淺談模具鋼及鋼種的發(fā)展

一、國內(nèi)外冷作模具鋼的發(fā)展趨勢

模具工業(yè)支撐著制造業(yè)的發(fā)展，而全球制造業(yè)的現(xiàn)代化和規(guī)模的擴(kuò)張也帶動了不同地區(qū)模具工業(yè)的快速成長，當(dāng)前，制造業(yè)早已不是粗放式的生產(chǎn)模式，相比于帶來信息技術(shù)革命的 IT 產(chǎn)業(yè)并不遜色，發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)代工業(yè)一直走在科技發(fā)展的前列，現(xiàn)代的制造業(yè)追求的是科學(xué)化的管理與生產(chǎn)，產(chǎn)品要有較高的通用性，即標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，同時利用先進(jìn)制造技術(shù)來提高生產(chǎn)效率、縮短制造周期，其最終目的就是要降低生產(chǎn)成本，同時避免能源、原材料上的浪費(fèi)，為了順應(yīng)這種發(fā)展趨勢，國外的模具制造業(yè)也和現(xiàn)代工業(yè)一樣，向著通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化發(fā)展；由于人們生活水平的不斷提高，對于工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)要求也越來越高，而生產(chǎn)這些產(chǎn)品的模具的服役條件也更加嚴(yán)峻，因此國外的模具制造商投入了很大的成本來提高模具的質(zhì)量，不僅僅是從使用性能上，在工藝性能上也做出了很多努力，比如日本日立金屬生產(chǎn)的改進(jìn)型 SLD-Magic冷作模具鋼與原有 SLD8 型鋼相比，在韌性相當(dāng)?shù)那闆r下，耐磨性、切削性和熱處理變形分別改善了 35%、35%、40%。由于原始組織的純凈度對模具材料的最終性能有很大的影響，因此為了提高鋼的成分和組織的均勻性，在冶煉過程中國外普遍采用電爐+爐外精煉工藝，對于質(zhì)量要求更高的模具鋼，則可以采用電渣重熔方法，以最大限度的減少偏析，獲得了性能更好、壽命更長的模具鋼材料。對于模具鋼生產(chǎn)企業(yè)來說，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，企業(yè)間的競爭變得更加激烈，為了促進(jìn)良性競爭，實現(xiàn)行業(yè)的更好發(fā)展，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)全球化擴(kuò)張的發(fā)展趨勢，國外的模具鋼生產(chǎn)企業(yè)走上了一條跨國合并的道路，實現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合與優(yōu)勢互補(bǔ)，將生產(chǎn)基地與科研中心進(jìn)行集中，將生產(chǎn)與技術(shù)的優(yōu)勢最大化。

反觀國內(nèi)的模具工業(yè)，經(jīng)過這么多年的發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步，在世界模具工業(yè)產(chǎn)值中所占的比重也越來越高，這是大家的共識，但與國際一流水平相比還有較大的差距，主要體現(xiàn)在：模具鋼標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度不高，冶金純凈度低，新材料開發(fā)、熱處理和表面強(qiáng)化新工藝應(yīng)用偏少，可見國外模具鋼發(fā)展的重點(diǎn)方向反而成為了我國模具材料薄弱之處，因此，為了我國的工業(yè)發(fā)展不受制于人，改變我國模具產(chǎn)業(yè)的不利現(xiàn)狀已成為當(dāng)務(wù)之急，有針對性的對模具工業(yè)的突出問題提出解決措施，比如建立標(biāo)準(zhǔn)化的模具鋼生產(chǎn)序列，加大在先進(jìn)冶煉工藝設(shè)備上的投入，從源頭上把好關(guān)，激勵科研技術(shù)人員積極開發(fā)新型模具材料及新工藝，尤其是研究很少的粉末冶金冷作模具鋼。值得欣慰的是，我國政府一直對模具工業(yè)十分重視，在為模具行業(yè)制定的“十二五”發(fā)展規(guī)劃中就明確提出要加快產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級、推動產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、實現(xiàn)到 2020年步入世界模具強(qiáng)國的總體目標(biāo)。

二、鑄造模具及鑄造模具鋼的研究與應(yīng)用

一般模具鋼材料經(jīng)熔煉鑄造成型后，還要經(jīng)過鍛造熱加工，再經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囂幚砗蠓娇蛇M(jìn)行粗、精機(jī)械加工成型，這種方法得到的模具具有精度高、壽命長的特點(diǎn)，而鑄造模具則省略了鑄造成型后的熱加工步驟，顯然與由鍛坯加工而來的模具相比經(jīng)濟(jì)性更好，鑄造模具的成型方法一般分為砂型鑄造和精密鑄造，其中精密鑄造最能體現(xiàn)鑄造模具的相對優(yōu)勢，由于精鑄模具型腔精度高，成形后的模具表面光潔度很好，經(jīng)少量機(jī)械加工后即可使用，切削量少意味著材料的消耗減少，有助于降低模具制造成本，減少材料浪費(fèi)。鑄造模具不僅在工藝上具備一定特點(diǎn)，在某些性能上也避免了鍛造模具的一些缺點(diǎn)，比如鑄造模具表面的耐磨性好，裂紋敏感性低，而且由于鑄造模具的組織中不存在明顯的方向性，不同于鍛軋態(tài)模具的各向異性，因此熱處理后在各個方向上的變形比較一致，尺寸易于控制，不需要預(yù)留太大的加工余量，又進(jìn)一步的節(jié)約了成本。盡管鑄造模具在工藝性和使用性上具備一些優(yōu)點(diǎn)，但它也有其缺點(diǎn)，這就是鑄態(tài)組織帶來的成分偏析等缺陷，由于組織的遺傳性，它們的存在會對鑄造模具后續(xù)處理過程中的組織和成分均勻性造成影響，不過我們可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚪椒ǜ淖冭T態(tài)組織，從而盡可能的減弱這種遺傳性的影響，以期獲得更好的性能，甚至使鑄造模具鋼的某些性能可以達(dá)到或接近同成分的鍛造模具鋼。鑄造模具鋼有其優(yōu)點(diǎn)也有其缺點(diǎn)，這就要根據(jù)實際情況來選用。當(dāng)前，國內(nèi)關(guān)于鑄造模具鋼的研究主要集中于熱作模具鋼，相對的關(guān)于鑄造冷作模具鋼的研究較少，需要特別指出的是，在鑄造高碳高鉻冷作模具鋼中的網(wǎng)狀共晶碳化物是一個亟待解決的問題，除此之外，我們也需要為鑄造模具鋼制定合適的熱處理工藝以改善組織及成分的不均勻性。

三、熱作模具鋼鋼種的發(fā)展

我國傳統(tǒng)上熱做模具用鋼主要是5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V三個鋼號，其中5CrMnMo主要用于小型熱鍛模， 5CrNiMo主要用于大中型熱鍛模，但由于這兩種鋼的淬透性和淬硬性不足，熱穩(wěn)定性也差對于更大截面或更高溫度的熱鍛模他們難以勝任。3Cr2W8V鋼具有很高的熱穩(wěn)定性高使用溫度達(dá)650℃，以前廣泛用于黑色和有色金屬熱擠壓模和Cu、Al合金的壓鑄模，但是這種鋼的導(dǎo)熱性能低造成其冷熱疲勞性能差模具使用壽命不高，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸退出市場。當(dāng)前，由于被加工材料加工難度的增大以及鍛壓機(jī)械的能力增大和加工件形狀趨于復(fù)雜等因素，對熱作模具用鋼性能的要求越來越高，為了適應(yīng)這種變化提高熱做模具鋼的性能，國內(nèi)外的研究工作者經(jīng)過多次研究試制后，相繼研發(fā)了一些綜合性能高的熱作模具鋼。傳統(tǒng)模具制造方法是采用鍛材或軋材經(jīng)熱鍛后進(jìn)行機(jī)械加工獲得模具，與傳統(tǒng)模具制造方式相比采用精鑄成型制造模具，其型腔精度高、表面光潔，可以省略鍛造工序，省去機(jī)械粗加工，有時甚至省去精加工，這樣就會極大的降低生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期，符合當(dāng)前低能耗高效率的發(fā)展趨勢，是一種非常有前景的模具加工方式，但是由于鑄造工藝的特點(diǎn)所決定，要發(fā)展鑄造模具就需要研發(fā)出適合用于鑄造的相應(yīng)材料。目前國外精密鑄造熱鍛模己形成規(guī)模生產(chǎn)并得到較廣泛應(yīng)用，國內(nèi)鑄造的熱鍛模壽命較低與國外相比有較大的差距。

四、塑料模具鋼鋼種的發(fā)展

隨著塑料制品的迅速推廣應(yīng)用，塑料模具的生產(chǎn)和技術(shù)在近年來取得了迅速發(fā)展，相應(yīng)的塑料模具用鋼也取得迅速發(fā)展。國際上一些工業(yè)先進(jìn)國家的塑料模具的總產(chǎn)值已占模具總產(chǎn)值的近一半，而且這個比例還在不斷上升，塑料模具鋼也己形成一個專用鋼系列。隨著我國塑料工業(yè)的快速發(fā)展，我國塑料模具工業(yè)也跳躍式發(fā)展，其產(chǎn)值己躍居模具工業(yè)總產(chǎn)值的首位，但是我國塑料模具鋼的發(fā)展比較滯后，至今還未能形成完整的塑料鋼種系列。有鑒于此，國內(nèi)對專用塑料模具用鋼進(jìn)行了研制，并取得了一定進(jìn)展'。塑料模具鋼大致可以分為以下幾類預(yù)硬型塑料模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、耐蝕型塑料模具鋼、非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼、滲碳型塑料模具鋼等，其中預(yù)硬型、時效硬化型、滲碳型是當(dāng)前應(yīng)用較多的鋼種。