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世界模具材料生产的现状和进展


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世界模具材料生产的现状和进展
上海工程技术大学 朱祖昌 第十一届中国国际模具技术和设备展览会于今年 5.8.~5.12.在上海举办. 这次展会的 参展商来自世界 16 个国家和地区, 参展单位近 1200 家. 这次展会继续保持着模具专业展世 界第二和亚洲第一的地位.吸引了约 11.8 万多来自 30 个国家和地区的观众. 现代

工业, 模具领先. 模具工业水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一. 近年来,随着汽车和 IT 工业的发展,我国模具工业得到快速的发展,2005 年模具销售额达 610 亿元,模具出口达 7.38 亿美元,同比增长达 25%和 51%.因此,展览会的举办是对我 国模具工业技术发展的大检阅,也是国际和国内模具制造新技术发展和交流的大舞台. 作为模具工业重要物质基础的模具材料在本届展览会上也充分展示了其重要性. 展会共 设有 30 家模具材料的展台,分别来自美国,德国,法国,日本,瑞典,韩国和我国.同时, 在展会期间举办的技术交流会共有 27 场,其中模具材料的讲座就有 6 场.可见,世界制造 模具钢的许多厂商都十分看中中国的市场. 除了大家已熟悉的 ASSAB, 大同和日立等企业外, 法国的 Arcelor Group, Aubert & Dural, 德国的 KIND & Co, Edelstahl 和韩国的昌原 (Chang Won Specialty Steel)都在采取果断措施进入中国.本文将对本届展览会上参展的生产模 具材料工厂的现状和进展情况加以阐述. 1,Arcelor Group(阿赛洛集团) : 法国阿赛洛集团是世界上最大的钢材生产集团之一,该集团 2006 年 6 月已与俄罗斯的 Severstal 集团合并成为世界上最大的钢铁企业.Indussteel 钢厂是 Arcelor 集团的主要 成员.现在有三个生产基地,分别设于法国和比利时.Creusot 的 Schneider 工厂成立于 1836 年.该厂具有先进齐全的生产设备,拥有 200T 100MVA 的电炉,经 VAD 和 VOD 真空精 炼,浇铸成钢锭或压铸和连铸.能生产厚度达 950mm 的板材,并确保均匀材质和性能稳定, 生产钢材的 70%用于出口. 在全球市场中模具钢和工具钢板材的市场占有率 2003 年占 22%, 生产量为 65000 T .该厂生产的热作模具钢有 1.2343,1.2344,1.2767 和 AH-61,供给的 尺寸宽度≤2000mm,厚度≤300mm;冷作模具钢有 1.2842,1.2510,1.2363,1.2379 和 Tenasteel ,其宽度与上相同,厚度≤150mm;塑料模具钢有预硬 300HB 的 P20 (1.2311, 1.2312)1.2738 和 Superplast 300;预硬 400HB 的有 1.2714 和 Superplast 400.供应的 尺寸厚度都为≤800mm,宽度分别为≤2500mm 和≤2000mm. 该厂 新 发 展的 热 作模 具 钢 ; 冷作 模 具钢 和塑 料 模 具 钢有 AH- 61 ;Tenasteel 和 Superplast 系列钢,主要分别介绍如下. 1.1AH-61 优质热作钢:它是专为铝压铸模所设计,可以避免使用时的热磨损和热疲劳 发生龟裂从而提高模具使用寿命. 材料的化学成分列于表 1, 其硫磷含量为 0.001%和 0.008%, 相应非金属夹杂物控制在极低水平, 当然很好的改善了韧度和高温强度. 钢材以退火态供货,

用心专注 服务专业 均匀和细小的晶粒的显微组织使热处理后晶粒保持细小,碳化物的均匀分布和相对低的偏 析. 该钢的奥氏体化温度为 1020~1050℃,加热应缓慢,保温时间为 1min/mm. 淬火时要有足够的冷速,防止铁素体 F 和贝氏体 B 的生成,对薄小工件实行高压气淬, 对大厚工件需采用油淬达到要求的硬度,并同时避免变形和开裂,注意在 50~70℃区间应停 止冷却. 淬火后的回火分两次进行:第一次回火在 500~550℃范围,应在淬火后立即进行,到温 后保持 2 小时;第二次根据需要硬度选定,维持 2 小时. 表 1 AH-61 和 Tenasteel 钢的化学成分 钢号 C Si Mn Cr Mo V S P 其它 AH-61 0.40% 1.00% 0.35% 5.00% 1.30% 0.90% 0.001% 0.008% Tenasteel 1.00% 0.35% 7.50% 2.60% 0.30% Ti 1.2 Tenasteel 冷作模具钢:是一种新型更通用的工具钢,具有高的强度,韧度和耐 磨性,并具较好的机加工和抗热氧化性.采用电炉和真空精炼技术.化学成分见表 1,相应 降低了 C 和 Cr 含量,另外加入 Ti 和 Nb 使碳化物细小均匀,加入 MO 以得保持耐磨性能.钢 材具有相当低的杂质含量,洁净度有所提高. 钢材的退火硬度≤255HB, 1050℃奥氏体下冷却后经二次回火后得到的性能列于表 2, 在 相应的韧度指标接近于 X160CrMoV12(相当于 Cr12MoV)的两倍,刀具使用寿命可增加 25%以 上.淬火冷却最好是真空气淬,或在 250~350℃的盐浴炉中进行,形状简单的工件才采用油 淬. 淬火后立即缓慢冷至-80℃, 待完全均匀后缓慢加热至室温, 可使残余奥氏体的量减少, 硬度坛加,这种冷处理可适用于简单形状工件. 表 2 Tenasteel 的性能改善 退火

硬度 加热

温度 两次回

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后硬度 韧 度

TENASTEEL X160CrMoV12

≤255HB 1050℃ 525℃ 60/62HRC 20J/cm2 12 J/cm2

550℃ 59/61HRC 30 J/cm2 15 J/cm2

575℃ 58/60HRC 35 J/cm2 19 J/cm2

1.3 Superplast 400:它是一种高硬度(出厂硬度为 380HB)预硬塑料模具材料,特 别适用于承受高挤压力和冲击力的模具, 钢材具有好的加工性能和优异的焊接性能. 板材在 20mm 至 600mm 厚范围内,硬度确保于 360~400HB 内,钢材的屈服强度,抗拉强度为 1150 和 1250MPa,延伸率>10%,钢材的杂质含量非常低,尤其是氧,保证了高的洁净度,适合于镜 面抛光.适合于制作热塑性塑料的注塑和挤压模具等.

2,Aubert & Dural(奥伯杜瓦公司)

它是世界上生产合金,锰,镍合金领导企业的 Eramet(埃赫曼)冶金矿业集团的成员 之一.公司能够设计,制造,加工和销售特殊钢,铝合金和钛合金等,同时与集团内的爱和 高速钢公司(Erasteel)一起共同开发和生产范围广的钢种.公司拥有 40~70 吨电弧炉,中 间包精炼炉,真空脱氧设备,真空感应熔炼炉(VIM)12 吨,25 吨电渣重熔精炼炉(ESR) , 3 吨真空重熔精炼炉(VAR)等熔炼设备;锻造设备主要有 1200~4500 吨的连续锻造机械和 4500~6500 吨模锻机; HIP 设备 (φ1200mm) 热处理设备有长 200 mm 至 21 米的淬火回火炉, ;

用心专注 服务专业 能处理数 kg 至 20 吨的产品部件.

Aubert & Dural 公司生产的热作模具钢, 塑料模具钢, 冷作模具钢和玻璃模具钢有 ADC3, SMV3,SMV4,DH13,MEK4,DH13,SMV3,X13T6,XDBD,X15TN,APXV 和 SRV2,SANCY2,APXV, X25V,这些钢种中的 ADC3 和 MEK4 介绍如下:

2.1 ADC3:是该公司的专利钢种,也可表示成 X36CrMo V5-1,出厂硬度为 235HB,常用 的 硬 度 为 ( 43~50 ) HRC, 具 有 高 的 抗 热 龟 裂 和高 韧 度 , 高 耐 磨 性 . 材料 锻 造 温 度 为 1000/1150℃.退火温度为 830℃,保持后缓冷.淬火处理工艺如下:首先预热 700℃,然后 升温至 990℃,在 2~6 bar N2 下快速冷却,或急速冷至 280℃盐浴炉中然后空冷至室温, (两 种冷却方法按工件尺寸确定) .回火操作在 550℃先施行第一次回火,然后按工件要求在 550~650℃间选定,进行第二次回火, 适用于高要求的大型 Al 合金, 合金的压铸模具和 Al Mg 合金挤压模具.模具适合进行渗氮处理使表面达 1000 HV 的硬度.同时模具可以进行预热下 的焊接和现场的焊接.

2.2 MEK4:相当于德国钢号 1.8523,或表示成 40CrMoV13-9,公开的成分为:C 0.40%, Cr 3.00%,Mo 1.00%和 V 0.20%.钢材的相变点为:Ac1 795℃,Ac3 835℃,它通常在预硬 条件下供货,硬度为 400HB(Rm 为 1400N/mm2) ,具有良好的加工性能,它具有好的韧度, 耐磨性和尺寸稳定性.可用于制造塑料模具,光蚀刻花性好,模具可进行渗氮处理,表面达 800HV 的硬度.

对于以退火态的供货材料进行淬火处理工艺为:预热 700℃, 奥氏体化温度 920℃, 冷却 条件为:空冷或气体加压淬火,根据零件形状可采用油冷.可适合于制作轻合金压铸模具和 大型锤锻模具等.

该公司正在研究压铸用最佳热作模具钢 SDC,目前未见相关资料.

3,KIND & Co 公司

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KIND & Co 公司的 Edelstahl werk(特殊钢工厂)成立于 1888 年,积累了百余年生产 精炼工具钢的经验和不断改进及发展的生产设备, 产品日益满足顾客对高品质的要求, 公司 专门研发和生产高级热作模具钢,塑料模具钢,不锈钢和玻璃模具钢等.工厂拥有两台电渣 重熔炉 (25T) 和进行三维锻打的 1000T, 2000T 锻压设备. 2001 年购置了欧洲最先进的 13 bar 真空淬火炉,工作室尺寸为 1500×1000×1000 mm,最大加载质量为 2500kg.2003 年购置 了渗氮炉,工作室尺寸为 1500×1000×1000 mm,最大加载重量为 3500 kg.为此,能对高级 模具钢提供特定要求的热处理来获得最佳性能.

该公司主要生产的热作模具钢,塑料模具钢,和玻璃模具钢等.前者主要有 USN (1.2343,X38CrMoV5-1),USD(1.2344,X40CrMoV5-1),USNS(1.2347,X40CrMoVS5-1),RPU(1. 2367,X38CrMoV5-3),MAK(1.2567,X30WCrV5-3),MA(1.2581,X30WCrV9-3),HWD(1.2678,X45Co CrWV5-5-5),RPCo(1.2885,X32CrMoCoV3-3-3),RM10Co (1.2888,X20CoCrWMo10-9), HMoD(1.2889,X45CoCrMoV5-5-3)和 TQ1(专利钢种) ;塑料模具钢除一些热作模具钢和相当 于 P20 的 钢 外 , 还 有 RF ( 1.2083,X42Cr13 ) ,CRS(1.2085,X33CrS16),CMR(1.2316, X36CrMo17),N400(1.2767,X45NiCrMo4) 和 专 利 钢 种 Plast 1 等 ; 玻 璃 模 具 钢 有 USN(1.2343,X38CrMoV5-1),ZF2(1.2782,X16CrNiSi25-20)和 FAM(1.2787,X23CrNi17)等, 本文主要介绍 TQ1 和 Plast 1.

3.1

TQ-1

TQ-1 是 KIND & Co 公司的专利高级模具钢.其合金元素的含量设计按优化组合和按最 新的熔炼和锻造制作技术,经合理的热处理工艺处理后能获得 高的韧性和很高的高温强度 的结合并具高的抗热疲劳,热冲击开裂和高温耐磨性.从而能可靠地增加模具寿命.适合于 制造结构复杂和大型的精密压铸模具,并可用来制造挤压模具,锻模和热变形模具. 该钢的化学成分列于表 2,它是一种 Cr-Mo-V 合金模具钢,在测试温度 600℃和水冷条 件下的热冲击试验中, 6000 次后裂纹长度仅为 1.2367 钢的 1/2 左右和 1.2343(H11)钢的 经 1/3 左右,由此可见 TQ-1 钢的韧性提高是很明显的. TQ-1 钢的退火工艺温度为 820~840℃,经 4~6 hr 后炉冷,退火后硬度≤220HB.其去应力退 火工艺为:650℃经 2~4 hr 后慢冷.淬火工艺为:1010~1020℃奥氏体化,经保温后空冷, 或在约 540℃的浴槽中冷却,或在油或聚合物介质中冷却,或在油或聚合物介质中冷至 230~280℃取出, 或采用真空气淬, 淬火后硬度约 54HRC; 回火工艺为: 温度范围为 540~680℃ 按使用硬度选定,为提高韧度需回火 3 次.该钢可以进行氮化,对压铸模具按特定工艺, 不 出现化合物层从而不出现对热交换的影响.

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3.2 Plast 1

Plast 1 是 King & Co 公司的专利塑料模具钢,属具有极高耐蚀性,极好的机加工性和 尺寸稳定性, 还具有好的导热性能, 焊接性,耐磨性和韧度. 常以预硬态供货, 硬度约 320HB. 该钢的化学成分列于表 2 中,属含 Mn 的铬不锈钢.

该钢和 1.2085 钢相比,可加工性,耐蚀性,韧度和可焊接性均有不同程度的提高,但其 抛光性与 1.2085 钢相当.

4. Schmiede werke Grditz GmbH(德国葛利兹钢厂)

该厂专注于塑胶模具钢,热作模具钢,冷作模具钢,不锈钢和合金结构钢的生产,下设 7 个分厂,工厂拥有高容量的电弧炉,钢锭重量可达 140 吨,电渣重熔工厂的最大钢锭质量 为 84 吨,最大直径达 1600mm,并具有最高的纯净度满足工业上高技术的要求.作为全球性 的跨国企业,葛利兹有 17 个区域性的办事机构和代理机构. 该厂生产的塑料模具钢除 P20,420 等常规的以外,有 XPM36, XPM40HH,Tiger Mould 和 GESTSO 等 . 生 产 的 热 作 模 具 钢 有 ED1.2343,1.2344,1.2344Victory ESR,1.2347,1.2767,1.2606 和 1.2885 等 . 冷 作 模 具 钢 有 1.1545,1.2080,1.2363,1.2365,1.2379,1.2601,1.2436,1.2510,1.2550,1.2842 等.本文仅 介绍 XPM36 和 1.2344 Victory ESR 两种.

4.1 XPM36 该钢的化学成分列于表 3.其特性如下:①模具横截面上硬度均匀;②很好的抛光 性能和机加工性能; ③大大增加导热率; ④具有高的韧度; ⑤可以适用于氮化, 镀铬和刻花; ⑥改进了的可焊性.供货条件为经淬火和二次回火处理,硬度值为(32~36)HRC 或(36~40) HRC(与使用条件相关) .该厂供给的棒料尺寸可至 1300mm,板块厚度可达 1000mm.其热成 形温度为 1100~850℃; 退火温度为 710~740℃; 淬火温度为 870~890℃; 回火温度在 600~ 680℃内按硬度选定.材料的显微组织为细的贝氏体.

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适用于厚度大于 400 mm 的塑料模具,电视机壳和后壁的模具,仪器仪表外壳,控制板 和大型壳体部件的模具. 表 3 葛利兹 1.2344 和 XPM36 钢的化学成分 钢号 C Si Mn P S Cr Mo V Ni 其它

1.2344 0.38/

0.42 0.80/

1.20 0.30/

0.50 ≤0.025 ≤0.005 4.80/

5.50 1.20/

1.50 0.90/

1.10

XPM36 0.23/

用心专注 服务专业 0.29 ≤0.40 1.40/

1.70 ≤0.025 ≤0.005 1.20/

1.80 0.30/

0.70 0.90/

1.20 特加元素

4.2 W 1.2344 Victory ESR

该钢化学成分见表 3. 其特性如下: ①好而均匀的加工性和抛光性; ②高的塑性和韧度, 并且所有方向都具有极好的塑性和韧度; ③在低和高的温度下都具好的抗磨粒磨损能力; ④ 优良的整体淬硬性; ⑤好的高温强度和抗疲劳能力; ⑥淬火变形小. 材质洁净度 (按 ASTM E45 方法 A)硫化物≤0.5,氧化物,硫酸盐和球状氧化物均≤1.

该钢出厂硬度为 229HB,也可按要求以调质态供应.使用硬度为(30~55)HRC.其热成形温 度为 1100~900℃,退火温度为 820~840℃,淬火温度 1020~1050℃,回火温度为 520~700℃ 按需要硬度确定,退火组织按"退火热作模具钢显微组织图"评级鉴定.

材料适用于制造 A1,Mg,Cu 合金的压铸模具和挤压模具,也适用于要求高硬度,耐磨和 抛光性的塑料模具.

用心专注 服务专业 5,大同特殊钢株式会社

大同特殊钢公司的英文名称为 Daido Steel Co.,Ltd..1916 年设立电气制钢所(株) 开始生产合金钢和工具钢,1921 年成立大同制钢株式会社.1916 年工厂生产采用的 1.5T Heroult 型电弧炉,是日本最古老的一种炼钢炉,已于 1988 年由美国金属学会(ASM)命名 为世界上第 59 个 ASM 历史性标志(列日本第二) .大同特殊钢经过 90 年的发展,现在在特 殊钢钢材,电子材料,汽车零部件,产业机器零部件,工程设备和新材料等六个领域日益显 示出其强大的实力.它在日本拥有 17 个设备完善的工厂和一个技术研究开发中心.

在熔炼上,大同特殊钢与新日本制铁(株)和法国 Usinor-Sacilor 一起共同开发了 DC 电弧炉(DC arc furnace),它能减少闪烁 50%,能提供大功率和实现高速熔化,减小能量消 耗和降低生产成本.大同特殊钢已建立了洁净钢制造系统 ELVAC,据称列世界第一综合钢铁 制造过程. 它包括电弧炉熔炼, 钢包精炼, 真空脱气和连续铸造, 其核心是钢包精炼 LF Ladle ( Furnace Refining),采用大同自行开发的第二代精炼过程.大同已开始用新发展的结合了 RH 真空脱气系统的 AOD 炉(Argon-Oxygen Decarburizing)精炼生产洁净不锈钢.大同还 采用 TEKISON 多过程(multi-cycle)轧制系统生产高精度的所有尺寸规格的棒材(中小规 格) ,使工具钢产品实现尺寸连续可调轧制.

大同在日本除拥有可靠控制的 VAR(Vacuum Arc Remelting) ,ESR 设备外,还拥有能重 熔钛及其合金的 PPC 炉(Plasma Progressive Casting Furnace).大同提供的特殊钢产品有 轴承钢,不锈钢,工具钢,此外还有高合金和钛合金等.其高端产品还有获得世界三大航空 发动机制造厂产品材料认定的飞机发动机主轴,具有制作卓越耐热性,耐磨性的飞机发动机 主轴高速轴承产品, 为下一代磁悬列车提供螺钉和内部零件开发的兼具非磁性, 高强度和耐 腐蚀材料和具有广阔应用前景的具有高强度和耐蚀抗力的 Ni-Ti 形状记忆合金.

大同特殊钢生产的冷作模具钢, YK30, 有 YK4, GOA, GO4, GO5, GO40F, GM2, DC53 和 DC11; 热作模具钢有 DHA,DHA1,DHA2,DH2F,DH62,DH21,DH31-S,DH4,DH41,DH71,DH32, GFA 和 GF78; 塑料模具钢有 PXZ, PDS3, PX4,PX5,NAK55,NAK80,S-star,G-star,E-star, 和 MASIC 等.本文主要介绍 DHA-1 和一些塑料模具钢.

5.1 DHA-1

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大同特殊钢称 DHA-1 为耐磨性, 抗疲劳性优质的热作模具钢; 称专利钢种 DH31-S super) ( 为高寿命热作模具钢;DHA 为美国 Ford 公司推荐标准 AMTD-DC2010 上介绍的钢种,它们相 应的化学成分列表 5 中.

表 5 大同一些热作模具钢的化学成分 %

钢号 C Si Mn Cr Mo V P S

DHA 1

DHA

DH31-S 0.32/0.42

0.39 0.80/1.20

1.1 ≤0.50

0.4

4.50/5.50

5.0 1.00/1.50

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1.2 0.80/1.20

0.6 ≤0.030 ≤0.030

DHA-1 钢的特点有①细小球状碳化物均匀分布;②优良的淬透性;③抗高温回火软化性 强; ④优质的耐高温冲击和热疲劳性和⑤好的抗高温熔损性. 该钢的锻造温度为 1100~900℃, 退火温度为 820~870℃,缓冷,退火硬度≤229HB;淬火温度为 1000~1050℃,空冷;回火温度 为 550~650℃,空冷.淬火回火后硬度≤53HRC.相应的相变点为:Ac 为 847~918℃;Ar 为 769~725℃;1030℃奥氏体化后的 Ms 为 320℃.

该钢 1050℃奥氏体化油冷的淬火硬度可达 55HRC,此时的夏氏冲击值保持在较高水平 (经 600℃ 1 hr 回火) ;淬火后在 560℃回火 1hr 硬度能达到峰值,接近 55HRC,经 600℃ 回火 1 hr 硬度为 50HRC 左右. (以上数据仅对一定尺寸试样而言,供参考) .

该钢可施行 570℃×3 hr 的盐浴渗氮处理,可使表面硬度高达 1100HV(载荷 300g) .

DH31-S 钢的淬透性,耐热疲劳开裂性和耐热熔模性均高于 DHA-1.按介绍资料估算, DHA-1 钢 1030℃奥氏体化,φ150mm 圆棒空冷可淬得马氏体组织;对 DJ31~S 钢同样条件可 达φ200mm 左右.该钢退火后硬度≤235HB,切削加工性相对 SKD61 稍有降低.

5.2 大同的塑料模具钢

塑料模具钢可分为预硬系和淬火回火系两类. 预硬系材料是生产厂将材料经调质热处理

用心专注 服务专业 至 30HRC 和 40HRC 的硬度, 模具制造商对之进行加工成塑料模具后直接予以使用. 人们最熟 悉的预硬态模具材料是 P20 和 718 两种.对大同特殊钢生产的预硬系材料按合金系分为 S-C 系,SCM 系,SUS 系,3%Ni 的析出硬化系,热作模具钢(SKD)系几种.分别对应于 1055 碳 素钢的 PXZ 钢;对应于 4145 的 PDS3 和常用 P20 改良品种 PX4,PX5;对应于 X36CrMo17 的 G-Star 和对应于 SUS630 改良的析出硬化钢 E-Star; 3%Ni 的析出硬化系钢有 NAK55, NAK80; SKD 系的钢号为 DH2F.大同特殊钢生产的淬火回火系塑料模具钢有热作模具钢 DHA1(使用 硬度 45~50HRC) AISI D2 改良品种 DC53 和 PD613 使用硬度分别为 60~62HRC 和 56~61HRC) 和 ( ; 另外有对应于 SUS 420 改良的 S-Star(使用硬度为 50~53HRC) .

PX4 是硬度为 30~33HRC 的预硬化钢,适用于一般树脂和大批量生产的模具材料.它通 过真空脱气处理,组织的均匀程度好,材料表面中心的硬度分布均匀性比 P20 等提高.其切 削加工性和镜面精加工性在 30HRC 级的材料中最为良好. 它以焊接开裂敏感性低的成分平衡 进行设计,改善了焊接性,有介绍即使省略预热和焊后加热或不过只在 200℃进行,也不易 出现焊接开裂.PX5 与之相当.

NAK55 和 NAK80 是 0.1C-3Ni-1Cu-1Al 析出硬化型钢,前者加 S,具有良好切削加工性, 后者未加 S,具有良好的镜面加工性和放电加工性.同属 37~43HRC 的预硬化钢,经特殊熔炼 生产,洁净度高,性能稳定.两者具有良好的焊接性,在焊接部位硬度起先出现下降,焊接 后经 500℃×5hr 的时效处理和风冷后, 其硬度值和热影响区的硬度值均与基材的硬度相同. 该钢经 520℃ 5 hr 的气体软件氮化后,其表层硬度可达 750HV,从而能提高服役寿命.

S-Star 是具超镜面性,高硬度和耐腐蚀的马氏体型不锈塑料模具钢,经特殊熔炼而成, 其化学成分为 0.38C-0.9Si-13.5Cr-0.1Mo-0.3V,其交货硬度可在≤229HB 下或在(30~34) HRC 预硬状态下.经机加工后的最终热处理为:经 500℃和 800℃两次预热后加热至 1020~1070℃奥氏体化,然后油冷,空冷或气淬,淬火硬度可达 56HRC,回火视耐蚀性或硬 度要求在 200~400℃或 490~510℃范围进行,一般要求 2 次,回火后空冷,达 53HRC 左右, 也可进行冷处理.适合于制造照相机机身,唱片,透镜和表壳的塑料模具.

6,日立金属株式会社

日立金属株式会社的英文名为 Hitachi Metals,Ltd,.1956 年(昭和 31 年)设立,接受 加工的五个工厂有户田(Tobata) ,深川(Fukagawa),桑名(Kuwana),若松(Wakamatsu)和安

用心专注 服务专业 来(Yasugi). 其中安来工厂前身的安来制钢所起始于 1899 年成立的云伯铁钢合资会社, 1915 年扩大发展成为制造高速钢和高级特殊钢的专业工场.

发展至今的日立金属株式会社的产品涵盖电子,汽车,机械,建筑和环境等领域,如 IT 部 品和材料, 磁性应用部件, 平板显示屏, 计算机和半导体集成电路器件, 汽车零部件和材料, 环保系统产品,航空航天和核电工业材料等.

日立金属生产的冷作模具钢除去高速钢, Co 高速钢,粉末高速钢和基体高速钢外,有 SLD(相当于 Cr12MoV) ,SLD-Magic,SLD-8,APK-1,CRD,YCS3,SGT,ACD37 和火焰淬火钢 HMD1,HMD5.热作模具钢有 DAC(SKD61) ,DBC(SKD62) ,YEM(SKD7,为 3Cr3Mo 系) ,专利 钢种 YEM-K(3 Cr 系) ,含 W 热作模具钢 HDC,YDC,MDC(对应 SKD5,SKD4,SKD8) ,此外 DAC 系列钢还有 DAC10,DAC55 和 DAC3 以及 FDAC 等.塑料模具钢有 HPM1(P21 改进型,快 削型)HPM50(P21 改进型) ;HPM7(P20 改进型)HPM2(P20 改进型,快削型) ;HPM38(SUS 420J2 改进型) ,HPM77(SUS420J2 改进型,快削型) ;PSL(SOS630 改进型)和 FDAC(SKD61 快削型) ,还有含 CrNiAl 元素的析出硬化钢 CENA1,以上属预硬型塑模钢,硬度为 30HRC 的 和 40HRC 的两种.淬火回火型塑模钢除时效处理钢,粉末高速钢和基体高速钢外,主要有 HPM38 和 HPM38S(SUS420J2 改进型,硬度为 50~55HRC) ,HPM31(SKD11 改进型,硬度为 56~60HRC) ,ZCD-M(SKD11 改进型,硬度为 60~63HRC)和 ZDP4(高合金粉末模具钢,硬度 为 60~65HRC) .钢种中 HPM 为 high quatity plastil Mold steels 缩写.

本文介绍冷作钢 SLD-Magic,热作钢 DAC55 和塑模钢 HPM38.

6.1 冷作模具钢 SLD—Magic: 它是具有高服役寿命和易于加工的新一代模具钢,具有以 下特性:①与 SLD8 钢(为 SKD11 改进型的 8%Cr 钢)比,其耐磨性在 62HRC 时可提高 35%; ②加工切削性比上述钢提高 35%;③韧度与上述钢相当,比 SKD11 有提高;④热处理变形比 上述钢可降低约 40%,形状误差改善;⑤表面处理性能改善,进行 TD,CVD 等处理后,处理 层的结合性提高 30%;⑥上述 8%Cr 和 10%Cr 钢由于碳化物量减少,虽然改善切削加工性, 但耐磨性和耐咬合性比 SKD11 差.本材料与 SKD11 相当,同时韧度有提高,这样模具寿命会 较大幅度增加;⑦使用后尺寸改变小,与 SKD11 相当,经热处理后进行低温回火或冷处理, 稳定化处理后尺寸改变更小; ⑧由于对碳化物形态进行控制,与 SKD11 相比, 疲劳强度提高.

该钢的退火硬度≤255HBW.淬火加热温度 1010~1040℃,施行空冷淬火,淬火硬度可达

用心专注 服务专业 64HRC.回火温度:低温回火在 150~250℃进行,然后空冷,或在 480~530℃进行,然后空冷, 获得≥58HRC 硬度, 注意,这时会在 500℃回火时出现硬度峰值,一般会达 60~62 HRC.

6.2 热作模具钢 DAC55

DAC 是 A1,Zn 压铸用最广泛应用的材料,具有优良的强度,韧度和耐热性的热作模具 材料.近年来向高韧度和等方向性(Isotropy)发展.DAC55 属高性能压铸模具钢,具有更 长的使用寿命和中大型模具适用的高淬透性,耐热疲劳性和韧度高的 5%Cr 系列材料.

材料的特点:①耐热疲劳裂纹性优良;②可在 50~53HRC 的高硬度下使用;③耐裂纹扩 展性优良;④高的高温强度;⑤高的淬透性.应用场合:中大型压铸模具,精密压铸模具和 挤压型压铸模具.

热处理条件:淬火加热温度 1010~1030℃,急冷;回火温度 550~640℃;使用硬度: 43~53HRC.当 1020℃淬火时在 550℃~500℃范围出现二次硬化峰值,破度可达 53HRC.注意 淬冷速度与 氏冲击值密切有关,可查相关曲线图.

模具推荐使用硬度:当耐热裂为主时(如小件,挤压型模具)采用 50~53HRC;一般条件下 为 46~50HRC;当以韧度为主时,则选 43~46HRC 较合适.

6.3 HPM38

HPM38 是 13Cr 系含 Mo 不锈钢,经过特殊熔炼制成,最适合于要求高硬度,耐腐蚀和镜 面加工性高的塑料模具.

HPM38 的特点主要有:①镜面加工性优良;②比 SUS 420 J2 具有更好的耐蚀性,可以不镀

用心专注 服务专业 铬条件下使用; ③热处理变形极小, 适用于精密模具;④在预硬状态下(29~33HRC) 下供货, 可以直接使用.使用场合为:①一般透明制品用模具,如透镜,化妆品外壳;②添加阻燃剂 的树脂模具,如家电用品,办公用品,通讯器件的模具;③不能进行镀铬的模具,如食品容 器和医疗器械的模具.

对镜面加工性要求更高的模具可应用 HPM38S 钢,其洁净度比 HPM38 更高,可适合于表 面粗糙度 0.01m 以下的模具,如用于制造光碟和非球面透镜的模具,其使用硬度为 50~55HRC.HPM38 也可在该硬度下使用,适合制作 CD 外壳,医疗器械,食品容器模具等.

HPM38 的热处理条件:淬火加热温度 1000~1050℃,空冷;回火温度 200~500℃,空冷; 硬度可达 50~55HRC.它在 52HRC 条件下,屈服强度 1618MPa,抗拉强度 1912Mpa,延伸率为 13%,断面收缩为 35%.

7,高周波钢业株式会社

高周波钢业株式会社的英文名称为 Nippon Koshuha steel Co.,Ltd.,原来为日本高周 波重工业(株)于 1936 年 1 月设立,1950 年 5 月成立日本高周波钢业(株) .它作为神户 制钢所集团的一个成员, 主要从事高级特殊钢和超合金的制造和销售, 铸铁制品的制造和销 售,模具工具的制造和销售,生产的钢种有轴承钢,高速钢,合金工具钢,碳素工具钢,不 锈钢, 耐热钢,马氏体时效钢,碳素结构钢, 合金结构钢和高级特殊钢,超合金材料有铁基, 钴基和镍基的材料,此外还有恒弹性材料和电磁材料等.

特殊钢生产主要在富山制造所(Toyama Plant),拥有先进的生产设备和进行先进的工 程管理,满足多样化和高性能化需求.熔炼设备有 40T 和 10T 的弧光电炉,炉外精炼炉,真 空脱气,真空感应炉,高频感应炉和 ESR 炉等.锻造设备有 600T,1500T 和 3000T 高速油压 设施.热处理设备有线材,棒材的连续的正火炉和真空炉等.

高周波钢业的冷作模具钢有 K3M,KS3,KRCX,FH5,KD11,KD11S,KD12,KD31T 和 KPS6. 热作模具钢有 KTV,TD3,KDA,KDB,KDA1,KDA1S,KDAMAX,KDF,KDF4 和 UH660.塑料模 具钢有 KPM1,KPMAX,KPM30,KAP65,KAP88,420M,KAP90 和 SM3.

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本文介绍 KD11S,KDAMAX 和 KPM30.

7.1 KD11S 冷作工具钢

KD11S 是具有优良切削加工性的常用新型冷作工具钢, 保持了 SKD11 钢的基本特性的专 利钢. 切削性能的提高主要因为控制了碳化物形态, 从而能延长切削工具的寿命和提高机加 工效率,如对铣床加工,在一定切削长度下切削速度比 SKD11 可相应提高 50%.当进行车床 加工时,切削加工的表面粗糙度改善.而且在热处理后仍可进行切削加工,如在热处理后得 到 60HRC 下,仍可进行攻牙加工.刀具断损时的攻牙数相对于 SKD11 有明显提高.

该钢的热处理条件与 SKD11 相同, 热处理后的变形情况也与 SKD11 相同, 推荐的热处理 工艺条件为: ①淬火:500/600℃第一次预热→800/850℃第二次预热→1020/1040℃奥氏体 化加热→油冷至 200℃提出空冷;也可进行空冷淬硬或气淬.②回火:低温回火温度为 170~200℃;高温回火温度为 500~530℃.注意,热处理后的切削加工是针对高温回火件而 言.

该钢热处理后相对于 SKD11 具有高的疲劳强度和耐磨性.

7.2 KDA MAX 热作工具钢

KDA MAX 是一种高强度热作工具钢,具有优质的抗模具 R 形转角处开裂和抗水冷孔开裂 性能,为此它适用于制造复杂形状的模具或壁薄,应力易集中的 R 形转角的模具.它能抑止 水冷孔处因生锈引起水中脆化的开裂,测试表明,在 30℃水中浸渍 50hr 也难以锈蚀.相应 与 SKD61 相比,模具的水冷孔开裂可改进 1.3~10 倍.对抗激冷激热的龟裂测试,采用高频 加热方法,从 100℃加热至 600℃然后再冷至 100℃,使加热和冷却时的温差为 500℃,对 SKD61 和 KDAMAX 钢出现开裂的次数约提高 2.5 倍,同时 KDA MAX 的开裂长度比 SKD61 的短 40%,裂纹的扩展速度减慢.对 1R 缺口测试片在 100 和 600℃之间往复 1500 次的开裂长度

用心专注 服务专业 对 KDA MAX 和 SKD61 钢分别为 1.73 和 4.21mm,前者只为后者的 0.41.

该钢的淬火处理工艺如下:≤500℃第一次预热→800~830℃第二次预热→1020/1040℃奥氏 体化加热→油冷至 100/150℃取出空冷或加压气淬冷却.回火工艺为:<300 ℃装炉回火, 回火温度为 570~650℃,空冷到室温后,再在 570~650℃进行第二次回火,回火后空冷.

该钢的另一个特点是具有高的淬透性,在 1030℃奥氏体化的 CCT 曲线上,出现贝氏体 的临界冷速约为 3.5℃/min,比 KDA1S 钢的小相当多,为此, 该钢适用于中大型模具.

该钢还具有优良的抗熔损性,在 50HRC 条件下,在 700℃ADC12 熔铝中保持 1hr,其熔损失 重仅为 SKD61 钢的 2/3,即可减小约 30%.

7.3 KPM30 塑料模具钢

KPM30 钢是改进 SCM440 系塑料模具钢的某些特性的预硬(30HRC)型模具钢,并具有优 良的切削加工性, 它与 27HRC 的 P20 钢相比, 在相同切削长度条件下立铣刀的磨耗量约可减 少 50%,可以预期会显著延长加工刀具的寿命和提高加工效率.此外,它还具下列特点:① 具有优良的焊接性能, P20 钢相比焊接开裂的敏感觉性明显下降; 与 ②具有好的镜面加工性, 焊接部位的镜面加工性也好;③具有高的淬透性,与 P20 钢相比,对 500mm 厚 150mm 试件, 表面至心部的硬度均匀性明显改善.有数据表明,硬度均匀落于 30~31HRC 范围,而 P20 钢 则落于 23~27HRC 范围.这些特点使 HPM30 适合于制作中大型模具.

8,日本山阳特殊制钢株式会社

山阳特殊制钢的英文名称为 Sanyo Special Steel Co.,Ltd.,创业于 1933 年.1935 年设立山阳制钢株式会社,开始生产轴承钢.1959 年更名为山阳特殊制钢株式会社.钢厂 主要生产特殊钢棒材,线材,管材和半成品等.涉及轴承用钢,工模具用钢,汽车零部件用 钢,运输机械,工程建筑机械,石油化工设备,火力发电,电器机械等领域用钢.此外还生

用心专注 服务专业 产耐蚀,耐热用超合金,金属粉末,金属粉末冶金制品,复合材料和磁性材料等.

冶炼设备拥有电弧炉,二次精炼,RH 真空脱气设备和电渣重熔,真空电弧—自耗电极 重熔等装量,锻造方面有 1500T,3000T 压机,并拥有专用热挤压技术.热处理方面拥有球 化退火,批量处理炉和连续处理炉等.通过多年积累的技术精炼提纯,使钢材达到超低含量 的非金属夹杂物的高纯净度钢,特别将氧,硫和磷的含量控制在低的水平,并控制加入合金 元素量的偏差,使生产钢材的力学性能稳定和热处理变形的稳定,减少热龟裂,开裂等的发 生.

山阳特殊钢生产的冷作模具钢有 QK3M,QK5M,QKS3,QC1,QC11,QCD2,QCM8,QCM10, QF1,QF3 和 QF5.热作模具钢有 QD4,QD61,QDA61,QDN,QD62,QD62HC,QDH,QD10,QD6F, QDT,QXD7 和 QT41.塑料模具钢有预硬化的 PCM40 和淬火回火后在 55~62HRC 使用的 QCM8. 本文主要介绍 QCM8 和 QDH 钢.

8.1 QCM8 冷作模具钢

QCM8 是在 SKD11 和基体高速钢相结合的产物, 这种专利钢种具有以下一些特点: ①QCM8 钢含有极少共晶碳化物,既使有,其颗粒也细小得多.这样在淬火回火以后,在 60HRC 的硬 度下也具有高的韧度和优良的抗疲劳性能. 按该公司资料, 形缺口冲击韧度可达 80J/cm2, V 比 SKD11 约高出四倍. ②钢的淬火工艺条件与 SKD11 相同, 450~550℃范围回火后硬度可 在 达 60HRC 以上,高于 SKD11 钢,但这时的冲击韧度较低些(仍比 SKD11 钢高出 2 倍多) .③ 具有优良的耐磨性能. ④具有良好的淬透性和更小的热处理变形. 出现贝氏体的临界冷速小 于 SKD11 钢.⑤比 SKD11 钢更合适进行 TD 法和渗氮处理.⑥可进行高精度线切割加工,不 易开裂.

该钢在 1030℃奥氏体化,AC1b 为 825℃, Ac1e 为 885℃ Ms 点为 200℃,相应淬火工 艺参数为:第一次预热 500~650℃,第二次预热 800~850℃,淬火加热温度为 1030~1050℃, 气淬或分级淬在 250~500℃盐浴中(每 25mm 保持 10~20 分) ,也可进行油淬至 200℃出油空 冷.回火温度为 500℃或更高,回火后空冷,一般进行 2 次.

用心专注 服务专业 该钢可应用于精冲模具,冷锻模具,冷挤模,拉伸模,卷边模,成形轧辊或磨粒磨损塑 料成形模具等.

8.2 QDH 热作模具钢

QDH 是获专利的钢种,兼具 SKD7(3%Cr3%Mo 型)钢的高温强度和抗高温软化能力,又具 SKD61(5% Cr1% Mo 型)的淬透性.该钢在冶炼过程中采用了山阳特殊钢独特的 LF 中间包 工艺及 RH 真空脱气,使其杂质含量降至极低,明显减少模具的龟裂.同时其热处理变形比 SKD61 小以及具更佳的表面渗氮性能.

QDH 钢的退火处理温度为 820~870℃,缓慢冷却,退火硬度≤229HB.经深度机械加工后 的退火工艺为:缓慢加热到 860~870℃炉冷到 500℃下空冷,如厚度>250mm,则随炉冷至 300℃后空冷.

淬 火 工 艺 : 650 ℃ 第 一 次 预 热 , 800~820 ℃ 第 二 次 预 热 ( 大 件 ) 淬 火 加 热 温 度 , 1020~1050℃,在盐浴炉或真空条件下淬火,当工件厚度大于 150 mm 时应选用盐浴炉分级或 油淬方法.淬火后硬度≤55HRC.

回火工艺:温度按需要硬度选取,回火一般 2 次,大尺寸模具应进行 3 次.按资料介绍 600℃回火后,硬度约 52HRC.

该钢主要用于温锻模具,铜锻模具,铜压铸模具,铝挤出模具等.

结束语:

用心专注 服务专业

本文以近两年来在模具等展会上收集的世界各模具材料制造厂的资料和样本为依据加 以汇综撰写而成, (介绍的钢种一般为这些公司常推荐或在杂志上刊出的) 以达到较好反映 , 当 前 模 具 材 料 生 产 的 现 状 及 进 展 , 这 次 刊 登 的 为 Arcelor, Aubert&Dural, King&CO, Schmiede Werke Groditz GmbH 和日本的大同,日立,高周波及山阳(各以字母排列为序) 等八家.对在模具材料活跃的其它厂家,由于时间关系,以后再作论述,尤对美国一些制造 商,尚需化时间去接触了解.

关于有些公司的熔炼方面的情况, 有的选自公司介绍资料, 有些来自各公司的网站资料, 可能会有一定出入.本文所以列入是为国内钢厂参考,本文希望国内钢厂迎头赶上,生产出 国产的超级或优级模具钢.纵观全局,超级或优级钢材的成分设计,形成我国特有的专利钢 种,去与国外钢厂相竞争,可能是一条相当重要的出路.对 H13 钢的成分研究和设计,本文 作者已作过努力,只是尽了点绵薄之力.今后殷切希望更多学者,专家一起耕耘.

参考文献

[1]Arcelor, Aubert&Dural, King&Co, Schmiede Werke Grodidz GmbH,大同特殊钢株 式会社,日立金属株式会社,高周波钢业株式会社,山阳特殊制钢株式会社的样本.

[2] Arcelor, Aubert&Dural, King&Co, Schmiede Werke Grodidz GmbH,大同特殊钢株 式会社,日立金属株式会社,高周波钢业株式会社,山阳特殊制钢株式会社的 Internet 网 页.

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