汽车制造用模具材料与模具热处理技术的进展fluc.docx

汽车制造造用模具具材料与与模具热热处理技技术的进进展随着我国国汽车工工业的发发展，汽汽车用模模具的制制造水平平也得到到了日新新月异的的提高。在在汽车生生产中，几几乎所有有的模具具类型都都已被涉涉猎，如如冷冲模模、热锻锻模、冷冷镦模、热热镦模、压压铸模和和铸塑模模等（见见表1），因因此汽车车制造对对模具的的需求量量特别大大。 对一个汽汽车企业业来说，随随着市场场经济的的深入发发展，车车型原来来的300 年一一贯制，现现改为一一年内上上几个车车型。一一般中型型载重汽汽车的改改型需要要模具440000多套，重重量达220000t。模模具费用用已占产产品成本本的155%330%，它它的总产产值在工工业发达达国家已已经超过过机床工工业。汽汽车质量量的改善善、生产产效率的的提高、成成本的降降低，以以及产品品更新换换代的速速度，在在很大程程度上取取决于模模具的制制造精度度和质量量、制造造周期、生生产成本本及使用用寿命等等因素。所所以有人人说，模模具是汽汽车工业业发展的的基础，它它是汽车车制造业业走向成成熟的标标志。支支持模具具制造业业发展的的基础是是模具材材料工业业。近几几年来，随随着技术术的引进进和提高高，模具具材料的的发展极极为迅速速。我国国的几大大模具钢钢厂的产产量每年年平均增增长速率率为122%，从从19886119977年的111年间间，产量量由4.88万万t上升升到111.3万万t，与与国外相相比其发发展速度度可以说说不相上上下。此此外，品品种也在在不断增增加，常常用的模模具材料料都是国国产的，多多数不常常用的模模具材料料，我国国也能生生产。这这就为汽汽车制造造业的发发展提供供了有力力支持。220055年国内内模具钢钢在各行行业的消消费比例例如表22所示，各各类模具具的使用用寿命如如表3所所示。 模具制造造的关键键工序热热处理技技术也由由原来的的较低水水平发展展到国际际水平。如如真空淬淬火技术术、感应应淬火技技术和激激光淬火火技术等等，都得得到了广广泛应用用和发展展。热处处理后的的表面处处理工艺艺也有很很大的提提高，如如PVDD、TDD、渗氮氮、液体体碳氮共共渗和喷喷涂都有有很大的的改进和和提高。焊焊接技术术在模具具制造领领域也得得到广泛泛的发展展。尽管管模具制制造厂家家已经大大幅度地地提高了了产品数数量和质质量，但但它离汽汽车工业业发展的的需求还还相差甚甚远，如如多数模模具公司司不能按按期交货货、模具具质量不不好等，其其深层原原因是模模具制造造中的不不可控因因素较多多，尤其其是模具具材料和和热处理理技术。由由于经济济全球化化带来技技术的全全球化，内内资企业业、外资资企业和和国外企企业的技技术水平平各有高高低，因因此，我我们今天天的多数数情况不不能分是是国内还还是国外外，要从从整个世世界来看看模具工工业的发发展。 一、汽车车制造用用模具材材料的发发展现状状随着汽车车制造技技术的发发展，模模具的工工作条件件日益苛苛刻，对对模具的的性能、质质量和品品种等也也不断地地提出更更高的要要求，为为此，世世界各国国近年来来都积极极地开发发了具有有各种特特性以适适应不同同要求的的新型模模具钢和和铸铁，并并在品种种、质量量、生产产工艺和和生产装装备上做做了大量量工作，取取得了长长足的进进步。1. 模模具钢高高速发展展并系列列化塑料模具具钢根据据其性能能和使用用条件可可分为：(1) 小尺寸寸模具用用钢，中中碳调质质钢。(2) 大中型型模具用用钢，预预硬型中中碳低合合金钢。(3)为为改进切切削性能能的含硫硫、铅及及预硬化化易切削削模具钢钢。(4) 时效钢钢和马氏氏体时效效钢。用用于制造造复杂、精精密和光光洁的模模具。(5) 高淬透透性的冷冷作和热热作模具具。用于于制造整整体淬火火模具。(6) 渗碳型型塑料模模具。(7) 耐蚀型型塑料模模具。(8) 镜面抛抛光模具具。2. 开开发出先先进的冷冷、热作作模具钢钢通用的冷冷作模具具钢分三三类：低低合金冷冷作模具具钢，如如9CrrWMnnV、中中合金冷冷作模具具钢Crr5Moo1V及及高合金金冷作模模具钢CCr122Mo11V1等等。除此此之外，又又开发出出以下几几种新型型冷作模模具钢：(1) 高韧性性、高耐耐磨性冷冷作模具具钢 如如美国的的8Crr8Moo2V22Si、CCr8MMo2VVWSii，日本本的QCCM8(8Crr8Moo2VSSi)、DDC533(Crr8Moo2VSSi)、TTCD(Cr88V2MMoTii) 等等。这类类钢优点点很多，组组织中的的碳化物物细小、弥弥散，抗抗弯强度度高，断断裂韧性性、耐磨磨性、可可切削性性、可磨磨削性及及抗回火火性好，且且热处理理变形小小，将来来可发展展成为一一种通用用型模具具钢。(2) 火焰淬淬火冷作作模具钢钢 7CCrMnnSiMMoV应应用最为为普遍，另另外有日日本的SSX5(Cr88MoVV)、美美国的CCC#11等。其其特点是是淬火温温度范围围宽、淬淬透性较较高及火火焰淬火火方便易易行。(3) 粉末冶冶金冷作作模具钢钢 粉末末冶金方方法可以以生产常常规工艺艺难以生生产的超超高碳、高高合金（尤尤其是高高钒含量量）、高高耐磨性性的模具具钢，以以及碳基基碳化钛钛。如德德国的XX3200CrVVMo1135，wwC33%、wwV55%，细细小、弥弥散分布布的碳化化物的面面积达550%，其其寿命高高于硬质质合金模模具。热作模具具钢的发发展也很很快。用用量最大大的为三三类通用用型热作作模具钢钢：低合合金热作作模具钢钢有5CCrNiiMo和和5CrrMnMMo；中中合金热热作模具具钢有44Cr22MoVVNi、11（44Cr55MoSSiV）、HH13（44Cr55MoSSiV11)、HH12（44Cr55MoWWSiVV）和HH10（44Cr33Mo33SiVV1）；高合金金热作模模具钢应应用最多多的是21（33Cr22W8VV）。此此外，还还开发出出一系列列高性能能热作模模具钢，主主要有以以下几种种：(1) 基体钢钢 基体体钢的化化学成分分相当于于淬火后后的高速速钢基体体组织的的化学成成分，所所以淬火火后残留留的共晶晶碳化物物数量很很少，回回火后碳碳化物细细小且弥弥散分布布，钢的的强韧性性和热疲疲劳性能能好。如如美国的的Vassco MA。(2) 低碳高高速钢 是通过过将高速速钢的wwC降至至0.33%00.6%而得到到，这样样可以减减少其共共晶碳化化物的数数量，既既保持较较高的红红硬性，又又改善了了钢的韧韧性和热热疲劳性性能，如如美国的的H255、H226和HH42。(3) 高温热热作模具具钢 对对于马氏氏体为基基体的热热作模具具钢，这这类钢导导热性差差，线膨膨胀系数数大、热热疲劳性性差，不不宜用于于制作激激冷、激激热条件件下工作作的高温温模具，如如日本的的5Mnn15CCr100V2。(4) 高温耐耐蚀模具具钢 可可改善模模具在高高温下抗抗液体合合金及其其他介质质的冲蚀蚀和抗高高温氧化化能力，用用于制作作压铸模模和压制制玻璃的的模具等等。如33Cr113MooV等。(5) 高淬透透性热作作模具钢钢 如为为适应特特大型模模具模块块用钢的的需要，在在5CrrNiMMoV的的基础上上，开发发出的44NiCCr2MMoV；法国NNF3555900标准中中的400NCDD16（44Ni44Cr22Mo）；中国的的4Crr2MooVNii。(6) 中合金金高韧性性热作模模具钢 这类钢钢能够比比较合理理地使用用合金元元素，降降低了产产品的生生产成本本，因此此近几年年发展较较快。通通过在HH13钢钢的基础础上降低低铬含量量，提高高钒含量量，发展展为以MMC型碳碳化物为为主强化化相的钢钢种。代代表性的的是瑞典典的QRRO800。3. 铸铸铁材料料应用也也非常广广泛汽车表面面覆盖件件拉延模模常用铸铸铁材料料应用较较多，如如HT3300、QQT600022、Moo、MooCr及及MoVV，日本本的TGGC6000、FFCD2250、FFCD5540，以以及德系系车常用用的GGGG700L等。二、汽车车用模具具热处理理的最新新发展状状况模具材料料有了很很大发展展，模具具的热处处理技术术发展也也很快。模模具的热热处理主主要有以以下几个个方面的的应用。1.整体体热处理理技术多数模具具需要整整体热处处理，如如压铸模模、锻模模、冷镦镦模和部部分冲模模等。整整体热处处理的设设备有盐盐浴炉、箱箱式炉和和真空炉炉。根据据模具的的使用场场合和尺尺寸大小小选择相相应的热热处理设设备。一一般尺寸寸较小，表表面不允允许有氧氧化脱碳碳的模具具多使用用盐浴炉炉加热淬淬火；尺尺寸较大大，不太太重要，且且型面可可以热后后加工的的模具多多采用箱箱式炉加加热淬火火；高合合金钢多多数采用用真空淬淬火处理理。箱式式炉要有有很好的的密封性性，为了了防止氧氧化脱碳碳，可以以向炉内内通入保保护气体体，另外外还可以以将工件件涂上防防氧化脱脱碳涂料料和在热热处理加加热时向向炉内放放一些木木炭。为为了防止止工件变变形和氧氧化脱碳碳，世界界各国均均采用真真空热处处理炉来来处理模模具，采采用真空空热处理理还可以以提高模模具的使使用寿命命。真空空热处理理分气淬淬和油淬淬两种。油油淬要比比气淬变变形大得得多，热热处理后后加工余余量大的的模具适适宜油淬淬。使用用真空热热处理气气淬炉时时，不同同的淬火火充气压压力可以以获得不不同的热热处理变变形，压压力越大大变形越越大，压压力越小小变形越越小，使使用时要要根据不不同工件件选择不不同的参参数。2. 表表面淬火火表面淬火火适用于于变形小小、工件件尺寸较较大、其其余部分分起辅助助作用的的场合。汽汽车覆盖盖件模具具多数比比较大，采采用表面面淬火的的比较多多，其中中空冷钢钢、铸铁铁和合金金铸铁等等材质的的模具多多用表面面淬火。表表面淬火火的方法法也不尽尽相同，有有火焰淬淬火、感感应淬火火和激光光淬火。火焰淬火火按其使使用的气气体不同同可分为为乙炔火火焰淬火火和丙烷烷火焰淬淬火。采采用丙烷烷火焰淬淬火可以以跟水，用用以减少少模具变变形和提提高模具具的硬度度。感应淬火火多用于于德系合合资企业业订货的的模具。德德系模具具要求表表面淬火火方式为为感应加加热淬火火，采用用1050kkHz的的超音频频加热电电源。它它具有加加热层深深的优点点，一般般与表面面硬度相相同的淬淬硬层深深度在22mm左左右，缺缺点是变变形大、易易开裂。目目前，国国内模具具制造公公司多用用挪威EEFD公公司生产产的感应应淬火设设备，该该设备稳稳定可靠靠，功率率多为118225kWW，有的的为500kW。功功率越大大，效率率越高，但但难以控控制；功功率越大大变形越越小，开开裂倾向向越小，但但易烧化化。激光淬火火是近几几年发展展起来的的表面淬淬火技术术。它具具有淬硬硬层薄、硬硬度高、韧韧性好和和位置确确定等特特点。其其最大优优点是淬淬火后模模具变形形小，可可以重复复几次淬淬火。其其缺点是是设备投投资大，国国产全套套设备在在2000万元左左右，效效率不是是很高，它它比感应应淬火慢慢得多，收收费价格格也高。激激光淬火火的功率率一般在在3 0000WW以上，以以5 0000WW居多。以上三种种工艺的的模具表表面淬火火特性比比较见表表4。 3. 深深冷处理理模具钢经经深冷处处理（-1100-1196）后，可可以提高高其力学学性能，一一些模具具经深冷冷处理后后显著提提高了使使用寿命命。模具具钢的深深冷处理理可以在在淬火和和回火工工序之间间进行， 也可在在淬火、回回火之后后进行。如如果在淬淬火、回回火后钢钢中仍保保留有残残留奥氏氏体，则则在深冷冷处理后后仍需要要再进行行一次回回火。此此外，深深冷处理理也能提提高钢的的耐磨性性。深冷冷处理不不仅用于于冷作模模具，也也可用于于热作模模具和硬硬质合金金。深冷冷处理技技术已越越来越受受到模具具热处理理工作者者的关注注，现在在已开发发出专用用深冷处处理设备备。不同同钢种在在深冷过过程中的的组织变变化和微微观机制制，以及及对力学学性能的的影响结结果是不不同的。 同一种种材料不不同的几几何形状状和不同同的使用用状态，经经深冷处处理后的的寿命是是不同的的。4.表面面涂覆技技术气相沉积积按形成成的基本本原理，分分为化学学气相沉沉积(CCVD)和物理理气相沉沉积(PPVD)。CVVD处理理是用化化学方法法使反应应气体在在基础材材料表面面发生化化学反应应形成覆覆盖层（TTiC、TTiN）的的方法。CCVD有有多种方方法，通通常，CCVD的的反应温温度9900，涂层层硬度20000HVV，但高高温容易易使工件件变形，且且沉积层层界面易易发生反反应。CCVD的的发展趋趋势是降降低温度度，开发发新的涂涂层成分分。例如如，金属属有机化化合物CCVD(MOCCVD)、激光光CVDD(LCCVD)和等离离子CVVD(PPCVDD)等。PPVD是是一种物物理气相相沉积，一一般以TTiN涂涂层较多多，此外外还有TTiC、TTiCNN、TiiAlNN、CrrN、CCr7CC3和WW2C等涂涂层。层层深在55mm左左右，不不影响模模具的精精度。表面喷涂涂技术是是用氧气气乙炔将将物质等等喷在模模具表面面。涂料料与基体体结合坚坚固，可可以实现现提高表表面厚度度和增加加耐磨性性的目的的。模具局部部堆焊技技术。许许多车身身落料模模具都要要求刃口口有很好好的强韧韧性，使使用整体体模具钢钢比较浪浪费，而而采用在在较低廉廉材料上上堆焊刃刃口的方方法可以以节约大大量的钢钢材和降降低生产产成本。美美国、日日本和德德国在这这方面的的发展比比较成熟熟，我国国模具堆堆焊也取取得了长长足的进进步。5.渗碳碳、渗氮氮、渗硼硼和渗金金属处理理化学热处处理能有有效地提提高模具具表面的的耐磨性性、耐蚀蚀性、抗抗咬合性性和抗氧氧化性等等性能。几几乎所有有的化学学热处理理工艺均均可用于于模具钢钢的表面面处理。研究工作作表明，高高碳及低低合金工工具钢和和中高碳碳高合金金钢均可可进行渗渗碳或碳碳氮共渗渗。高碳碳低合金金钢渗碳碳或碳氮氮共渗时时，应尽尽可能选选取较低低的加热热温度和和较短的的保温时时间，此此时可保保证表层层有较多多的未溶溶碳化物物核心，渗渗碳和碳碳氮共渗渗后，表表层碳化化物呈颗颗粒状，碳碳化物总总体积也也有明显显增加，可可以增加加钢的耐耐磨性。WW6Moo5Crr4V22和655Nb钢钢制模具具进行渗渗碳以及及65NNb钢制制模具真真空渗碳碳后，模模具的寿寿命均有有显著提提高。采用50006650高温回回火的合合金钢模模具，均均可在低低于回火火温度的的范围内内或在回回火的同同时进行行表面渗渗氮或氮氮碳共渗渗。渗氮工艺艺目前多多采用离离子渗氮氮、高频频渗氮等等工艺。离离子渗氮氮可以缩缩短渗氮氮时间，并并可获得得高质量量的渗层层。此外外，离子子渗氮还还可以提提高压铸铸模的抗抗蚀性、耐耐磨性、抗抗热疲劳劳性和抗抗粘附性性能。氮碳共渗渗可在气气体介质质或液体体介质中中进行，渗渗层脆性性小，共共渗时间间比渗氮氮时间大大为缩短短。压铸铸模、热热挤压模模经氮碳碳共渗后后可显著著提高其其热疲劳劳性能。氮氮碳共渗渗对冷镦镦模、冷冷挤压模模、冷冲冲模和拉拉伸模等等均有很很好的应应用效果果。冷作模具具和热作作模具还还可以进进行硫氮氮或硫氮氮碳共渗渗。近年年来许多多的研究究工作都都表明，稀稀土有明明显的催催渗效果果，从而而开发了了稀土氮氮共渗、稀稀土氮碳碳共渗等等新工艺艺。模具的渗渗氮处理理有离子子渗氮和和气体渗渗氮两种种。热镦镦模采用用离子渗渗氮，可可以明显显提高模模具的使使用寿命命。压铸铸模可以以采用气气体渗氮氮，渗氮氮后抗腐腐蚀能力力大大增增强。渗硼可以以是固体体渗硼、液液体渗硼硼和膏剂剂渗硼等等，应用用最多的的是固体体渗硼，市市场上已已有固体体渗硼剂剂供应。固固体渗硼硼后，表表层的硬硬度高达达14000228000HV，耐耐磨性高高，耐腐腐蚀性和和抗氧化化性能都都较好。渗硼工艺艺常用于于各种冷冷作模具具上，由由于耐磨磨性的提提高，模模具寿命命可提高高数倍或或十余倍倍。采用用中碳钢钢渗硼有有时可取取代高合合金钢制制作模具具。渗硼硼也可应应用于热热作模具具，如热热挤压模模等。渗硼层较较脆，扩扩散层比比较薄，对对渗层的的支撑力力弱，为为此，可可采用硼硼氮共渗渗或硼碳碳氮共渗渗，以加加强过渡渡区，使使其硬度度变化平平缓。为为改善渗渗硼层脆脆性，可可采用硼硼钒、硼硼铝共渗渗。渗金属包包括渗铬铬、渗钒钒和渗钛钛等工艺艺，均可可用于处处理冷作作和热作作模具，其其中TDD法（熔熔盐渗金金属）已已得到一一些应用用，可使使模具寿寿命提高高几倍乃乃至十几几倍。三、对汽汽车用模模具制造造的展望望和建议议在当今经经济全球球化的发发展背景景下，模模具材料料和热处处理得到到蓬勃发发展。一一项技术术的开发发很快被被应用于于世界各各地是很很平常的的现象。随随着汽车车技术的的提升必必然要求求提高汽汽车用模模具的制制造水平平，在今今后，汽汽车用模模具材料料的开发发和先进进热处理理技术也也将得到到很大发发展。1. 模模具钢生生产向制制品化、精精料化和和模具钢钢经销的的商品化化的方向向发展在“十五五”期间间，我国国每年模模具用钢钢超过330万tt，其中中15万万t是铸铸钢件；15万万t是圆圆钢、板板材和块块料。近近年来，国国外模具具钢的进进口量逐逐年减少少，我们们模具钢钢的出口口量在不不断增加加。我国国模具钢钢生产的的制品化化、精料料化和经经销的商商品化程程度在逐逐步提高高。在一一些工业业发达国国家，冶冶金企业业供应经经机加工工的模具具钢制品品已达550%60%，而我我国已经经逐步改改进模具具钢以黑黑皮圆棒棒供货的的局面。因因为越来来越多的的模具制制造厂要要求在模模具设计计完成后后，模具具钢供应应厂商能能迅速提提供所需需钢材，减减少库存存钢材数数量，缩缩短模具具制造的的生产周周期。国国内钢厂厂等生产产企业为为适应这这一商品品市场机机制，逐逐步向模模具生产产厂家提提供板料料模具钢钢和块料料模具钢钢，这是是市场经经济发展展的结果果。2. 大大力推广广应用性性能优良良的新型型模具钢钢，不断断完善模模具钢钢钢种系列列目前，已已开发出出不少有有一定特特色的新新型模具具钢，其其中一些些钢的性性能优异异，以很很低的成成本就可可以达到到或超过过同类钢钢的水平平。这些些新钢种种的推广广数量和和应用范范围很大大，这些些性能良良好的新新型模具具钢有广广阔的推推广前景景，将会会产生巨巨大的经经济效益益。3.进一一步提高高模具材材料的质质量我国某些些特殊钢钢厂已采采用新的的冶金设设备和工工艺生产产模具钢钢，如炉炉外精炼炼、真空空冶炼、快快锻机和和精锻机机等，一一些模具具钢的质质量有大大幅度提提高，如如D2、PP20等等钢已批批量出口口，出口口产品的的质量可可以达到到国际先先进水平平。工业业发达国国家一直直在努力力提高模模具钢的的纯净度度、致密密度、均均匀性和和质量稳稳定性。国国外有的的企业规规定在高高纯度模模具钢中中O1××10-5、H2×110-66，SS55×100-5，因因为钢的的纯净度度的进一一步提高高可以显显著提高高钢的韧韧性和疲疲劳性能能。对大大型模具具还必须须采用真真空除气气、高温温扩散退退火，以以减少合合金元素素的偏析析，并使使用等向向锻造工工艺，提提高等向向性，使使模具钢钢的横向向和厚向向的塑性性和韧性性达到纵纵向的880%90%以上。4.加强强先进模模具热处处理技术术的推广广与应用用模具的可可控气氛氛热处理理与真空空热处理理应进一一步得到到发展、推推广和应应用。对对一些行行之有效效的模具具表面热热处理技技术，应应完善其其工艺，加加强其推推广和应应用，如如感应淬淬火和激激光淬火火技术。提提高装备备和工艺艺材料的的制造水水平，加加强热处处理专业业厂的建建设。5.大力力推进以以铸代锻锻工艺在一些领领域，如如热锻模模和冷冲冲模使用用以铸代代锻可以以节约原原材料的的消耗，材材料各向向同性，减减低数控控加工成成本，缩缩短生产产周期，降降低制造造成本，它它对节约约资源有有着广泛泛的社会会效益。用用铸铁代代替钢；用一种种合金铸铸钢代替替4Crr2MooVNii用作机机锻模；用铸CCr122Mo11V1钢钢（德国国的1.23882）代代替锻CCr122Mo11V1或或Cr112MooV。后后者已在在大众汽汽车公司司的汽车车覆盖件件模具上上得到很很好的应应用。当当然，由由于高合合金钢中中碳含量量较高，网网状碳化化物的存存在使得得镶块在在热处理理时容易易产生裂裂纹，这这就要求求钢在铸铸造和热热处理时时工艺要要严格，整整个工艺艺始终要要将晶界界杂质控控制在较较低水平平。我们们建议推推广以铸铸代锻技技术。 (ennd)