模具材料技術研發領域面臨革命

  隨著我國模具工業的發展,對模具材料的數量、質量、品種和性能等方面提出了更高、更新的要求、模具材料市場也得到迅速的發展。據國際模具及五金塑膠產業供應商協會常務秘書長羅百輝介紹,模具用材料范圍很廣,從一般的碳素結構鋼、合金結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼、馬氏體時效鋼到硬質合金、難熔合金、高溫合金、非鐵金屬等都可選用,其中主要是屬于合金工具鋼的模具鋼。目前,中國合金工具鋼的產量已居世界前列,其中合金模具鋼約為10萬噸。中國模具工業每年消耗模具材料合計為30萬-40萬噸,其中合金模具鋼為13萬-15萬噸。

     國際模具及五金塑膠產業供應商協會鋼材專業委員會專家顧問李光超表示,目前國產模具鋼材高質量的比較少,相當部分要求高的模具鋼都需要經過真空精煉和電渣重熔,以保證鋼材的高純凈度、高致密度、高等向性,而通過電渣重熔的模具鋼所占的份額很小。模具鋼市場80%左右是黑皮圓棒材,用戶拿到材料以后還要自己改鍛改制,材料利用率低,生產周期長,不能適應現代模具制造業的需要。

     傳統鋼材替代技術

     深圳市某公司公司研制開發的新型、高效率TS4模具銅合金材料,硬度可達HRC38-45度,不用熱處理,制作加工容易,摩擦系數低,并且在合金中加入耐磨元素,使本來就耐磨的銅合金的耐磨性更進一步提高,特別適合做拉伸模的需要。在模具制造的成本中,材料費用往往只占模具成本的20%左右,但模具工業的競爭就是模具使用效率的競爭,而不是以模具材料低價位來取勝,因此對于要求較高的長壽命模具,在選用模具材料時往往需要精益求精。例如采用碳化物不均勻度為5-6級的Cr12MoV鋼制造拉伸模,使用壽命往往不足1萬件;而采用TS4銅合金模材制造拉伸模,使用壽命可達7萬件甚至更多。這是因為TS4銅合金模材的導熱性好,可以保證工作中的模具溫度分布均勻,不會因局部高溫使模具產生裂紋,也不會使拉伸產品表面出現冷焊脫痕及起皺現象,既縮短開模時間,提高模具壽命,又提高生產效率和產品質量?,F在TS4銅合金模材已成功地應用于不銹鋼板材拉伸模、鋁合金壓鑄模、塑料注射模、銅合金重力鑄造及低壓鑄造模、玻璃瓶制造模等,即將取代傳統的模具鋼和鑄鐵,堪稱模具材料領域的一次革命。

     金屬材料激光表面強化技術可用于金屬材料的表面強化,解決整體強化和其他表面強化手段難以克服的矛盾;也可用于金屬材料的表面改性,獲得低等級材料的高性能表層。激光表面強化技術引發的模具材料替代技術為降低模具制造成本開辟新途徑。

     1、冷作模具的材料替代技術

     冷作模具要求材料具有強度、韌性、耐磨、抗疲勞和咬合抗力性能。冷作模具采用中高碳碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵經激光相變強化后代替用傳統工藝的高等級材料,存在廣泛的技術應用空間。雖然冷作模具廣泛采用的高合金鋼具有合金碳化物的獨特耐磨效果,但是激光相變強化因其彌散強化、畸變強化、加工過程和熱處理過程無氧化無脫碳和具有等強工作層,可以彌補高合金鋼具有的合金碳化物的耐磨效果。因而激光強化的工藝靈活優勢在材料替代技術領域可得到更廣泛應用。塑料模具的工作溫度在350℃以下時具有冷作模具相同的材料替代技術空間。

     2、熱作模具的材料替代技術

     熱作模具材料除了要求具有強度、韌性、耐磨、抗疲勞和咬合抗力性能外,對紅硬性和抗回火性能有特殊要求。因而用低材質激光相變強化代替不了高合金鋼所具有的抗高溫性能。模具再制造技術和激光熔覆可使碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵具有抗高溫性能。塑料模具的工作溫度在400℃以上時可用熱作模具相同的材料替代技術。

     3、鑄鐵模具

    鑄鐵模具的強化潛力取決于基體組織是否是珠光體。如果基體組織有太多的鐵素體,將降低材料的淬硬性,所以鑄鐵模具的材料替代以提高強化潛力為目標。以國家標準為依據,球墨鑄鐵需選QT600以上,蠕墨鑄鐵需選RT380以上,灰口鑄鐵需選HT200以上的牌號。目前市場大量存在HT150模具,這類模具采用相變強化效果不佳。

     4、齒輪和模具的再制造技術

     在齒輪或模具損壞或缺陷部位采用激光熔覆工藝熔覆特定的合金材料,使其與基體金屬材料形成良好的冶金結合,這種修復處理不僅僅對齒輪或模具形貌進行修補,而且提高了修復部位的性能,是一種增強型修復。目前把這種業已用于齒輪和模具修復的激光表面熔覆稱為齒輪或模具的再制造技術。

     第三代汽車用鋼產業化應用啟動

     日前,中國工程院名譽院長徐匡迪院士在中國工程院見證中國一汽技術中心和中鋼研集團鋼鐵研究總院“先進汽車用鋼聯合實驗室”揭牌。國內汽車制造主廠商和鋼鐵科研“國家隊”之間的這一“聯姻”,正式拉開了由我國在世界上率先研發成功的第三代汽車用鋼產業化應用的帷幕。

     據中國工程院副院長、中鋼研集團董事長干勇院士介紹,在汽車自重中,鋼鐵材料占70%左右。因此,研發和應用“高性能、低成本、高精度、易加工、綠色化”的先進汽車用鋼鐵材料,對于汽車的安全性、輕量化及“節能減排”至關重要。他透露,鋼研總院已在世界上率先成功研發出第三代汽車鋼技術,在此領域形成了領先的材料研發優勢;而鋼研總院和一汽技術中心在“八五”到“十一五”期間,已有眾多材料技術研發項目的合作,并在先進的非調質鋼、齒輪鋼、彈簧鋼和不銹鋼等領域取得大量成功應用。此次雙方建立聯合實驗室,可以在熱成形鋼和模具鋼等汽車新材料及相關工藝技術領域加強合作,形成完整的世界級先進汽車用鋼的研發和應用的技術體系。

     一汽副總工程師兼技術中心主任李駿介紹,“十二五”期間,一汽的第三代高機動戰術軍車、解放第七代商用車、新一代輕量化轎車、新能源汽車等產品,以及汽車輕量化設計、汽車安全性設計、SCR(選擇性催化還原系統)后處理關鍵金屬材料等,將作為第三代汽車用鋼的主戰場。