模具钢发展概况及中国的对策

2002-11-08 00:00 来源: 我的钢铁 作者:mysteel

摘  要 综述了国外模具钢、中国模具钢发展现状,指出存在的主要问题,提出中国模具钢迈入新世纪的对策:1)发展非金属形成模具钢,不断完善中国模具钢系列:2)建议几个具有先进水平的模具钢厂(线),增加品种、提高质量、降低成本;3)成立中国模具钢产、销、研联合体,促进模具钢及模具产业的发展;4)扩大模具钢出口,把我国合金资源和劳动力资源优势化为模具钢产品优势;5)以系统工程观点,从当代集成式钢铁生产模式出发,研究开发先进模具钢。
关键词    模具钢    概况    对策
   模具是工业产品的主要成形工具。模具制造在工业发达国家已经成为一种新兴行业,其产值已超过机床产值,例如日本1998年模具工业产值已达600亿美元。
      目前家电80%、机电70%以上零部件使用模具成形。据国际生产技术学会预测,到2000年机器零件粗加工的75%,精加工的50%用模具成形。这表明工业产品质量的提高,成本的降低在很大程度上受模具性能、质量和使用寿命的制约[1]
     模具钢是模具产业最重要的技术和物质的基础,其品种规格、性能、质量对模具的性能、寿命,模具制造周期以及工业产品向高级化、多样化、个性化、高附加值化方向发展具有决定的意义,因而模具钢的研究开发一直受到各国的重视。
   1. 国外模具钢的发展概况
   1.1  模具钢性能高级化[2]
   1.1.1  高纯度模具钢
     钢纯度提高到一定水平,不但可以改进钢的原有性能而且可以赋予钢新的性能,日本大同特钢公司把SKD61钢中硫、磷含量从0.03%降到0.01%以下,冲击韧性提高一倍以上。日立金属公司把SKD61钢中磷含量从0.03%降到0.001%,钢的冲击韧性从40J/cm2提高到130J/cm2。德国蒂森把2344EFS钢中磷降低到≤0.003%,且细晶化,则钢的疲劳性能明显提高。日本山阳特殊钢公司规定高纯度模具钢[0]≤10-5、[S]≤5×10-5
   1.1.2  等向性模具钢
     模具在使用时多向受力,但大型模具的横向、厚向塑性和冲击韧性比纵向要低,因而奥地利开发了等向模具钢ISODIK,日立金属公司开发了ISOTROPY、日本NKK公司开发了高等向性模具钢厚板,使模具的横向和厚向的塑料和韧性达到纵向的80-90%以上。
    1.1.3  超细模具钢
      日本高周波的Microfine钢、德国的高耐磨性粉末模具钢X320CrVMo136,由于钢中存在细小均匀、弥散的碳化物,且后者钢中碳化物面积达50%,明显改进了钢的耐磨性、可磨削性、韧性以及等向性,用作特种陶瓷成形模具,使用寿命优于硬质合金模具。
      生产高性能模具必需采用新工艺,新技术和新装备。生产低合金模具钢使采用精炼,大断面无缺陷连铸,高刚度连轧机及高精度扎制,可控气氛热处理炉,不同类型的精整,精加工以及无损探伤技术。生产高合金模具钢,或性能要求很高的模具钢还要采用精料,双真空冶炼,电渣重熔,钢锭高温均匀处理,大压下量多向锻造或多向扎制或大型水压机开坯和精锻机组合锻造,真空退火等进一步来提高钢的纯度、细化组织,提高钢的等向性。
    1.2  模具钢品种规格多样化,产品精料化、制品化
      模具钢材品种规格齐全,而且扁钢,板带材比各占40%(日本),因为冷冲模、落料模、剪切模和塑料模等是由扁平钢材组装而成。
      按照技术条件向用户提供经机加工的模具钢扁钢、方钢、冷拉材以及无芯磨削棒材,直接或梢经精加工后即可使用,日本一些厂模具钢材精料比已达50-60%。
      模具钢制品化己模具钢的深加工。钢厂提供经精加工并经淬、回火处理的模块、模板和制品。日本大同特钢可提供14个通用模具钢牌号、2500多种规格、经淬、回火和精加工、组装就可交货,大大缩短了模具钢制造周期,而钢厂由于生产高附加值产品而获利。
    1.3  塑料模具钢高速发展并系列化[3、4]
      美国ASTM合金工具标准中有7个塑料模具钢,日本大同特钢有13个塑料模具钢。
      根据塑料模具钢性能和使用条件可分为:1)小尺寸模具用中碳调质钢;2)大中型模具用预硬型、中碳低合金模具钢;3)为改进切削性的含硫、铅预硬化易切削模具钢;4)时效钢和马氏体时效钢,用于制造复杂、精密、高镜面模具,模具在固熔态加工,时效后使用,该钢具有高强高韧、高硬度、热处理形变小等特点;5)整体淬火,高硬度模具钢,使用高淬透性冷或热作模具钢制造复合强化塑料的模具;6)渗碳型塑料模具钢(低碳合金钢);7)耐蚀塑料模具钢(含不锈钢),耐聚氯、聚氟乙烯腐蚀;8)镜面抛光模具钢(超高纯度钢),制造镜片、镜头。各国塑料模具钢见下表。
                         表    各国塑料模具钢

标准 中碳钢 预硬化钢 时效型钢 渗碳钢 耐蚀钢 整体淬火钢
调质 易切削 析出硬化型钢 马氏体时效钢
ISO   35CrMo2       5CrMo4 20Cr13 160CrMoV
100CrMoV
40CrMoV
AISI-A681 1050

1055

P20   P21   P2、P3 420 H13
P4、P5 D2
P6 A2
日本大同 PDS1 PDS3 DH2F

PD742

NAK101 MASIC   PD555 DHA1

DC53

PDS5 NAK55
PX5 NAK80
中国 45

50

55

3Cr2Mo

3Cr2NiMo

  25CrNi3-

MoA1-

1Ni3AlCu

06Ni6Cr-

MoVTiAl

  4Cr13Ni 4Cr5MoSiV1
Cr12MoV
Cr12Mo1V1
Cr5Mo1V

    1.4  充分发挥现有高效、通用模具钢的作用
      尽管各国标准中模具钢的牌号很多,但用量最大的不过10多种,这些牌号的特点是品种规格多、质量高、性能好、应用范围广、性能价格比具有竞争力,各国都在采取有效措施,充分挖掘并发挥这些牌号的潜力,使之高效化、通用化是模具钢发展的重要方向。
    1.5  不断研制先进模具钢[2、5、6]
    1.5.1  先进冷作模具钢
      1)高韧性、高耐磨性冷作模具钢
     美国Vasco Wear(8Cr8Mo2V2Wsi)、日本QCM-8(8Cr8Mo2SiV)、DC53(Cr8Mo2SiV)、TCD(Cr8V2MoTi)等,该类钢碳化物细小、弥散、抗弯强度、断裂韧性、耐磨性、可切削性、可磨削性更高。热处理形边小,用于制造冲裁模、冲压模使用寿命比Cr12Mo1V1提高1-3倍。
     2)粉末冷作模具钢
     可生产常规工艺难以生产的超高碳,高合金,高耐磨性的模具钢和钢基碳化钛,如德国的X320CrVMo135,细小、弥散分布的碳化物面积达50%,制造特种陶瓷模具的寿命高于硬质合金模具。
     3)表面淬火模具钢
     淬火温度范围宽,淬透性高,广泛用于冲压、剪切、下料模具和大型镶块模具,属经济型模具钢,如日本的SX105(7CrMnSiMoV),SX5(Cr8MoV)等。
   1.5.2  先进热作模具钢
     1)基体钢
     其成分相当于淬火后高速钢基体组织成分,热处理后碳化物细小、弥散,钢的强韧性和热疲劳性很好,如美国的Vasco MA。
     2)低碳高速钢
      将高速钢的碳含量减半,既保持一定的红硬性、耐磨性、又改善钢的韧性和热疲劳性,如美国H25、H26、H42  等。
     3)高温奥氏体热作模具钢
     在800℃下的钢的σb≥600MPa,但导热性低,膨胀系数大,热疲劳性低,不宜制作耐剧冷、剧热工作模具,如日本的5Mn15Cr10V2,5Mn15Ni5Cr8Mo2V等。
    4)高温耐蚀模具钢
      为改进耐熔融态金属熔蚀和抗氧化性而开发钢种,如原苏联制造铜合金压铸模具用的18X12BMBφP钢,使用寿命高于H13,日本显象管玻壳模具用3Cr13MoV有很好的使用效果。
     5)高淬透性热作模具钢
     法国的40NCD16,前苏联的27X2H2Mφ,其淬透性均比5CrNiMo钢高。
   2  中国模具钢发展现状及存在的问题
   2.1  中国模具钢发展现状[6]
      建国以来,我国模具钢有很大发展,目前,国产模具钢产量约20万t,其中合金模具钢占50%左右,15个重点特殊钢厂基本上都可以生产。大量生产钢号有8个,即3Cr2W8V,5CrNiMo,5CrMnMo,4Cr5MoSiV1,Cr12,Cr12MoV,CrWMn及9SiCr,圆棒占80%多,扁钢、板材、模块、精料个制品尚少。国际通用的35CrMo2、100CrMoV5、35CrMoV5等产量还小。
     中国抚钢引进的模具钢专用高精度扁钢、方钢生产线以及投产,一些特钢厂有炉外精炼、真空冶炼、电渣重熔、快锻机和精锻机,为模具钢生产奠定了良好基础。
      模具钢质量有较大的提高,例如H13、D12钢出口产品冶金质量达到国际先进水平;P20大型塑料模块以调质状态出厂,模块截面硬度波动为±2HRC;试制的热锻模具钢模块的等向性、淬透性和回火稳定性等指标均达到国际同类产品的先进水平[7]
       研制了一些新钢种,其中,冷作模具钢有高耐磨钢Cr4W2MoV、基体钢6Cr4W3Mo2VNb、低碳高速钢6W6Mo5Cr4V、高强韧性钢7Cr7Mo2VSi、表面淬火钢7CrMnSiMoV、空冷微变形钢Cr2Mn2SiWMoV、8Cr2MnMoWVS、无磁钢7Mn15Cr2A13WMoV和钢结硬质合金GT35。热作模具钢有高韧性、高热疲劳性能的3Cr3Mo3W2V、基体钢5Cr4Mo3SiMnVA1、5Cr4W3Mo2V,高淬透性锻模钢4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoV、3Cr2MoWVNi,高温奥氏体热作模具钢9Mn9Cr8Ni4V2WMo、7Mn10Cr8Ni10Mo3V2、5Mn15Ni5Cr8Mo3V2,显象管玻壳模具4Cr13Ni。塑料模具钢有:时效钢25CrNi3MoAl、1Ni3AlCu,马氏体时效钢06Ni6CrMoVTiAl和易切削钢5CrNiMnMoVSCa等。
      近两年中国模具钢以批量出口,出口数量约占产量的15%。
    2.2  中国模具钢存在的问题[6]
    2.2.1  模具钢质量不高
     与工业发达国家比,高合金冷作模具钢共晶碳化物高0.5-1.0级,5CrNiMo模块淬透性及等向性偏低,钢材外观外形质量较差。
   2.2.2  钢材品种规格不全
     通用、高效模具的品种少、产量低,尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷专用模具钢系列。钢材中扁钢、板、带,特别是精料比、制品比低,因此模具钢材利用率比国外低10%。我国家电行业用于制造高档次模具的钢材大量依靠进口。
   2.2.3  模具钢生产专业化程度低
     中国模具钢分散在10多个特钢厂生产,各厂年产量最高2万t左右、最低几百t,生产工艺装备,特别是后步工序、深加工设备落后,从而制约模具钢质量水平的提高。
   2.2.4  模具钢供销渠道不畅通
     模具制造多为单件、小批量生产,所需钢材要求供货及时,而且品种多、规格高、质量高,但数量少。全国上万家模具厂,平均每家约需不同品种规格钢材10―20t,而钢厂最小批量也是10t以上,但是,目前中国缺乏国外那种的钢材商店可随时供货,从而大大影响模具的制造周期、质量和成本。
   3  中国模具钢的对策
   3.1  发展非金属成形模具钢
     开发塑料模具钢系列尤其是中厚板、特厚板、扁钢、模块等,解决精密、复杂、大型塑料模具钢;同时研究陶瓷,耐火砖用先进模具钢。
   3.2  建议模具钢专业生产厂(线)
     充分发挥抚钢新建采用计算机控制的5机架平立式可逆精轧机生产高精度扁钢和方钢生产线的作用;完善模具钢精料产品和制品生产线,提供冷拉材、剥皮材、磨削和抛光钢材以及经机加工并淬、回火的模块和模块等制品;通过技改,提高本钢、太钢模具钢厚板质量;采用精料、真空冶炼、电渣重熔、多向锻造和多向轧制、真空热处理来生产高级模具钢,例如高抛光性、镜面模具钢,精密、复杂、长寿命模具钢。
   3.3  成立模具钢产销研联合体
     建立由模具钢生产厂、模具制造厂、用户和研究单位组成集生产、制造、应用、研究为一体的跨行业实体,统一规划、分工协作解决模具钢材供销渠道不畅的矛盾,并做好模具钢材售前和售后服务工作。推广国际高效、通用模具钢,研究开发非金属成形模具钢,开展国际合作交流,专业人材培养等一系列促进中国模具行业高速发展有关问题。
   3.4  扩大模具钢出口
     中国有丰富的钨、钼、钒等合金资源以及劳动力资源优势,大量出口高合金模具钢,特别是高合金模具钢精料和制品,把我国合金资源以及劳动力资源转化为模具钢产品优势应该成为模具钢今后发展的战略目标。
    3.5  研究开发先进模具钢
      单纯依靠合金化研究先进模具钢的观点已经过时,把合金化、特别是微合金化和高纯净度冶炼技术、无缺陷大方坯连铸技术、多向锻造和多向轧制技术、控轧控冷、细化组织技术以及表面处理技术等结合起来,是发展先进模具钢的重要途径。
 参考文献
[1]杨  铿,机械工业部幅部长杨铿同志讲话,模具工业,1985,1,P3―6
[2]徐  进,国内外模具钢生产概况及其展望,1995年特殊钢学术年会论文集,本溪,1995,8,P143―153
[3]姜祖赓、陈再枝,模具钢,北京,冶金工业出版社,1988,P145―160
[4]Roberts G A,Gary,R a. Tool Steel,4th Edition,ASM,1980
[5]张嘉立,我国模具材料应用技术现状与发展,中国模协通讯,1997,7,P6―10
[6]陈再枝,我国模具钢现状、问题和对策,钢铁研究学报,17,1995,增刊,P166―169
[7]陈再枝、姜桂兰,提高5CrNiMo锻模钢性能的研究,钢铁研究学报,1993,2,P39―46
[8]于少奎,模具中长期科技发展要点,模具工业,1991,1,P2―5
作者:陈再枝(钢铁研究总院)


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