冷加工模具鋼材高性能化現狀及未來趨勢

冷加工模具鋼材高性能化現狀及未來趨勢冷加工方法有鍛造、沖壓、精密落料、滾軋成形、軋制成型等。這些用途的模具鋼材要求具有一定的硬度、強度和耐磨損性，所以在C較高(0．7％ ～2．4％)的鋼中，需添加許多可形成Cr、Mo、V、W等硬質碳化物的合金元素。迄今使用的代表性冷加工工模具鋼是稱為冷加工三鋼種的JIS SK3、SKS3、SKD11。一直以來，要求冷加工模具具有很高的強度和耐磨損性，但隨著近年來塑性加工技術的進步，由于近終形加工致使應力負荷增大，以及汽車部件采用高強度鋼板使被加工材料強度提高，這種超負荷產生的裂紋和重復應力負荷造成的疲勞破壞，導致早期退役的事例不斷增加，抑制裂紋缺陷成為一大課題。
另一方面，模具制作中的重要課題是降低模具制造成本和縮短加工時間，以及通過改善熱處理效率縮短超前時間。本文針對這些“高性能化”、“降低成本”、“易使用”等多樣化要求，闡述了對提高模具鋼材功能的研究。㈠提高模具壽命冷加工模具主要的損傷形態是磨損、剝落、裂紋、變形幫粘結等，要求模具鋼材有很高的硬度、耐磨損性、強度和韌性。但在高硬度情況下使用，再加上高應力，往往會出現裂紋、剝落、磨損而導致早期壽命結束。作為影響這種冷加工模具鋼材機械特性的***大因素是組織中碳化物的彌散狀態。由于高C-高Cr的通用模具鋼材SKD11(1．5％C-12％Cr-1％Mo-0．2％V)在煉鋼鋼錠的凝固過程中，一次碳化物(Cr系)結晶很多，易粗大化，所以，一次碳化物及其凝聚部分成為破壞機械特性的主要原因。因此，以SKD11為基礎開發出了合金成分達到***佳化，可控制碳化物的8％Cr系模具鋼。8％Cr系模具鋼材通過降低C和Cr，抑制了由于粗大碳化物的生成而造成的裂紋、剝落。由此，通過減少一次碳化物、均勻彌散微細析出碳化物獲得了高于SKD11的3～4倍的沖擊值。而且，通過恰當調整Mo、V量，在高溫回火中達到62HRC以上的高硬度，由于其硬度和韌性均衡性***，主要被廣泛用于易產生裂紋和剝落的用途，特別是使用環境苛刻的冷鍛造模、精密落料模、剪切機刀刃等也都達到了良好的壽命。㈡降低模具制造成本在汽車沖壓模具方面，如上所述，隨著部件的近終形加工和被加工材強度的提高，過去作為模具材料使用的鑄鋼、SKS等合金工具鋼和火焰硬化鋼逐漸被換成模具鋼材SKD11，其使用比率不斷增加。但是，模具鋼材用于需要重切削的深雕刻形狀的模具，由于不易切削，因而改善切削性是***大的課題。為此，各公司以縮短模具加工時間和減少切削工具來降低模具制作成本為目標，開發出了快削模具鋼材。以下介紹8％Cr系列快削模具鋼材的實例。8％Cr系快削模具鋼材不僅大幅度改善了SKD11的切削性，而且是與8％Cr系模具鋼材有相同韌性和疲勞強度的鋼種。一般認為，如果添加快削元素就會惡化機械特性。但這種8％Cr系快削模具鋼材通過恰當添加快削元素量，以及對有助于切削性的夾雜物彌散狀態的有效控制，使切削性和機械特性均得到兼備。采用8％Cr系列快削模具鋼材，進刀速度為SKD11的1．5倍，由于每個刀刃進刀量是固定的，所以轉數也是1．5倍，這種模具加工的結果是：粗加工中縮短加工時間33％ ，工具磨耗減少30％ ；精加工中也是縮短加工時間33％ ，工具磨耗減少50％ ，確實縮短了加工時間和減少了切削工具費用。而且，熱處理尺寸變化特性、焊接性和放電加工性能均***，在模具制作方面，不僅減少了手工作業時間和設計變更等，而且在易使用這點上對用戶需求都有較大貢獻。
㈢以更高性能化為目標作為冷加工模具高性能的材料，除了以上介紹的8％Cr系快削模具鋼材以外，還使用了基體高速工具鋼系列、粉末高速工具鋼系列等有高硬度和高韌性，而且可提高耐裂紋性、耐剝落性的鋼種。特別是粉末高速工具鋼因為是凝固金屬粉末制造成的，所以能應對煉鋼法中難度大的合金設計，而且能使微細碳化物均勻彌散分布，大幅度提高韌性。因此，能有效抑制模具使用中出現微小剝落和裂紋。尤其是改善過的基體系列粉末高速工具鋼，利用合金成分***佳化和粉末工藝達到了***佳韌性，硬度60HRC的是SKD11的5倍以上，64HRC時具有以往粉末高速工具鋼2倍以上的高韌性。另外，***高硬度達到66HRC以上，疲勞強度也很好，因此被廣泛用于冷鍛造、精密落料、各種沖孔、模具、各種冷加工工具(芯棒、滾子等)等用途。㈣相關的新技術發展動向隨著近年來塑性加工條件越來越苛刻，可以說對于改善模具壽命僅僅靠提高模具鋼材的性能是不夠的。***近，作為模具相關技術日益受到關注的是表面處理，在改善由于磨損和粘結等原因報廢的模具壽命方面取得了顯著的成果。用于冷加工模具的表面處理方法有CVD(化學真空鍍膜)、TRD(熱反應析出、擴散)、PVD(物理真空鍍膜)處理等。CVDQ和TRDQ的處理溫度高達1000℃以上，在硬質膜和模具鋼材界面可形成擴散層，所以膜的粘附性非常好，主要在汽車高強度鋼的深沖、彎曲沖壓成型等表面壓力高的用途方面，其壽命的改善取得了很好的效果。但是，由于處理溫度很高，很容易產生處理前后的尺寸變化和變形等。另外，PVD法的處理溫度較低約500℃，所以能夠控制處理前后的尺寸變化和變形。但硬質膜的粘附性較差，因此，研究了把氮化等擴散硬化處理作為底層處理來改善粘附性的復合表面處理方法。在實際使用方面也有許多改善金屬模壽命的例子。而且，***近在汽車沖壓成型用的PVD法，具有與CVD和TRD法相同的性能，已在實際中應用。㈤綜述本文針對冷加工模具鋼材的高性能化問題進行了闡述。今后，隨著全球性競爭，對模具壽命、成本的要求會越來越高，不只是模具鋼材，通過與熱處理、表面處理、CAE分析等相關技術的綜合效應來提高模具品質和性能是今后的一個重要課題。