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我模具材料與模具熱處理研究進展

2019-01-03 1806

  五十年代,我模具用鋼部因襲外鋼號。進入六十年代,為了節約原材料和提高毛坯精度,少無切削工藝和精密成形技術有了迅速的發展,為了提高生產率,采用了許多高壓力加工設備,鍛錘逐漸被壓力機替代。原用模具鋼的性能常不能滿足服役條件對性能的高要求,影響了模具的使用壽命和壓力加工新工藝新設備的推廣應用。七十年代末,精密及大型工程塑料制品的使用日益廣泛,對塑料模具用鋼的需求量急劇增加,對塑料模具鋼的性能也提出了新的要求,而我當時尚無塑料模具用鋼。
  六十年代以來,在有關部委的支持下,中科技工作者結合情,開發出不少新模具鋼,其中些使用性能優異、工藝性能也比較好的新鋼種受到模具制造和使用單位的歡迎。在此期間也引進了些外通用的鋼號,其中有些鋼號通過生產試用,取得良好的果[1]。對些使用果較好的冷作模具鋼和熱作模具鋼,有關部門還分別組織了性能對比試驗研究,提出了選擇和應用的建[2,3]議。為滿足高耐磨、長壽命模具的需要,五十年代末,我硬質合金有了迅速的發展,同時也開發了多種鋼結硬質合金,用做模具取得良好的果。

  本文分為冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼、硬質合金和鋼結硬質合金、模具熱處理、展望和建議六部份論述。

  1冷作模具鋼
  目前我常用的冷作模具鋼仍是低合金工具鋼CrWMn和高碳高鉻工具鋼Cr12MoV及Cr12這些老的鋼號。CrWMn鋼有適當的淬透性和耐磨性,熱處理變形小,但CrWMn鋼鍛后需較嚴格地控制冷速,并采用適當的熱處理,使碳化物呈均勻細小的粒狀,分布于基體上,否則易形成網狀碳化物,導致模具在使用中的崩刃和開裂。高碳高鉻工具鋼有高的耐磨性,但其碳化物偏析較嚴重,導致變形的方向性和強韌性的降低。通過反復鐓撥可在定程度上改善其偏析程度。
  1981年,我引入際通用的高碳高鉻工具鋼D2(Cr12Mo1V1)。和Cr12MoV鋼相比,D2鋼的碳化物偏析較之Cr12MoV略有改善,強度與韌性稍有提高,D2鋼制作的模具,其使用壽命亦有不同程度的提高[4]。高速鋼(主要是W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V)有更高的耐磨性和強度,常用于制作模具,但其韌性不能滿足復雜大型和受沖擊負荷大的模具的需要。
  為了改善這類鋼的強韌性,我開發了些新的冷作模具鋼,如:
  1.1低合金冷作模具鋼
  這類鋼的主要點是工藝性好,淬火溫度低,熱處理變形小,強韌性好,并具有適當的耐磨性。如GD(6CrMnNiMoVSi)、7CrSiMnMoV(簡稱CH)、DS鋼等。GD鋼用于制作易崩刃、斷裂的冷沖模具有高的使用壽命[5]。CH鋼的成分與日本的SX105V鋼相同,是種火焰淬火鋼,常用于制做汽車等生產線上用的模具零件,火焰淬火時加熱模具刃口切料面,硬化層下又有個高韌性的基體做襯墊,從而使模具獲得較高的使用壽命[3[。DS鋼是種沖擊冷作模具鋼,其沖擊韌性顯著優于常用的高韌性刀片用工具鋼6CrW2Si[6]。
  1.2基體鋼
  基體鋼般指其成分與高速鋼淬火組織中基體化學成分相同的鋼。美、日本在七十年代初即研究過號為VascoMA、VascoMatrixI和MOD2的基體鋼,相當于M2和M36高速鋼的基體,但未得到廣泛的使用。我研制了些基體鋼,如65Cr4W3Mo2VNb(簡稱65Nb)、65W8Cr4VTi(簡稱LM1)65Cr5Mo3W2VSiTi(簡稱LM2)鋼等。這些基體鋼的主要點是其含碳量稍高于基體的含碳量,以增加次碳化物量和提高耐磨性,還加入少量的強碳化物形成元素鈮或鈦,以形成比較穩定的碳化物,阻止淬火加熱時晶粒的長大并改善鋼的工藝性能。這類基體鋼已較廣泛地用于制作冷擠壓、厚板冷沖、冷鐓等模具,別適于難變形材料用的大型復雜模具,還可用做黑色金屬的溫熱擠壓模具[7]。
  1.3韌性較高的耐磨冷作模具鋼
  為了改善Cr12型冷作模具鋼的碳化物偏析,提高其韌性,并進步增加鋼的耐磨性,我做了大量的研究工作,開發出不少新的鋼種,如LD[8]、ER5[9]和GM[10]鋼等。在這些鋼中,適當降低了鉻含量以改善碳化物偏析,增加鎢、鉬和釩的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性。與Cr12型冷作模具鋼比較,這類鋼的碳化物偏析有所改善,有較高的韌性。這類鋼比Cr12型冷作模具鋼有更好的耐磨性,因而制做的模具有更高的壽命,更適于高速沖床和多工位沖床的使用。
  2熱作模具鋼
  我常用的熱作模具鋼為5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V鋼。
  5CrNiMo鋼主要用做大中型鍛模。但其淬透性不夠高,回火穩定性也不高,其性能不能滿足大截面鍛模對性能的要求。3Cr2W8V鋼廣泛用做黑色和有色金屬熱擠壓模和Cu、Al合金的壓鑄模。這種鋼的熱穩定性高,使用溫度達650?C,但鎢系熱作模具鋼的導熱性低、冷熱疲勞性差。
  我在八十年代初引進外通用的鉻系熱作模具鋼H13(4Cr5MoSiV1),H13鋼有良好的冷熱疲勞性,在使用溫度不超過600?C時,代替3Cr2W8V鋼,模具壽命有大幅度提高,因此H13鋼迅速得到推廣應用,其產量已超過3Cr2W8V鋼。
  為適應壓力加工新工藝、新設備對模具鋼在強韌性和熱穩定性方面更高的要求,我研制了不少的新熱作模具鋼,主要有:
  2.1熱鍛模具鋼
  內在八十年代,針對5CrNiMo鋼的淬透性不能滿足大截面錘鍛模的需要和使用溫度不超過500?C的問題,對內外用鋼做過大量的分析對比和研究。研究工作表明,外同類鋼5CrNiMoV中的Cr、Ni、Mo含量均高于產5CrNiMo鋼,并含有少量的V,因而其淬透性和回火穩定性均高于產5CrNiMo鋼,并建議選用5CrNiMoV鋼,用于制做大型、復雜的重載荷錘鍛模[11]。
  內還開發了大截面熱鍛模具鋼5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi鋼,已獲得較廣泛的應用[1]。與5CrNiMo鋼相比,這些鋼中的碳含量稍低,提高了Cr和Mo的含量并加入適當的V和Si,因之有高的淬透性和熱穩定性。45Cr2NiMoVSi鋼中的碳和硅,較之5Cr2NiMoVSi鋼,稍有降低,更適宜于做錘鍛模。這種鋼用于制造4000t以上機械壓力機鍛模和3t以上鍛錘模,使用壽命較5CrNiMo和5CrNiMoV提高0.5~1.5倍。3Cr2MoWVNi鋼也是我開發的種熱鍛模用鋼,有高的使用壽命[11]。
  2.2熱擠壓用模具鋼
  H13已是內外廣泛使用的熱作模具鋼,在使用溫度不超過600?C時,有良好的冷熱疲勞性能,用做熱擠壓模和鋁合金壓鑄模,有比較高的使用壽命。

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