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          模具材料發展趨勢及表面強化
            瀏覽次數:5265  發布時間:2023年09月10日 14:26:23
          [導讀] 闡述了模具在國民經濟中的重要性,簡介模具材料研發和應用現狀,預測發展趨勢,重點解析模具表面強化工藝方法,提出了發展模具材料建議,論述了表面強化方法及其選擇原則和應用案例,指出振興民族工業,必須模具先行。
           賈慶雪1,趙步青2
          1.北京中鼎高科自動化技術有限公司 北京 101102
          2.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

          摘要:闡述了模具在國民經濟中的重要性,簡介模具材料研發和應用現狀,預測發展趨勢,重點解析模具表面強化工藝方法,提出了發展模具材料建議,論述了表面強化方法及其選擇原則和應用案例,指出振興民族工業,必須模具先行。
          關鍵詞:模具材料;熱處理;表面強化;使用壽命

          序言
          模具是工業生產的主要工藝裝備,各行各業均離不開模具,模具工業是基礎工業。模具以其特定的結構形式、通過特定的方式使材料成形,因為其具有生產效率高、程序化佳、產品質量好、材料消耗少,以及生產成本低的優勢,所以世界各國都非常重視模具的應用與發展。模具使用壽命的高低不僅是衡量模具質量的重要指標,而且在一定程度上反映一個地區甚至一個國家的冶金工業和機械工業的水平。我國已成為世界模具制造大國,但不是強國,模具的制造水平與世界發達國家相比,還有很大的差距。據行業專家考證,目前我國模具的使用壽命只有先進國家的1/5~1/2,一些優質的模具材料和大型、復雜的模具仍需進口。據統計,在我國因模具使用壽命低而造成材料、工時、輔料及能源消耗,以及由此對產品質量影響所帶來的經濟損失,每年達數十億元,并且嚴重降低了生產效率,直接影響企業的生存和發展,因此,提高模具使用壽命的潛力和空間巨大。

          一、模具在國民經濟中的地位
          模具在國民經濟中的作用十分重要,先從材料上看,幾乎所有的金屬材料制件,如鍛件、沖壓件、鑄件、拉深件和粉末冶金件,以及非金屬材料零件,如塑料、橡膠、玻璃和陶瓷等制品都是用模具成形的。再從工業產品上看,模具是汽車、拖拉機、摩托車、航空航天、機電、電器、儀表、家電、日用品、兵器、軍艦、玩具和餐飲等行業必不可少的工藝裝備,因此可認為是“百業之母”。同時,由于模具產業的拉動性強,又被描述為“一業興,百業旺”。

          少無切削加工是機械工業發展的一個方向,而模具正是利用壓力加工實現少無切削的首選。由于模具快速成形具有優質、高效、低耗等優點,因此得到了廣泛應用。據有關方面粗略統計:依靠模具加工的產品和零件,家電行業占80%以上,機電行業占70%以上。另外,軍工、輕工以及軌道交通、冶金和建材等行業的產品生產也均離不開模具。 

          二、模具材料的現狀
          世界工業經濟和科學技術的改革創新帶動了模具工業的發展。目前,世界上工業發達國家的模具工業發展很快,已經形成一個專門生產、制造、銷售的行業,初步實現標準化、專業化、商品化和規范化,模具已成為高技術密集型產品。與此同時,國際國內市場競爭激烈,加快了模具產品的更新換代,并倒逼模具材料的發展。

          (一)模具鋼分類
          凡是用來制造模具的鋼一律稱之為模具鋼。目前,我國的模具材料已規范化、系列化,GB/T 1299—2014《工模具鋼》將模具鋼分為六大系列,簡介如下。
          1、耐沖擊模具鋼 該類模具鋼有4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si、6CrMnSi2Mo1V 、5Cr3MnSiMo1、6CrW2SiV共6個牌號。
          2、軋輥用鋼該類模具鋼有9Cr2V 、9Cr2Mo、9Cr2MoV、8Cr3NiMoV、9Cr5NiMoV共5個牌號。
          3、冷作模具鋼 該類模具鋼有9Mn2V、9CrWMn、CrWMn、MnCrWV、7CrMn2Mo、5Cr8M o V S i、7Cr S i M n M o V、Cr8M o2S i V、Cr4W2MoV、6Cr4W3Mo2VNb、6W6Mo5Cr4V、W6M o5Cr4V2、Cr8、Cr12、Cr12W 、7Cr7Mo2V2Si、Cr5Mo1V、Cr12MoV、Cr12Mo1V1共19個牌號。 
          4、熱作模具鋼 該類模具鋼有5CrMnMo、5CrNiMo、4CrNi4Mo、4Cr2NiMoV、5Cr2NiMoV、5Cr2NiMoVSi、8Cr3、4CrW2VSi、3Cr2W8V、4Cr5M o S i V、4Cr5M o S i V1、4Cr3M o3S i V、5Cr4Mo3SiMnVAl、4Cr4MnSiMoV、5Cr5WMoSi、5Cr5MoWVSi、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、4 Cr5Mo2V 、3Cr3Mo3V 、4 C r5Mo3V 、3Cr3Mo3VCo3共22個牌號。
          5、塑料模具鋼 該類模具鋼有SM45、SM50、SM55、3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo、4Cr2Mn1MoS、8Cr2MnWMoVS、5CrNiMoMnVSCa、2CrNiMoMnV、2CrNi3MoAl、1Ni3MnC uMoAl 、06NiCrMoVTiA l 、00Ni18Co8Mo5TiAl、2Cr13、4Cr13、4Cr13NiVSi、2Cr17Ni2、3Cr17Mo、3Cr17NiMoV、9Cr18、9Cr18MoV共21個牌號。
          6、特殊用途模具鋼 該類模具鋼有7Mn15Cr2Al3V2WMo、3Cr 25Ni20Si2、0Cr17Ni4Cu4Nb、Ni25Cr15Ti2MoMn 、Ni53Cr19Mo3TiNb共5個牌號。

          上述6大系列78個牌號,只是列入GB/T 1299—2014中的鋼號,而未列入標準中的還有很多,標準中的鋼號只是“冰山一角”,實際生產應用中還有許多“非標”模具鋼,鋼廠也在不斷推出模具鋼新產品。

          目前,模具用粉末鋼、噴射鋼在市場上很受歡迎,應用也很廣泛,模具制造廠應有針對性地選用。
          另外,硬質合金及鋼結硬質合金是模具材料家族新成員,具有廣闊的工業應用前景。

          (二)發展模具材料建議
          目前,國內的模具材料基本上能滿足生產需要,但大而精的模具用材料、特殊材料仍依賴進口。因此,相關應用行業應重視熱處理,提高模具壽命,材料要先行,材料是基礎,基礎不牢地動山搖。下面就目前的材料狀況提3點建議。

          1、將3Cr2W8V鋼C含量降下來早在1994年7月,趙步青在哈爾濱召開的“全國工具熱處理交流會”上指出,應將3Cr2W8V鋼C含量(質量分數)降到0.25%~0.35%,與國際標準同規[1]。我國20世紀50年代從蘇聯引入的3Cr2W8V鋼,俄羅斯在2000年前就將該鋼的C含量從原0.30%~0.40%改為0.25%~0.35%[2]。

          從現場失效分析發現,3Cr2W8V鋼模具開裂和熱疲勞破壞,大多是C含量超過了0.35%。因此,建議再修訂模具鋼標準時,一定要把C含量降下來,與國際標準接軌。

          2、冷熱通用的模具鋼有二次硬化效果的模具鋼(如Cr12MoV鋼)冷熱通用,即通過不同的熱處理工藝,既可以制造冷作模具,也可制造熱作模具。

          3、高速鋼是重要的模具鋼材料國標在冷作模具鋼中只列出W6Mo5Cr4V2鋼一個牌號,現實中應用的牌號有10個以上,低合金高速鋼、粉末高速鋼、噴射高速鋼在冷作模具上應用越來越多,前景廣闊。

          三、模具的表面強化
          模具在使用過程中,經常要受到反復拉伸、彎曲、扭轉、擠壓、摩擦磨損,以及周期性沖擊等各種應力的作用,其表面處于較大的應力狀態,服役條件較為苛刻。大量的事實表明,模具的失效和破壞大多發生在表面,因此除了正確地選材與合理的熱處理外,采用表面強化來進一步提高模具使用壽命也非常重要。 
          以下簡介實用的模具表面強化舉措。

          (一) 表面強化方法選擇的原則
          1、提高模具表面的耐磨性 模具耐磨性的高低主要與鋼中碳化物的類型和數量有關,即使選用Cr12類型的高C、高Cr及高速鋼,其耐磨性往往仍不能滿足要求,而采用表面強化則行之有效。
          2、耐磨性與強韌性的良好匹配“剛柔并濟”“強韌融合”,對于目前大多數使用廠家來說,提高強韌性更難些,而解決這些矛盾最好的方法就是表面強化。
          3、提高抗咬合能力在拉伸、擠壓等類模具中,常發生“冷焊”現象。解決這類問題的方法還是表面強化,如硫化、鉬化、蒸汽處理等。
          4、改變表面應力狀態 模具經淬火、回火處理,表面為拉應力狀態,這將促成裂紋的早期形成,如進行表面強化形成壓應力,則可提高模具使用壽命,其中噴丸處理是方法之一。
          5、提高抗氧化性和耐蝕性許多熱作模具和塑料模具均有氧化和腐蝕的問題,若僅靠選材和熱處理,則難以解決上述問題,因此必須依靠表面強化來彌補,比如鍍鉻就是其中方法之一。
          6、經濟實惠有許多新的表面強化工藝,不一定適合特定生產條件,因此必須結合本企業的實際情況,有針對性地選用表面強化工藝方法。

          (二)表面強化工藝及其應用實例
          1、滲氮有氣體滲氮、液體滲氮及固體滲氮。經滲氮的模具大多含有強氮化物形成元素(如Al、Cr、W、Mo、V等)的鋼號,如38CrMoVAl、H13、高速鋼及基體鋼,滲氮溫度低于該鋼的回火溫度,滲氮時間根據具體鋼種及要求而定。例如:H13鋼壓鑄模,采用氣體滲氮,工藝為(530~550)℃×(12~20)h,滲氮后表面硬度達600~760HV,滲氮層深為0.15~0.20mm。
          2、滲硼3Cr2W8V鋼熱作模具,經950℃×4h鹽浴滲硼,滲層組織為FeB+Fe2B,最終經1050℃鹽浴加熱,分級淬火,600℃×2h×3次回火。經上述工藝處理的扳手成形輥鍛模,使用壽命可提高1倍以上。
          3、滲鈮模具鋼經滲鈮后得到一層Nb含量為80%左右的金黃色鈮碳化物層,滲層組織為NbC。鹽浴滲鈮工藝為(900~1050)℃×(4~10)h。滲鈮層有極高的硬度,如Cr12MoV鋼模具可達3200~3500HV。滲鈮工藝可用于沖模、彎曲模、拉管模、熱鍛模和粉末冶金等模具,使用壽命提高幾倍乃至幾十倍。
          4、PVD、CVD涂層物理涂層PVD是從化學蒸汽中沉淀硬質材料,諸如硬質合金、金屬陶瓷以及所有鋼材均可作PVD涂層。在200~550℃較低的溫度范圍內可對模具實施涂層,后續無需再熱處理。硬質涂層及其性能見表1[3]。

          表1
          表1 硬質涂層及其性能

          化學涂層CVD可使模具獲得堅硬耐磨表面,通常涂層厚度達2~10μm,硬度2300~3000HV,涂層溫度900~1000℃。 
          5、滲鉻模具滲鉻可使表面形成一層牢固的Cr-Fe-C合金層,使模具能抗高溫氧化、抗蝕性能,且具有較高的硬度、強度、耐磨性和抗疲勞性能,因此在高溫服役的模具可進行滲鉻處理。滲鉻工藝可分為固體滲鉻、液體滲鉻、氣體滲鉻三大類。例如,950℃×4h鹽浴滲鉻時,不同材料滲鉻層厚度及硬度見表2[4]。不同模具經滲鉻處理后,使用壽命可提高50%以上。
          (6)模具的氧氮共滲處理氧氮共滲處理后,可使模具表面形成一層多孔的Fe3O4,該滲層具有良好的減摩性和抗黏著性,共滲溫度540~580℃,共滲時間1~3h。高速鋼及基體鋼制模具廣泛應用此工藝,因為共滲溫度往往是其回火溫度,所以經氧氮共滲處理的模具使用壽命可提高1~2倍。
          7、滲硫及鉬化處理 經滲硫和鉬化處理后的模具有摩擦因數小、耐磨性好、抗咬合性高及抗擦傷能力強等特點,且處理溫度低、成本低、見效快。例如,齒輪滾刀的低溫滲硫液配方(質量分數)為:硫15%、氫氧化鈉50%、其余為水,滲硫溫度130℃,硫化時間3h。

          表2
          表2 950℃×4h鹽浴滲鉻不同材料滲鉻層厚度及硬度

          齒輪滾刀的低溫鉬化處理液配方為:MoS2(膠體)與水的質量比為(10~15)∶100,鉬化溫度為100℃(浸涂液沸騰),鉬化時間為40~60min。另外,也可用甘油鉬化法,其配方為MoS2(膠體)與甘油的質量比為(5~10)∶100,鉬化溫度為180~200℃,保溫時間為3~4h。
          8、模具的S-N-C復合共滲S-N-C復合共滲液體常用尿素作主鹽,添加碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰等配成鹽浴,供S劑為硫化鉀、硫化鈉、硫氰化鉀及亞硫酸鈉等,工藝為(560~570)℃×(1~3)h。例如,W18Cr4V鋼不銹鋼沖模,經S-N-C復合共滲后,模具壽命由40萬件提高到100萬件。3Cr2W8V鋼制鋁合金熱擠壓模,模具壽命由40件提到450件。
          9、QPQ強化QPQ是當今世界上最先進的金屬熔鹽表面強化技術之一。該技術可以數量級地提高模具表面性能,其耐磨性比滲碳提高10~15倍,耐蝕性比鍍硬鉻提高15~20倍,用于不同服役條件的模具,使用壽命可提高1~3倍。
          10、噴丸強化噴丸強化會使模腔表面產生殘余壓應力,試驗表明,噴丸處理后在600℃時,殘余壓應力還能保持在157MPa的水平,到650℃才完全消失。據此分析,噴丸強化產生的殘余壓應力在
          熱作模具工作溫度范圍內(560~620℃)仍有效,從而延長了模具的使用壽命。
          11、激光淬火強化 與其他表面強化相比,激光淬火具有淬硬層深度可控、不需要回火、硬度高,以及淬火組織細小均勻、耐磨性高、節能環保等特點。例如,GCr15鋼軸承保持架沖孔模經激光淬火后,表面硬度為849HV,硬化層深度為0.37mm,基體的硬度為490HV,使用壽命見表3[5]。

          表3
          表3 GCr15鋼軸承保持架沖孔模激光淬火后的

          12、離子注入處理該技術是將從離子源中引出的離子束加速成具有幾萬至幾十萬電子伏的高能離子束后注入模具表面,形成特殊物理、化學或力學性能表面改性層的過程。例如,YG8硬質合金拉絲模經離子注入處理,提高了拉絲模表面的硬度、耐磨性、耐疲勞性能和耐蝕性能,從而提高了模具的使用壽命。 

          四、結束語
          我國的模具材料規格品種比較齊全,能滿足國家發展戰略的需求,但鋼材的成分控制及其純凈度有待提高。有人曾用光譜分析國內外同規格、同牌號的模具鋼化學成分,結果發現,國產模具鋼材成分波動大、雜質多,而國外模具鋼材成分范圍窄,除了主要成分外,沒有多余元素,這也是國產模具鋼材制造出的模具使用壽命低的一個原因。

          正確和先進的熱處理工藝,可以充分地挖掘模具材料的潛力,提高或延長其使用壽命。隨著科學技術的發展,熱處理技術也有了長足的進步,如真空熱處理、激光淬火、電子束熱處理、氣相沉積強化、可控氣氛熱處理、多元共滲及各種復合熱處理,八仙過海各顯神通,大大提高了模具質量和使用壽命。在工業生產中,模具的重要性不言而喻,因此要振興民族工業,模具必須先行,從原材料、機械加工、熱處理及表面強化,直到客戶使用,環環相扣,層層抓緊抓細,將提高模具使用壽命真正落到實處。

          模具表面強化的“表面文章”內涵豐富、潛力巨大,沒有任何一種強化工藝適合所有模具,因此應實施個性化服務,針對不同服役狀態下的模具,制定相應的強化工藝,最終落實到提高使用壽命的課題上來。

          參考文獻:
          [1] 趙步青.3Cr2W8V鋼的熱處理工藝[J].機電工程,1994(4):39-41.
          [2] 李維鉞,李軍.中外鋼鐵牌號速查手冊[M].3版.北京:機械工業出版社,2010:406-407.
          [3] 任冬云.模具制造手冊[M].3版.北京:化學工業出版社,2016:370-371.
          [4] 趙昌盛.模具材料及熱處理手冊[M].北京:機械工業出版社,2008:164-165.
          [5] 姚艷書,唐殿福,郭冰峰.工具鋼及其熱處理[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,2009:819-820.