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世界模具钢生产的现状和进展

时间:2021-09-07 16:15人气:编辑:钢铁之家
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  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,...

世界模具钢生产的现状和进展

 

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,列世界第三, 模具出口达7.38亿美元,相应同比增长达25%和50.31%。但是,我国高端模具的进口达13.3亿美元,为净进口模具量较大的国家。为此,我国还仅处于模具生产大国的地位。我国要由模具生产大国向模具生产强国提升,需要不断提高模具工业水平,主要应体现在模具加工机械的现代化,模具设计的先进性和设计软件的研发,模具材料的国产化和模具钢性能的优化,模具产品结构的发展,其中的高技术含量、大型、精密、长寿命模具的生产和出口应不断增长。模具材料作为模具工业发展的重要物质基础,世界各國予以充分重视。我国模具工业的发展提供了一个很好的模具钢市场,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。本文将对世界上生产模具钢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16日已与俄罗斯的 Severstal 集团合并成为世界上最大的钢铁企业。Industeel 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,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。该钢的Ac1为855℃,Ac3为935℃,Ms点为290℃。

  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。它在1050℃奥氏体化后淬火冷却,经二次回火后得到的性能列于表2,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,硬度增加,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

火温度

热处理

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/cm 2

575 ℃

58/60HRC

35 J/cm 2

19 J/cm 2

 


  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(360~400)HB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,真空脱气设备,真空感应熔炼炉(VIM)12吨,25吨电渣重熔精炼炉(ESR),30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4500~65000吨模锻机;今日钢材价格HIP设备(φ1200mm);热处理设备有长200 mm至21米的淬火回火炉。能生产数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℃。该钢的Ac1为840℃,Ac3为900℃。该钢的 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,Mg合金的压铸模具和Al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

  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,X45CoCrWV5-5-5),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3,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,经6000次后裂纹长度仅为1.2367钢的1/2左右和1.2343(H11)钢的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。

3.2 Plast 1

  Plast 1是Kind & 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3中,属含Mn的铬不锈钢,是高性能的预硬不锈钢。它适合于制造要求极高耐腐蚀性和镜面抛光性不太高的注塑模具、挤出模具以及耐腐蚀的机械零部件。


  表3 TQ 1和Plast 1钢的化学成分

 

钢 号

C

Si

Mn

Cr

Mo

V

S

其 它

TQ 1

0.36

0.25

0.40

5.20

1.90

0.55

 

 

Plast 1

0.045

0.40

1.30

12.5

 

 

0.15

+

 


  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 Gr?ditz 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4。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。

  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4 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/

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4。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。

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、有YK30、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

  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

DHA1

0.32/0.42

0.80/1.20

≤ 0.50

4.50/5.50

1.00/1.50

0.80/1.20

≤ 0.030

≤ 0.030

DHA

0.39

1.10

0.40

5.00

1.20

0.60

 

 

DH31-S

专利钢种( 0.4C - 5.5Cr – Mo – V )

 



  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损性均高于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)和AISI D2改良品种DC53和PD613(使用硬度分别为60~62HRC和56~61HRC);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)和安来(Yasugi)。其中安来工厂前身的安来制钢所起始于1899年成立的雲伯铁钢合资会社,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,硬度可达53HRC。注意淬冷速度与 夏 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0.01µm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。
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,与P20钢相比焊接开裂的敏感觉性明显下降;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,V形缺口冲击韧度可达80J/cm2,比 SKD11约高出四倍。②钢的淬火工艺条件与SKD11相同,在450~550℃范围回火后硬度可达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。

  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:

  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, Kind&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。

 

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