国外模具钢材发展概况(一)│模具钢材钢种的发展|

国外模具钢材发展概况(一)│模具钢材钢种的发展

国外 模具钢材发展概况(一)│模具钢材钢种的发展
随着我国改革开放的深入发展，外国模具已进入我国钢材市场并占有一定的市场，特别是沿海地区，外国模具钢占有国内模具时常相当大的份额，因此了解国外模具材料发展状况及国内市场销售国外模具钢的情况，对模具制造者有一定的帮助。
㈠、模具钢钢种的发展
模具钢根据用途可以分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。各工业发达国家的国家标准中都列出了本国标准，并不断更新充实。随着模具工作条件的苛刻，各国还相继发展了不少适应新要求的新钢种。
目前各国使用量较大的集中在十几种通用模具钢上。现将三类模具钢的发展情况概述如下。
⒈ 冷作模具钢
冷作模具钢是应用比较广泛的一类模具钢，主要用于制造剪切、冲压、冷挤压、冷镦、压印、辊压等用途的模具，一般要求具有高的硬度、强度和耐磨性，一定的韧性和热硬性，以及良好的工艺性能。国外通用型冷作模具钢是：低合金油淬模具钢O1(9CrWMnV)、中合金空淬模具钢A2(Cr5Mo1V)和高碳高铬模具钢D3(Cr12)、 "/-3-183-186.">D2(Cr12Mo1V1)等
为了满足冷作模具的特殊要求，各国有针对性地发展了一些新型的模具钢，主要有：
⑴高韧性、高耐磨性模具钢 Cr12型模具钢，耐磨性好，但是韧性差，抗回火软化能力不足。近30年来，国外相继发展了一些高韧性、高耐磨性模具钢，其碳铬含量低于Cr12型钢，增加了钼、钒合金含量，钢中形成了大量MeC型高弥散度碳化物，其耐磨性优于Cr12Mo1V1钢，韧性和抗回火软化性能则高于Cr12型钢。比较有代表性的钢号有日本大同特殊公司的 DC53（Cr8Mo2VSi）、日本山阳特殊钢公司的QCM8（8Cr8Mo2Vsi）、美国矾合金刚公司的Vasco Die(8Cr8Mo2Vsi)，分别用于冷挤压模具、冷冲模具及高强度螺栓的滚螺纹模具上，并取得了良好的使用效果。
⑵低合金空淬微变形模具钢 这类钢的特点是合金含量较低，一般小于5%（质量分数），但是淬透性和淬硬性都较好，￠100mm的轴类都可以空冷淬透，淬火后变形小、工艺性好，价格低，主要用于制造精密复杂模具。新研制低合金空淬微变形模具钢有日本大同特殊钢公司的G04、日本日立金属公司的ADC37、美国的A4（Mn2CrMo）、A6(7Mn2CrMo)
⑶火焰淬火模具钢 20世纪70年代，国外开始研发一些适应火焰淬火需要的冷作模具钢。由于采取氧乙炔喷嘴进行局部加热空冷淬火，难以严格地控制和测定温度，因此要求火焰淬火模具钢具有淬火加热温度宽、淬透性好等特点。火焰局部加热淬火具有工艺简便，可以缩短模具制造周期、节约能源、降低制造费用等特点，已经广泛地应用于冲压、冷礅、下料、剪切等冷作模具。
火焰淬火模具刚研发很可快，代表性的钢号有大同特殊钢公司的G05，日本日立金属公司的HMD1、HMD5，日本山阳特殊公司的QF3和日本爱知制钢公司的SX105V（7CrSiMnMoV）等。
⑷粉末冶金冷作模具材料 采用粉末冶金工艺生产的高碳高合金模具材料，由于钢液雾化形成的微细钢粉凝固很快，，完全可以避免一般工艺生产的高碳冷作模具钢在浇注后缓慢凝固，产生粗大碳化物和偏析等缺陷。因此，粉末冶金模具钢具有磨削性能好、韧性好、等向性好、特处理工艺性能好等特性。
由于粉末冶金模具钢具有良好的特性，近十几年来在国外发展较快，而且发展了一系列的粉末冶金模具钢钢号，如美国坩埚钢公司发表的CPM9V、CPM10V、CPM440V等，德国发表的320CrVMo13.5等。由于这些钢中含有大量弥散度高的、高硬度的MeC型碳化物，其耐磨性能介于硬质合金钢和高合金冷作模具钢之间。由于韧性好，因此制成的模具寿命可以与硬质合金钢模具相似；由于工艺性能好，因此适于制造形状复杂、工作条件苛刻的长寿命模具。其使用寿命可比模具钢模具提高几倍至十几倍。
⒉热作模具钢
热作模具钢要求钢在模具的较高工作温度下具有良好的强度、硬度、耐磨性、抗冷热疲劳性能、抗氧化性和抗特殊介质的腐蚀性能，用于制造锻压、热挤压、压铸、热镦锻和高温超塑成形用模具。
国外通用的热作模具钢有三种类型：即低合金热作模具钢，如55NiCrMoV6和56NiCrMo7等；中合金热作模具钢，如H13(4Cr5MoSiV1)和H11(4Cr5MoSiv)；钨系、钼系热作模具钢，如H21(3Cr2W8V)、H10(4Cr3Mo3VSi)等。
为了适应热作模具发展的需要，国外相继开发了一些新型热作模具钢，主要分为以下几种类型：
⑴高淬透性特大型锻压模具钢 通用型的锻压模具钢如5CrNiMo、5CrNiMoV等，由于淬透性的限制，一般只适于制造厚度为300~mm的模具，而大型锻压设备有时模具重达几十吨，随着模具截面的增大，要求进一步提高模具材料的淬透性，以使模具的心部能够得到较高的均匀的性能。国外发展了一系列土高合金含量的高淬透性模具钢。代表的钢号有国际标准ISO中的40NiCrMoV7、法国NF标准中的40NCD16等，适于制造模块截面较大的大型锻压模具，其淬透性能高于通用型锻压模具钢。
⑵高热强性模具钢 由于热作模具的工作温度不断提高，工作条件日益苛刻，传统的高热强性热作模具钢，其代表钢号有以下四种类型：
①中合金高热强性热作模具钢。一般是在3Cr3Mo3SiV(H10)、4Cr5MoSiV1(H13)钢、瑞典的QR080（3Cr3Mo2VMn）钢，该类钢与3Cr2W8V钢相比较具有更好的高温强度和抗回火软化能力，在生产中使用效果良好。
②沉淀硬化型热作模具钢。沉淀硬化型热作模具钢碳含量较低，一般在2%（质量分数）左右。另外含有铌、钒、钼、铝等一些沉淀化的合金元素，模具淬回火后，组织为板条状型腔加工。模具在使用过程中，与高温工件接触，模具表面被工件加热到钢的沉淀硬化温度（500~600℃），使其工作表面合金碳化物和金属间化合物析出，模具表面的硬度可提高到-45~48HRC，从而提高了模具型腔表面的耐磨性而心部仍保持原有的组织和高韧性，模具的使用寿命得到提高。
沉淀硬化型热作模具钢的代表性钢号有：日本大同特殊公司的DH76（2Cr3Ni3V）,日本日立金属公司的YHD3、YHD26、YHD28。
③奥氏体型热作模具钢。奥氏体型热作模具钢为了适应工作温度达700~800℃热作模具需要而研制的，因为一般热坐模具钢，当工作温度超过650℃时，就会产生回火现象，钢的热强性急剧下降。这类钢经固溶时效处理后，在700~800℃仍能保持较好的强度，可以用于制造高温工作条件下的模具。缺点是这类钢导热性差、热膨胀系数大，抗热疲劳性能较差，不适宜用于急热冷条件下工作的模具，如采用水冷却的模具。这类钢代表性的钢号有日立金属公司的5Mn18cr10V2钢、日本大同特殊钢公司的5Mn15Ni5Cr8Mo2V2钢等。
④基体钢和低碳高速钢。基体钢是降低高速钢的碳含量，其化学成分只相当于淬火后的高速钢的基体组织的成分，该钢由于淬火后过剩碳化物数量少、细小均匀，所以钢的韧性和抗热疲劳性能得到改善。既可以用于热作模具材料，也可用于制造高性能的冷作模具材料。代表性的钢号有美国钒合金公司的Vasco MA(5Cr4W3Mo2V)等。
低碳高速钢是为了改善高速钢的韧性和抗疲劳性差而研制的，将高速钢的碳含量降低至0.3%~0.6%（质量分数），在降低部分热硬度和耐磨性的情况下，改善其韧性和抗冷热疲劳性能。代表性的钢号有美国标准ASTM标准钢号H25（3Cr4W15V）、H26(5W18Cr4V)、H42(6W6Mo5Cr4V2)等。低碳高速钢和基本钢一样，其综合性能较好，既可以用于热作模具钢材料，也可以用于制作高性能的冷作模具
⑶高蚊热作模具材料 随着一些新的热加工技术的发展，上述热作模具钢不能满足需要，就需要研制新型高温模具材料，如铁基高温合金、镍基高温合金和难熔合金做高温热作模具材料。
日本日立金属公司近年来研制出一种镍基造合金Nimowal，专门用于镍基高问合金材料等温锻造模具，在1050℃下的高温强度可以与钼基难熔合金相近，而抗氧化性良好，可以用做大气下对高性能镍基高温合金进行等温锻造的模具材料。
美国常用的用于等温模具的锻态镍基合金有Waspaloy、Udimet700、As-troloy、IN718 、Uniemp和铸态镍基合金INI100、IN713C、MAR~M200等，其超塑性温度高达950~1100℃，一般在1000℃以下使用的模具采用高热强性的锻态或铸态的镍基高温合金制造。
在1000℃以上工作的模具，一般采用钼基合难熔合金制造。美国常用的三种等温模压模具用的钼基合金是：TZM、TZC、MHC等，该类合金在1000℃以上的高温下仍具有较高的热强性。
⒊塑料模具钢
随着塑料制品的迅速发展推广应用，塑料模具的生产和技术在近30年来取得了迅速发展，塑料模具钢也取得迅速发展。国际上一些工业先进的国家塑料模具的总产值占模具总产值的近40%，而且这个比例还在不断上升，塑料模具钢也已形成一个专用钢系列。如美国的ASTM标准中的P系列包括了7个钢号，其他国家一些特殊钢公司也都研发了塑料模具专用钢系列，如日本日立金属公司就列入了15个钢号。
国外新型塑料模具钢发展趋势有以下几个方面：
⑴预硬型塑料模具钢 精密复杂塑料模具无论采用何种热处理技术都无法保证模具不变形。预硬型塑料模具钢是在冶金厂时即进行了预先的调制热处理。得到了模具要求的硬度和性能。然后把模具加工成形不再进行热处理，从而保证精密复杂模具的精度。代表性的钢有瑞典的ASSAB公司的718钢（3Cr2MnNiMo）、美国的P20钢、日本的PDS5等。
⑵时效硬化型塑料模具钢 对于精密、复杂、长寿命的塑料模，为了避免在热处理的过程中产生变形，研发了一系列的时效硬化型塑料模具钢。代表性钢钢号有美国的P21（2Ni4AlCrV），日本大同公司特殊钢公司的NAK55（2Ni3AlCuMo5）、NAK80等。这类钢经过固溶处理后，硬度为30HRC左右，然后由用户加工成模具，成形后进行时效处理，由于金属间化合物的析出，使模具的硬度土高到40~50HRC。由于时效温度低、变形小而有规律，适用于制造形状复杂、尺寸精度要求高、超镜面以及大型塑料模具。
⑶耐蚀塑料模具钢 在生产产生化学腐蚀介质的塑料制品时（如聚氯乙烯、含氟塑料、阻燃塑料等），模具材料必须具有较好的抗腐蚀性能。一般采用马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。代表性的钢号有国际标准ISO中的110CrMo17,瑞典UDDEHOLM公司的 "/-3-323-455.">STAVAX ESR、S136（4Cr13），德国蒂森克鲁伯公司的GS083等。
⑷无磁塑料模具钢 无磁模具钢适用无磁性的粉末压铸模和要求无磁性的塑料模具，代表性的钢号有日本日立金属公司的HPM75钢、日本大同特殊钢公司的NAK301钢等。