）。5NiSCa钢采用了S-Ca复合易切割系统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，硫化物在大截面上的分布仍然相对均匀。NiSCa钢具有高淬透性和镜面抛光性，模具硬度为35~45HRC可顺利进行各种加工。

③ 非调质塑料模具钢

锻轧后可达到预硬度，有利于节能，降低成本，缩短生产周期。中国开发的钢包括：中碳锰硼空冷贝氏体钢，可用于制造塑料模具和橡胶模具；非调质塑料模具钢2Mn2CrVTiSCaRe(FT),钢中加入S、Ca、Re比较易切割元素S-Ca复合易切割钢切割性能好；低碳MnMoVB非调质贝氏体大截面塑料模具（B30)，中加入S、Ca工业试生产作为一种易切割元素，表示400mm厚板坯热轧后空冷，硬度沿截面均匀分布。

④ 时效硬化钢

我国开发了几种低镍及时硬化钢，经过质量调整后进行机械加工，然后及时沉淀金属间化合物，提高硬度，热处理后变形小。及时硬化钢适用于制造高精度塑料模具、透明塑料模具等。

这类钢有25CrNi3MoAl、10Ni3Mn2AlCu（PMS）和06Ni6CrMoVTiAl等钢。这些钢调质后硬度为20~30HRC，机械加工后，硬度可达38~42HRC。

⑤ 耐腐蚀塑料模具钢

塑料制品以化学腐蚀塑料为原料时，模具应具有耐腐蚀性，一般采用耐腐蚀钢制造模具，此时也需要良好的耐磨性。常用的钢四种Cr13(420)、9Cr18、17-4PH。PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)是我国开发的耐腐蚀塑料模具钢，综合力学性能好，耐腐蚀性好。

硬质合金和钢结硬质合金

硬合金是一种由粉末冶金制成的复合材料。硬合金硬度高，耐磨性好，弹性模量高，使用温度高。用于制造某些模具，模具的使用寿命可以提高几倍或几十倍以上。但硬合金脆，抗弯强度和韧性差，不能机械加工。硬合金作为一种模具材料，主要用于拉丝模具、冷挤压和冷冲压模具，冲击力小。目前，我国可生产各种品牌的硬合金，基本满足国内市场的需求。

近年来，各国开发了一些微晶钻头、计算机点阵打印针、精密工具等，以满足微一些微晶（WC晶粒小于1微米，超细晶粒硬质合金（WC晶粒小于0.在传统的硬质合金中，6微米)，WC晶粒尺寸为1.3～1.5微米。超细晶粒硬质合金弥补了传统硬质合金的诸多不足，扩大了其应用范围，在制造耐磨、耐冲击模具方面取得了良好的效果。我国一些研究单位和硬质合金厂开发了各种品牌的微晶硬质合金和超细晶粒硬质合金。高性能超细晶粒硬质合金的开发仍然是硬质合金研究的热点。

钢结硬质合金是以碳化物为硬质阶段，钢为粘接阶段形成的复合材料。钢结硬质合金具有良好的耐磨性，其强度和韧性一般高于硬质合金，具有热处理、切割和加工工艺性能、可锻性和可焊性。模具是钢结硬质合金的主要应用领域。20世纪60年代，中国开始开发这种材料。它已开发成各种品牌的钢结硬质合金。用作模具的钢结硬质合金主要用于硬质阶段TiC和WC，钢基体主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头模、挤压模、拉伸模、冲裁、拉丝模、热头模等。

粉末冶金技术的发展和热等静压的应用，导致七十年代无偏析粉末高速钢的生产和使用，其主要特点是强韧性、可磨削性、等向性、热处理工艺性都优于一般高速钢，并有比较高的使用寿命。以后用此技术生产常规工艺无法生产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性能，并有较好的韧性，制成的模具使用寿命与一些硬质合金相近。国外已生产多种牌号的粉末冶金高耐磨冷模具钢，国内尚少研究。

模具热处理

模具制造的成本高，特别是一些精密复杂的冷冲模、塑料模、压铸模等。采用热处理技术提高模具的使用性能，可以大幅度提高模具寿命，有显著的经济效益，我国模具技术工作者十分重视模具热处理技术的发展。

① 真空热处理

模具钢经真空热处理后有良好的表面状态，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，主要原因是真空加热时，模具钢表面呈活性状态，不脱碳，不产生阻碍冷却的氧化膜。在真空下加热，钢的表面有脱气效果，因而具有较高的力学性能，炉内真空度越高，抗弯强度越高。真空淬火后，钢的断裂韧性有所提高，模具寿命比常规工艺普遍提高40%~400%，甚至更高。冷作模具真空淬火技术已得到较广泛的使用。

② 深冷处理

近年来的研究工作表明，模具钢经深冷处理(-196℃)，可以提高其力学性能，一些模具经深冷处理后显著提高了使用寿命。模具钢的深冷可以在淬火和回火工序之间进行，也可在淬火回火之后进行深冷处理。如果在淬火、回火后钢中仍保留有残余奥氏体，则在深冷处理后仍需要再进行一次回火。深冷处理能提高钢的耐磨性和抗回火稳定性。深冷处理不仅用于冷作模具，也可用于热作模具和硬质合金。深冷处理技术已越来越受到模具热处理工作者的关注，已开发出专用深冷处理设备。不同钢种在深冷过程中的组织变化及其微观机制及其对力学性能的影响，尚需进一步研究。

③ 模具的高温淬火和降温淬火

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，可以减少钢中碳化物的数量、改善其形态和分布，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，提高其断裂韧性和冷热疲劳抗力，从而延长模具使用寿命。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℃。当淬火温度提高至1200℃，回火温度为680℃（2次），模具寿命提高了数倍。

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，减少脆性开裂倾向，从而提高模具寿命。例如W6Mo5Cr4V2的淬火温度可选用1140~1160℃。

④ 化学热处理

化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化性等性能。几乎所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。

研究工作表明，高碳及低合金工具钢和中高碳高合金钢均可进行渗碳或碳氮共渗。高碳低合金钢渗碳或碳氮共渗时，应尽可能选取较低的加热温度和较短的保温时间，此时可保证表层有较多的未溶碳化物核心，渗碳和碳氮共渗后，表层碳化物呈颗粒状，碳化物总体积也有明显增加，可以增加钢的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb钢制模具进行渗碳以及65Nb钢制模具真空渗碳后，模具的寿命均有显著提高。

采用500~650℃高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进行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。离子渗氮可以缩短渗氮时间，并可获得高质量的渗层。离子渗氮可以提高压铸模的抗蚀性、耐磨性、抗热疲劳性和抗粘附性能。

氮碳共渗可在气体介质或液体介质中进行，渗层脆性小，共渗时间比渗氮时间大为缩短。压铸模、热挤压模经氮碳共渗后可显著提高其热疲劳性能。氮碳共渗对冷镦模、冷挤压模、冷冲模、拉伸模等均有很好的应用效果。

冷作模具和热作模具还可以进行硫氮或硫氮碳共渗。近年许多研究工作都表明稀土有明显的催渗效果，从而发展了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。

⑤ 渗硼和渗金属

渗硼可以是固体渗硼、液体渗硼和膏剂渗硼等，应用更多的是固体渗硼，市场上已有固体渗硼剂供应。固体渗硼后，表层的硬度高达1400~2800HV，耐磨性高，耐腐蚀性和抗氧化性能都较好。

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

渗硼层较脆，扩散层比较薄，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，使其硬度变化平缓。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理冷作和热作模具，其中TD法（熔盐渗金属）已得到一些应用，可使模具寿命提高几倍乃至十几倍。

⑥ 气相沉积

气相沉积按形成的基本原理，分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(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、均镀能力好、被镀基体材料和镀层材料可以广泛搭配等优点，因而获得较广泛的应用。近年来多弧离子镀受到人们的重视。目前在模具上应用较多的是离子镀TiN，这种膜不仅硬度高而且膜的韧性好、结合力强、耐高温。在TiN基础上发展起来的多元膜，如(TiAl)N、(TiCr)N等，性能优于TiN，是一类更有前途的新型薄膜。

CVD是用化学方法使反应气体在基础材料表面发生化学反应形成覆盖层（TiC、TiN）的方法。CVD有多种方法。通常，CVD的反应温度在900℃以上，覆层硬度达到2000HV以上，但高的温度容易使工件变形，沉积层界面易发生反应。发展趋势是降低温度，开发新的涂层成分。例如，金属有机化合物CVD(MOCVD)，激光CVD(LCVD)，等离子CVD(PCVD)等。

⑦ 高能束热处理

高能束热处理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少103W/cm2。它们的共同特点是：加热速度快，加热面积可根据需要选择，工件变形小，不需要冷却介质，处理环境清洁，可控性能好，便于实现自动化处理。国内外对高能束热处理的原理、工艺等均投入较多的研究，比较成熟的是激光相变硬化、小尺寸电子束处理和中等功率的离子注入，并在提高模具寿命方面获得了应用。

展望和建议

可以认为，我国已建立了较完整的模具用材系列，其中一些模具材料的性能优异，达到国际先进水平。我国模具热处理的研究开发亦可与国际同步，一些新的模具热处理技术在不同程度上得到推广和应用。

针对存在的问题，对今后我国模具用材料和模具热处理技术的发展，提出如下建议：

① 加速模具钢生产的制品化、精料化和模具钢经销的商品化

我国每年模具用钢超过20万吨，且逐年增长。近年，国外模具钢的进口量，约占模具钢需要量的1/3，呈逐渐增加趋势。主要问题是我国模具钢的品种规格较少，模具钢生产的制品化、精料化和经销的商品化程度低。在一些工业发达**，冶金企业供应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，模具钢供应厂商能迅速提供所需钢材，减少库存钢材数量，缩短制模周期。中国钢材生产企业尚不适应这一商品市场机制，这是进口模具钢材在中国日益扩大的重要原因。

② 大力推广应用性能优良的新型模具钢不断完善模具钢钢种系列

我国已开发出不少有一定特色的新型模具钢，其中一些钢的性能优异，达到或超过国外同类钢的水平。但这些新钢的推广数量和应用范围不够大，主要原因是由于中国模具钢的生产尚未走制品化、精料化的道路而经销方式不适应商品市场的要求，解决了这些问题，这些性能良好的新型模具钢有广阔的推广前景，将会产生巨大的经济效益。

中国已经有了较完整的模具钢系列，尚需不断提高其质量，扩大应用，在应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，建立玻璃、陶瓷，耐火砖和地砖等成形模具用钢系列等。

③ 进一步提高模具钢的质量

我国某些特殊钢厂已采用新的冶金设备和工艺生产模具钢，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提高，如D2、P20等钢已批量出口，出口产品的质量可以达到国际先进水平。工业发达**一直在努力提高模具钢的纯净度、致密度、均匀性和质量稳定性。国外有的企业规定在高纯度模具钢中[O]＜10ppm，[H]＜2ppm，[S]＜50ppm，因为钢的纯净度的进一步提高可以显著提高钢的韧性和疲劳性能。对大型模具还必须采用真空除气、高温扩散退火，减少合金元素的偏析，并使用等向锻选工艺，提高等向性，使模具钢的横向和厚向的塑性和韧性达到纵向的80~90%以上。我国还需要在这方面进一步开展工作。

④ 加强先进模具热处理技术的推广与应用

模具的可控气氛热处理与真空热处理应进一步得到发展、推广和应用。一些行之有效的模具表面热处理技术，应完善其工艺，加强其推广和应用。提高装备和工艺材料的制造水平，加强热处理专业厂的建设。

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