模具材料技术研发领域面临革命

  随着我国模具工业的发展,对模具材料的数量、质量、品种和性能等方面提出了更高、更新的要求、模具材料市场也得到迅速的发展。据国际模具及五金塑胶产业供应商协会常务秘书长罗百辉介绍,模具用材料范围很广,从一般的碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、马氏体时效钢到硬质合金、难熔合金、高温合金、非铁金属等都可选用,其中主要是属于合金工具钢的模具钢。目前,中国合金工具钢的产量已居世界前列,其中合金模具钢约为10万吨。中国模具工业每年消耗模具材料合计为30万-40万吨,其中合金模具钢为13万-15万吨。

     国际模具及五金塑胶产业供应商协会钢材专业委员会专家顾问李光超表示,目前国产模具钢材高质量的比较少,相当部分要求高的模具钢都需要经过真空精炼和电渣重熔,以保证钢材的高纯净度、高致密度、高等向性,而通过电渣重熔的模具钢所占的份额很小。模具钢市场80%左右是黑皮圆棒材,用户拿到材料以后还要自己改锻改制,材料利用率低,生产周期长,不能适应现代模具制造业的需要。

     传统钢材替代技术

     深圳市某公司公司研制开发的新型、高效率TS4模具铜合金材料,硬度可达HRC38-45度,不用热处理,制作加工容易,摩擦系数低,并且在合金中加入耐磨元素,使本来就耐磨的铜合金的耐磨性更进一步提高,特别适合做拉伸模的需要。在模具制造的成本中,材料费用往往只占模具成本的20%左右,但模具工业的竞争就是模具使用效率的竞争,而不是以模具材料低价位来取胜,因此对于要求较高的长寿命模具,在选用模具材料时往往需要精益求精。例如采用碳化物不均匀度为5-6级的Cr12MoV钢制造拉伸模,使用寿命往往不足1万件;而采用TS4铜合金模材制造拉伸模,使用寿命可达7万件甚至更多。这是因为TS4铜合金模材的导热性好,可以保证工作中的模具温度分布均匀,不会因局部高温使模具产生裂纹,也不会使拉伸产品表面出现冷焊脱痕及起皱现象,既缩短开模时间,提高模具寿命,又提高生产效率和产品质量。现在TS4铜合金模材已成功地应用于不锈钢板材拉伸模、铝合金压铸模、塑料注射模、铜合金重力铸造及低压铸造模、玻璃瓶制造模等,即将取代传统的模具钢和铸铁,堪称模具材料领域的一次革命。

     金属材料激光表面强化技术可用于金属材料的表面强化,解决整体强化和其他表面强化手段难以克服的矛盾;也可用于金属材料的表面改性,获得低等级材料的高性能表层。激光表面强化技术引发的模具材料替代技术为降低模具制造成本开辟新途径。

     1、冷作模具的材料替代技术

     冷作模具要求材料具有强度、韧性、耐磨、抗疲劳和咬合抗力性能。冷作模具采用中高碳碳素钢、低合金钢或铸铁经激光相变强化后代替用传统工艺的高等级材料,存在广泛的技术应用空间。虽然冷作模具广泛采用的高合金钢具有合金碳化物的独特耐磨效果,但是激光相变强化因其弥散强化、畸变强化、加工过程和热处理过程无氧化无脱碳和具有等强工作层,可以弥补高合金钢具有的合金碳化物的耐磨效果。因而激光强化的工艺灵活优势在材料替代技术领域可得到更广泛应用。塑料模具的工作温度在350℃以下时具有冷作模具相同的材料替代技术空间。

     2、热作模具的材料替代技术

     热作模具材料除了要求具有强度、韧性、耐磨、抗疲劳和咬合抗力性能外,对红硬性和抗回火性能有特殊要求。因而用低材质激光相变强化代替不了高合金钢所具有的抗高温性能。模具再制造技术和激光熔覆可使碳素钢、低合金钢或铸铁具有抗高温性能。塑料模具的工作温度在400℃以上时可用热作模具相同的材料替代技术。

     3、铸铁模具

    铸铁模具的强化潜力取决于基体组织是否是珠光体。如果基体组织有太多的铁素体,将降低材料的淬硬性,所以铸铁模具的材料替代以提高强化潜力为目标。以国家标准为依据,球墨铸铁需选QT600以上,蠕墨铸铁需选RT380以上,灰口铸铁需选HT200以上的牌号。目前市场大量存在HT150模具,这类模具采用相变强化效果不佳。

     4、齿轮和模具的再制造技术

     在齿轮或模具损坏或缺陷部位采用激光熔覆工艺熔覆特定的合金材料,使其与基体金属材料形成良好的冶金结合,这种修复处理不仅仅对齿轮或模具形貌进行修补,而且提高了修复部位的性能,是一种增强型修复。目前把这种业已用于齿轮和模具修复的激光表面熔覆称为齿轮或模具的再制造技术。

     第三代汽车用钢产业化应用启动

     日前,中国工程院名誉院长徐匡迪院士在中国工程院见证中国一汽技术中心和中钢研集团钢铁研究总院“先进汽车用钢联合实验室”揭牌。国内汽车制造主厂商和钢铁科研“国家队”之间的这一“联姻”,正式拉开了由我国在世界上率先研发成功的第三代汽车用钢产业化应用的帷幕。

     据中国工程院副院长、中钢研集团董事长干勇院士介绍,在汽车自重中,钢铁材料占70%左右。因此,研发和应用“高性能、低成本、高精度、易加工、绿色化”的先进汽车用钢铁材料,对于汽车的安全性、轻量化及“节能减排”至关重要。他透露,钢研总院已在世界上率先成功研发出第三代汽车钢技术,在此领域形成了领先的材料研发优势;而钢研总院和一汽技术中心在“八五”到“十一五”期间,已有众多材料技术研发项目的合作,并在先进的非调质钢、齿轮钢、弹簧钢和不锈钢等领域取得大量成功应用。此次双方建立联合实验室,可以在热成形钢和模具钢等汽车新材料及相关工艺技术领域加强合作,形成完整的世界级先进汽车用钢的研发和应用的技术体系。

     一汽副总工程师兼技术中心主任李骏介绍,“十二五”期间,一汽的第三代高机动战术军车、解放第七代商用车、新一代轻量化轿车、新能源汽车等产品,以及汽车轻量化设计、汽车安全性设计、SCR(选择性催化还原系统)后处理关键金属材料等,将作为第三代汽车用钢的主战场。