模具材料及其发展概况

模具材料及其发展概况

模具材料及其发展概况

朱福顺1, 2, 王鹏程1, 郭胜利1

(1. 内蒙古工业大学材料科学与工程学院, 010062; 2. 辽宁交通高等专科学校机电系,

110122)

摘 要 本文全面的综述了金属成形和塑料成型模具的常用和新型材料, 同时对模具

材料的发展

及推广提出建议。

关键词 热作模具材料; 冷作模具材料; 塑料模具材料

1 引言

随着制造业的快速发展, 模具行业得到空前的

发展, 模具被广泛的应用于金属、陶瓷、塑料等材料

的成型。模具的设计与制造是这一行业的主要研究

内容, 但成功研制的新型模具材料对其发展注入了

新的活力。

2 金属成形常用模具材料

2. 1 热作模具材料(锤锻模钢和热挤压模具钢) [1, 2 ]

2. 1. 1 常用热作模具材料

5CrN iMo 和5CrM nMo 是常用的锤锻模钢, 前

者以用于大型(锻模高度大于300mm ) 或型腔复杂

的热锻模; 而5CrM nMo 适宜于制造中、小型锻模

(锻模高度小于300mm )。两种钢的主要缺点是热强

度、热稳定性能稍差, 在受热条件较恶劣的热锻模

(400℃以上) 时, 热强性和使用寿命不足。3Cr2W 8V

是常用的热挤压模具钢, 它是一种高热强性热模钢

并具有良好的锻造、机械加工和热处理工艺性能, 在

热挤模和热冲模上有广泛的应用。但3Cr2W 8V 钢

的冷热疲劳性较差, 尤其是用火冷却时, 模具的热疲

劳寿命更低。3Cr2W 8V 钢冷热疲劳性差的原因除

含钨量高外; 另一未被充分认识的原因是不尽合理

的碳含量。

2. 1. 2 国内研制的新型热作模具钢

HM 1 钢(4Cr3Mo3W 2V ) 和HM 3 钢(3Cr3Mo3

VN b) 是结合我国资源条件研制而成的。HM 1 钢获

国家发明奖。这两种钢突出的优点是具有最高的室

温与高温冲击韧性和优良的抗冷热疲劳性, 适用于

制造高温、高速、高载荷、火冷条件下工作因断裂或

热疲劳失效的热作模具。GR 钢( 4Cr3Mo3W -

4V T iN b) 含有较高的钨和少量的钛和铌, 具有最高

的热强性和热稳定性以及良好的抗热疲劳性, 适于

制造温度较高与工件接触时间长, 容易引起热变形

塌陷或热磨损失效的模具。O 12A l 钢

(5Cr4Mo3SiM nVA l) 和CG2 钢(6Cr4Mo3N i2WV )

属于基体钢。这两种钢含碳量高, 热疲劳抗力较差,

突出的优点是有高的硬度、强度以及耐磨性, 可冷热

兼用, 可取代Cr12 型钢和高速钢用以制造要求高强

韧性的冷镦、冷冲和冷挤模具[4 ]。新型的锤锻模具钢

有5r2N iMoV Si 和5Cr2N iMoV Si 这两种钢具有高

的淬透性, 热稳定性比5CrN iMo 高150℃, 回火时

有二次硬化效应, 高的强韧性, 因此适宜于锤锻模

钢。新型的热挤压模具钢有4Cr5MoSiV (H11)、

4Cr5MoSiV 1 ( H13 )、3Cr3Mo3W 2V ( HM 1 )、

5Cr4Mo3SiM nVA l ( 012A l) 和4Cr3Mo2 - VN iN b

(HD) 淬透性较高, 高的高温强度及韧性, 高的热稳

定性, 良好的冷热疲劳抗力。使用温度: H13 ≤

600℃, HD≤700℃, 故适宜于热挤压模。

2. 2 冷作用模具钢(冷镦模具钢和冷挤压模具

钢) [1, , 3 ]

2. 2. 1 常用冷作模具材料

对冷作模具材料的主要性能要求是: 良好的耐

磨性, 足够的强度和韧性, 高的疲劳寿命, 良好的抗

擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。常用的冷镦

模具钢有T 10A、9SiCr 、9Cr2、Cr12MoV 等, 凹模镶

块可用Cr12MoV 、W 6Mo5Cr4V 2、WC (含13%～

25%Co)、W 18Cr4V 钢制造, 形状复杂、冲击大的凸

模可采用耐冲击钢5CrW 2Si、60Si2M n 和基体钢。

冷镦模具表面要求高硬度(≥60HRC) , 硬材料的冷

镦模具要整体淬硬, 以防压塌; 在保证不堆塌的前提

下, 为了使模具有足够的韧性, 防止开裂, 冷镦模具

的心部硬度以40～ 50HRC 为宜。冷挤压模具钢常

用的模具材料有Cr12MoV 、Cr12Mo1V 1、

W 6Mo5Cr4V 2 钢和基体钢等, 内预应力环常采用

4Cr5MoV Si、4Cr5MoV 1Si 钢(46～ 48HRC) , 外预应

力环通常用4Cr5MoV Si、5CrN iMo 等钢制造。低中

碳钢的冷挤压模具要求有高的硬度(59～ 66HRC) ,

高的抗压屈服强度和适当的韧性。

2. 2. 2 国内研制的新型冷作模具钢

新型的冷作用模具钢有65Cr4 W 3Mo2VN b

( 65N b )、6Cr4Mo3N i2WV ( CG - 2 )、

5Cr4Mo3SiM nVA l (012A l)、65W 8Cr4T i (LM 1) 和

65Cr5Mo3W 2V SiT i(LM 2) 等; 高的强韧性, 良好的

耐磨性, 可是用于冷挤压模、冷镦模和冲模。

2. 3 冲压模具材料

炭素工具钢T 8A、T 10A、40Cr: 最常用、最便

宜、应用最广泛的冲模材料优点是加工性好, 有一定

的的硬度; 但其淬火变形大, 耐磨性能较差; 热处理

HRC58℃～ 62℃。低合金工具钢CrWMo 、gCrSi 钢:

淬透性能好, 淬火时变形小, 适用于中小型冲模;

HRC 热处理58℃～ 68℃。高炭高铬模具钢Cr12、

Cr12MoV , 其优点为易淬透、稳定性高、具有高强

度、抗压强度高及微变形小; 常用于冲击力大寿命高

形状复杂的冲摸, 热处理HRC58℃～ 62℃。高炭中

铬模具钢Cr6WV 、Cr4W 2MoV , 虽其耐磨性、淬透

性能稍差, 但因加入W 、MOV 元素, 提高了钢的稳

定性、综合力学性能, 适用于弯曲模; 热处理

HRC58℃～ 62℃。Cr12MoVCr2M n2SiWMoV 钢,

具有高淬透性能, 空冷硬度变形小; 是冲压模与拉伸

模的常用材料; 热处理HRC58℃～ 62℃。YG 硬质

合金, 是一种多相硬质合金材料, 硬质合金是一种性

能介于陶瓷与高速钢之间的工具与结构材料, 其耐

磨性、稳定性、综合力学性能、硬度都高; 可用于大批

量寿命高的小型冲摸。其缺点加工性能差, 价格高。

YE 钢结硬质合金, 钢结硬质合金用钢作粘结剂, 是

0 2 内蒙古石油化工 2005 年第7 期

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不含钴的硬质合金, 采用粉末冶金法烧结制成, 是一

种即具有合金钢的可加工性又具有硬质合金的高耐

磨和高硬度的材料, 是一种长寿命的好冲压模具材

料。

3 塑料成型模具材料概述[4～ 8 ]

塑料模具材料的要求, 材料高度纯洁, 组织均匀

致密, 无网状及带状碳化物; 无孔洞疏松及白点等缺 陷; 应具有良好的热加工工艺性能, 热处理变形少,

尺寸稳定性好; 淬透性高, 热处理后应具有高的强韧 性、高的硬度和耐磨性, 等向性能好; 在硬化状态下 应具有良好的镜面抛光性(成型面表面粗糙度Ra≤

0. 100Lm ) 及花纹图案蚀刻性; 预硬后应具有良好的 切削加工性; 应具有良好的耐氟氯腐蚀性和一定的

耐热性。

3. 1 常用塑料成型模具材料

冷挤压、渗碳淬硬钢20、20Cr 、SM 1CrN i3, 正

火、调质钢45、SM 45 、SM 48、SM 50、SM 53、SM 55,

调质钢, 预硬化钢40Cr 、SM 4Cr5MoSiV、

SM 4Cr5MoSiV 1、SMCr12Mo1V 1, 预硬化钢(通用

型) 3Cr2Mo、SM 3Cr2Mo, 预硬化钢(大型、精密复

杂、镜面抛光) 3Cr2N iM nMo、SM 3Cr2N iMo、

SM 3Cr2N i1Mo, 易切削时效硬化钢(高精密、复杂)

SM 2CrN i3MoA l1S, 高碳高合金工具钢(高硬度、高 耐磨) SMCr12Mo1V 1, 耐腐蚀钢2Cr13、2Cr13, 耐

腐蚀钢, 高耐磨3Cr17Mo 、SM 3Cr17Mo、4Cr13 、

SM 4Cr13, 冷挤压、高耐腐蚀钢1Cr18N i9, 高碳工具

钢T 10 ( A )、CrWM n、9SiCr 、9M n2V ,

5CrN iM nMoV SCa 钢, 属易切削预硬化精密塑料模

具钢, 在预硬状态下(36～ 48HRC) , 具有良好的综

合力学性能、耐磨性能、等向性能、切削性能和镜面

抛光性能。

3. 2 新型塑料成型模具材料

大截面易切削预硬钢P20BSCa 、P20Sre,

P20BSCa 特别适合于大型或超大型塑料模具的使

用, P20Sre 可满足大截面塑料模具钢的常规性能要

求。5CrN iM nMoV SCa (5N iSCa) ; 大型塑料模具, 使 用硬度: 35～ 45HRC。属易切削非调质微合金化钢

FT , 生产成本低, 具有良好的强韧性和抛光性能。马

氏体析出硬化型镜面塑料模具钢10N i3M nCuA lMo

(PM S) 用于要求有高镜面的精密模具, 例如光学透

明塑料镜片模具。马氏体时效析出硬化不锈钢

0Cr16N i4Cu3N b (PCR) 用于高硬度、耐腐蚀的精密 塑料模具。低镍马氏体时效钢06N i6CrMoV T iA l 用 于精密复杂的塑料模具, 例如磁带盒及照相机模。

M n- B 系中高碳空冷贝氏体钢空冷12 钢生产工艺

简单、节能、成本低(因省去了淬火重新加热工序) 、 模具寿命长;M n- B- S- Ca 系中碳低合金易切削

空冷贝氏体钢Y82 其特性与上述的空冷12 钢相

似, 它在热成型后空冷, 再经中温回火, 获得硬度约 40HRC 及良好的强韧性配合。如用于电视机壳模

具, 含硫系易切削预硬钢Y55CrN iM nMoV (SM 1)、 8Cr2M nWMoV S 具有高的强韧性、优良的镜面抛光

性, 可渗氮, 用于高精度模具。4Cr5MoSiV S (H11+

S) 钢属易切削预硬钢, 用于要求耐热耐磨的大中型

塑料模; 3Cr2M nMo 钢(低硫) 通用型, 用于一般要

求的中小型模具; 3Cr2N iM nMo 钢(低硫) 高级型,

用于大型精密复杂长寿命模具; 3Cr2N iM nMoV 钢

(超低硫+ Ca) 超级型, 用于特大型精密复杂长寿命

的模具。新型有色合金有铸造锌基合金(4%A l-

3%Cu- 0. 05%M g) , 制模后可在模具表面直接电

镀硬铬, 制模周期短、成本低。用于型腔复杂的吹塑、 吸塑模; 析出硬化型铜基合金(3. 5%～ 6. 0%T i,

具型腔质量好。

4 结论与建议

研制高性能、长寿命、高的性能价格比和高效的

新型模具材料, 取代昂贵的进口钢材, 将会带来明显

的技术效果和经济效益。

研制的一些新模具材料的性能和寿命已达到或

接近国外先进水平, 但科技成果转化为实用产品特

别缓慢。因此, 建议积极开展新材料的信息交流, 尤 其是科研人员与生产者的沟通。模具制造商也不能

及时得到优质的模具材料。目前流通领域中的经、代 销商又大都为非专业性的, 模具材料特别是特种材

料的销售公司其规模和资金也都停留于较低水平的

层次上。因此加强国内模具材料的供需沟通渠道。

我国在模具钢超纯冶炼方面的使用还不够完

善, 特别是目前市场上相当一部分来自小钢厂的模

具钢。由于他们不具备精炼装备和技术, 所以就无法 达到或生产出高品位的模具材料, 使得模具钢市场

中的材料质量参差不齐。

参考文献

[1 ] 崔昆. 我国模具钢发展. 金属成型工艺, 1995 (4).

[2 ] 圻崔忠. 主编. 金属学与热处理. 机械工业出版社,

1988.

[3 ] 第一机械工业部技术情报所编, 冷挤压新工艺的应用,

1976.

[ 4 ] 殷志祥. 镜面塑料模具钢的研究与应用. 金属热处理,

1992 (1).

[ 5 ] 丁浩. 塑料工业实用手册(下册). 北京: 化学工业出版

社, 1996.

[6 ] 黄家平. 新型塑料模具专用钢SM 1、SM 2 介绍. 模具工

业, 1987 (7).

[7 ] 吴晓春. 易切削非调质塑料模具钢的组织与性能. 特殊

钢, 1996 (1).

[8 ] 吴晓春. 易切削系非调质塑料模具钢的加工性. 机械工

程材料, 1996 (1).

作者简介: 朱福顺, 男, 1976 年生, 辽宁交通高等专科学校助 理讲师, 在读硕士研究生, 主要研究方向: 模具CADöCAM。