表1 2003年～2005年各類模具的進(jìn)口情況 進(jìn)口項(xiàng)目
模具進(jìn)口金額億美元
塑料橡膠模具
沖壓模具
其它模具及標(biāo)準(zhǔn)件
年度
金額,億美元
所占比例,%
金額,億美元
所占比例,%
金額,億美元
所占比例,%
2003
13.69
7.79
56.9
4.78
34.9
1.12
8.2
2004
18.13
9.86
54.4
5.61
30.9
2.66
14.7
2005
20.68
11.45
55.4
7.26
35.1
11.97
9.5
提高模具鋼質(zhì)量的途徑
近一、二十年來(lái)，為了提高模具的質(zhì)量和使用壽命，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家把提高模具材料的質(zhì)量和性能放在重要的位置，主要措施如下：
1 高純凈度模具鋼
鋼的純凈度提高到一定水平，不但可以改進(jìn)鋼的原有性能，而且可以賦予鋼的新性能。日本大同特殊鋼公司把SKD61(4Cr5MoSiVl)鋼中硫、磷含量從0.03％降到0.01％以下，沖擊韌性提高一倍以上；日立金屬公司把SKD61鋼中的磷含量從0.03％降到0.001％，鋼的沖擊韌性從40J/cm2提高到130J/cm2；德國(guó)蒂森把2344(H13)電渣中的磷含量降低到≤0.003％且細(xì)晶化，鋼的疲勞性能明顯提高。將鋼中的氧含量降低，也可以顯著改善鋼的韌性，國(guó)外有些特殊鋼廠將模具鋼的氧含量規(guī)定為≤15×10-6。
為了提高模具鋼的純凈度，國(guó)外普遍采用二次精煉工藝，主要用真空爐外精煉、電渣重熔、真*耗等手段生產(chǎn)模具鋼，以提高鋼的純凈度，降低鋼中有害夾雜物含量，表2列出4Cr5MoSiVl電渣鋼與電弧爐鋼非金屬夾雜物的檢驗(yàn)結(jié)果。由于鋼中非金屬夾雜物含量降低，尤其是脆性非金屬夾雜物含量降低，有效地提高鋼的拋光性能和改善表面粗糙度，這對(duì)于*的塑料模具鋼尤為重要。因此，日本山陽(yáng)特殊鋼公司規(guī)定高純凈度的模具鋼中的[0]≤10×10-6、[S]≤50×10-6。
表2 4Cr5MoSiVl電渣鋼與電弧爐鋼非金屬夾雜物級(jí)別的比較 冶煉工藝
規(guī)格(φ)/mm
檢驗(yàn)爐數(shù)
氧化物/級(jí)
硫化物/級(jí)
錠上部
錠下部
錠上部
錠下部
*大
平均
*大
平均
*大
平均
*大
平均
電弧爐+電渣重熔
85-200
11
1.5
1.04
1.5
0.91
1.0
0.68
1.5
0.73
電弧爐
40-220
9
2.9
1.44
1.0
0.78
2 高等向性能模具鋼
模具大部分是多向受力，因此提高鋼的等向性能，改善鋼的橫向韌性和塑性，使其與縱向性能接近，就可以大幅度提高模具的使用壽命。近二十年來(lái)，國(guó)外不少特殊鋼廠都采用不同工藝措施致力于開發(fā)高等向性能的模具鋼，并且各自命名一些商業(yè)牌號(hào)。
要獲得高等向性能的模具鋼，目前國(guó)外采用真空爐外精煉或電渣重熔、高溫?cái)U(kuò)散退火和大鍛造比的等向鍛造工藝相結(jié)合，減小了大截面模塊表面和心部橫向和縱向性能的差異。
以生產(chǎn)高等向性能的4Cr5MoSiVl模具鋼為例，主要的生產(chǎn)工序如下：即采用電渣重熔，除了提高鋼的純凈度、降低鋼中的非金屬夾雜物之外，還可以使鋼中的枝晶間距變小，結(jié)晶結(jié)構(gòu)改變。另一個(gè)重要生產(chǎn)工序是對(duì)鋼錠或鋼坯進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火，使鋼中原先較小顆粒的一次碳化物完全溶解，并在隨后冷卻過程中析出球狀的碳化物；而原先條狀粗大的一次碳化物則通過高溫?cái)U(kuò)散溶解一部分，使其變小和球化，結(jié)合適當(dāng)?shù)能浕幚恚色@得球狀碳化物均勻分布在鐵素體基體上的組織，從而顯著地提高鋼的橫向沖擊韌性，從表3可看出，經(jīng)過高溫?cái)U(kuò)散退火加軟化處理的4CrSMoSiVl鋼退火態(tài)的橫向沖擊功為101J，其淬回火態(tài)沖擊功為24.2J，其沖擊功均較未進(jìn)行高溫均勻化處理的試樣沖擊功高l倍以上。在熱加工工序，采用多向鍛造或交叉軋制技術(shù)，并配合大壓下量，可進(jìn)一步改善鋼的碳化物分布。高等向性能的4Cr5MoSiVl模具鋼的橫向沖擊功可達(dá)縱向沖擊功的80～90%，有效地提高模具的使用壽命。
表3 熱處理工藝對(duì)4CrMoSiVl鋼橫向沖擊韌性的影響 熱處理工藝
沖擊功(J)
高溫?cái)U(kuò)散退火+高溫回火
101
常規(guī)退火
44
高溫?cái)U(kuò)散退火+高溫回火+淬回火處理
24.2
常規(guī)退火+淬回火處理
9.9
模具鋼的品種規(guī)格的多樣化、產(chǎn)品精料化、制品化
為了提高模具制造業(yè)的生產(chǎn)效率和材料利用率，縮短模具制造周期，配合模具工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、設(shè)計(jì)和制造過程中CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，模具鋼的品種規(guī)格迅速向多樣化、精料化、制品化發(fā)展。
1 多樣化
合金工模具鋼品種可大致分為：熱軋或熱鍛棒材、模塊、板材、扁鋼、冷拔棒材、帶材、絲等，其中棒材的比例*大。但近20多年來(lái)，國(guó)外特殊鋼廠的合金丁模具鋼材的品種規(guī)格趨于多樣化，其中，中小型棒材的比例明顯下降，扁鋼和中厚板的產(chǎn)量和所占的份額增長(zhǎng)很快。這主要是由于大部分的模具是由幾塊扁平形的工件組合而成的。因此日本已形成了模具扁鋼標(biāo)準(zhǔn)JIS506。美國(guó)ASTMA681標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)扁鋼、模塊等作了相應(yīng)的專門規(guī)定。
在扁鋼和中厚板產(chǎn)品中，80%以上是塑料模具鋼。扁鋼比例的提高，不但縮短了模具制造周期，而且不必再進(jìn)行棒材改鍛和隨后的退火處理。對(duì)于部分塑料模具鋼的品種還易于(如：美國(guó)的P20系列塑料模具鋼)實(shí)現(xiàn)予硬化，從而，大大縮短了模具的制造周期，并提高了材料的利用率。
2 精料化
目前，世界工模具鋼的外型及尺寸精度發(fā)展的方向是精料化。就冶金生產(chǎn)廠而言，就是給中間商或模具制造廠提供尺寸精度高的產(chǎn)品。
對(duì)于鍛材，通過采用精鍛機(jī)和快鍛液壓機(jī)鍛造，以提高鋼材的精度。對(duì)于軋材，通過采用高精度連軋機(jī)和精密定徑機(jī)等手段，提高軋材的精度。對(duì)于要求更高的模具鋼材，則根據(jù)要求，采用冷拔、無(wú)心磨削、平面銑切、平面磨削、削皮、輥光等工藝方法，提供高精度、無(wú)脫碳層的精料。日本一些主要的模具鋼生產(chǎn)廠，通過冷加工生產(chǎn)的精料占鋼材總量的60％左右，美國(guó)的模具鋼生產(chǎn)廠，為了提高鍛材的精度，一般90%以上都是削皮材。
3 制品化
國(guó)外一些特殊鋼廠大力開展模具鋼產(chǎn)品的深加工，大批量提供經(jīng)精加工和調(diào)質(zhì)處理的模塊、模板和標(biāo)準(zhǔn)件制品。如日本大同特殊鋼公司在90年代專門成立了大同精密模具公司，能夠提供17個(gè)鋼號(hào)1400多個(gè)規(guī)格的經(jīng)淬回火、精加工的模塊以及標(biāo)準(zhǔn)模架和模具標(biāo)準(zhǔn)件；瑞典UDDEHOLM工具鋼公司具有強(qiáng)大的熱處理和機(jī)加工設(shè)備，能提供各種規(guī)格的精加工材料。模具制造廠可以根據(jù)需要選購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模架和模塊，只對(duì)模具的型腔部分或刃部進(jìn)行精加工，與標(biāo)準(zhǔn)模架組裝后以后，即可交貨�？梢杂行У目s短模具制造周期，降低模具的生產(chǎn)成本。
因此，從模具制造業(yè)的發(fā)展需要看，模具鋼品種規(guī)格的多樣化、精料化和制品化是當(dāng)前模具工業(yè)的方向。
模具鋼的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系
國(guó)內(nèi)外模具鋼的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)外模具鋼的品質(zhì)主要體現(xiàn)在純凈、均勻、組織細(xì)小、尺寸*，以Uddeholm公司生產(chǎn)的H13(8407)鋼模塊和國(guó)產(chǎn)H13鋼模塊對(duì)比研究結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)鋼夾雜物、一次碳化物較多，退火組織中碳化物有明顯沿晶界分布現(xiàn)象，模塊心部橫向的沖擊韌性只有縱向的0.2～0.3，而進(jìn)口H13鋼為0.6～0.8：進(jìn)口H13鋼中的硫、磷含較國(guó)產(chǎn)H13鋼低一個(gè)數(shù)量級(jí)，生產(chǎn)實(shí)踐證明，一般國(guó)產(chǎn)H13鋼制的壓鑄模具壽命為3～5萬(wàn)模次，而進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)H13鋼制的壓鑄模具壽命可達(dá)20萬(wàn)次。與進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋼相比，盡管國(guó)產(chǎn)鋼存在較大的差距，卻均是按中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的合格產(chǎn)品，用戶也沒有投訴的理由。而按北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA#207—90標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，由于退火組織、帶狀組織和沖擊韌性等均有問題，所以是不合格的。這正是國(guó)產(chǎn)H13鋼生產(chǎn)質(zhì)量差的關(guān)鍵問題。
全面對(duì)比不同國(guó)家H13鋼的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示，可見，國(guó)外H13鋼標(biāo)準(zhǔn)控制指標(biāo)*多達(dá)8項(xiàng)，而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)只有3項(xiàng)，其中純凈度、退火組織和沖擊韌性三項(xiàng)指標(biāo)是國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)均采用的，而中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)沒有采納。日前國(guó)產(chǎn)H13鋼如果能達(dá)到這三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，其性能肯定能明顯提高。
表4 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與部分國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)H13鋼的材質(zhì)要求
化學(xué)成分
交貨硬度
純凈度
超聲波探傷
晶粒度
退火組織
帶狀
沖擊韌性
斷口或低倍
脫碳
中國(guó)GB1299-2000
●
●
—
—
—
—
—
—
●
●
北美NADCA# ●
●
●
●
●
●
●
●
—
—
德DGM-97
●
—
●
—
●
●
●
●
—
—
法國(guó) ●
—
●
—
—
●
—
●
—
—
207-2003
CNOMOEO1.17.221.N
（注：“●”→檢驗(yàn)；“—”→不檢驗(yàn)）
產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)既是產(chǎn)品制造過程的工作依據(jù)，也是客戶驗(yàn)收產(chǎn)品的依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)本身的水平象征產(chǎn)品的水平，也是企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的有力砝碼。在國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的企業(yè)，只是把國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)作為*低的標(biāo)準(zhǔn)，而在這些企業(yè)真正貫徹或執(zhí)行的是比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)更高的“企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”或“內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)”。因此，我國(guó)模具鋼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡量向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靠攏，同時(shí)，模具鋼主要生產(chǎn)廠應(yīng)制訂比國(guó)家更高的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或“內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)”，只有這樣，才能促進(jìn)我國(guó)模具鋼水平的提高，改變我國(guó)模具鋼質(zhì)量普遍較低的現(xiàn)象。
表5 近年來(lái)國(guó)外推出的新型模具鋼化學(xué)成分(mass%) 鋼號(hào)
C
Cr
Mo
V
Si
Mn
Ni
W
其他
冷作模具鋼
DC53(日本)
1.00
8.00
2.00
0.28
0.91
0.32
VascoDIE(美國(guó))
0.82
7.95
1.50
2.50
1.00
熱作模具鋼
W400(奧地利)
0.39
4.67
1.40
0.40
0.19
DIEVAR(瑞典)
0.39
4.80
2.40
0.50
0.24
GS344(德國(guó))
0.43
5.00
2.92
0.50
0.25
GS999(德國(guó))
0.45
3.00
5.00
1.00
0.20
DAC55(日本)
0.42
5.11
2.44
0.70
0.20
0.64
Co:0.58
DH31-s(日本)
0.41
4.90
2.20
0.51
0.20
AMAX(日本)
0.40
5.50
3.20
0.80
0.10
0.60
Co:0.60
YHD3(日本)
0.20
2.80
1.80
0.40
0.80
0.70
Co:1.00
塑料模具鋼
PMF(日本)
0.52
1.05
0.30
0.20
0.25
1.00
2.00
S:0.05-0.20
DKA-F(日本)
0.38
5.00
1.10
0.60
0.50
0.80
S:0.08-0.13 40CrMnMo7(德國(guó))
0.40
1.90
0.20
0.30
1.50
Ca:0.002
NAK80(日本)
0.10
0.30
0.35
0.40
1.55
3.00
Al:1.00 Cu:1.00
Se:0.10-0.15
由于國(guó)產(chǎn)模具鋼的品種少，規(guī)格不全，而且質(zhì)量和售后服務(wù)也不很好，因此，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。自進(jìn)入WTO以來(lái)，模具鋼已取消進(jìn)口配額，國(guó)外各廠商都看好中國(guó)市場(chǎng)，紛紛在我國(guó)建立分銷或代銷點(diǎn)，使我國(guó)鋼鐵企業(yè)失去了模具鋼中的高端市場(chǎng)，也就是失去利潤(rùn)*高的一塊市場(chǎng)，這對(duì)我國(guó)冶金企業(yè)和模具制造業(yè)的發(fā)展極為不利，因此，應(yīng)加大科技投入，積極開展高性能和有特殊性能的模具鋼新鋼種的研制和開發(fā)工作，為市場(chǎng)提供高性能、高質(zhì)量模具鋼產(chǎn)品。
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