0 前言金属模是日本具有世界之冠竞争力的领域 ,但对制作这种金属模的母材工具钢的需求发生了很大变化。即比以往任何时候都更加强烈地要求“金属模容易制造”。这就是说 ,若不能更迅速、更安全、更高精度地制造金属模 ,那就无法在激烈竞争中生存下来。特别是金属模的切削加工是不可避免的 ,从而对具有优异的可切削性工具钢的要求就愈来愈强烈。本文从金属组织的观点主要概括各种金属模工具钢可切削性的改善状况 ,同时介绍一下最近开发出的部分材料的内容。1 塑料成形金属模用的预硬化钢1.1 塑料成形金属模用工具钢的种类和特征表 1 塑料成形金属模用钢必备的性质目的性质理 由性能与品质金属模的强度由成形压力引起的挠曲或弹力减弱磨光性透明容器或与光有关联的零件等的镜面度放电与深拉表面 家电 ,办公自动化机器的外装饰或汽车零件等的美观耐腐蚀性难燃烧性树脂或腐蚀性树脂的成形耐磨性添加玻璃纤维或氧化物粉末等的树脂成形韧性薄壁部位的曲折 ,小R部的开裂的容易程度制造金属模可切削性 缩短切削加工成本、时间、精度及表面光洁度的提高防锈性线切割或保管中的锈或水孔的锈可焊性型 状的修正或补修热处理尺寸变化淬火或回火型的尺寸精度塑料零件大多是采用在金属模中制成的空隙注入、充填和固化被软化的树脂,即所谓注射成形法制造的。这种成形金属模所必需的材料特性示于表 1,各种金属模用工具钢的种类和特征示于表 2。为承受成形时的负荷、保持金属模及被成形体的形状 ,所必需的金属模强度大多是通过控制金属模热处理硬度来实现的。正如表 2所示 ,塑料成形金属模用工具钢大致可分为预硬化钢、淬火回火钢、时效处理钢等。钢厂预先将预硬化钢调质到使用硬度 ,然后金属模制造者直接把它进行模型加工。由于能大大缩短金属模制造的交货期及提高加工精度 ,故目前已成塑料成形用工具钢的主流。表 2 塑料成形金属模用钢的种类与特征分类化学成分系列 硬度/HRC 用途预硬化钢P2 0改良 (易切削 )SUS4 2 0J2改良 2 9～ 3 3 重视可焊性 ,
可切削性 (电视机、汽车 )难燃剂添加树脂 ,一般透明制品SUS6 3 0改良 3 3～ 3 7氯乙烯、橡胶、发泡树脂 (电话机 )P2 1改良 (易切削 )P2 1改良 3 7～ 4 1通用金属模 (各种家电制品、玩具 )重视镜面、深拉表面、放电加工表面 (透明容器 )淬火钢SUS4 2 0J2改良 50～ 55超精度镜面加工 (光盘、镜头 )SKD11改良 55～ 6 0耐磨耗、精密工程塑料 (传动装置、IC模 )粉末高速钢 6 0～ 6 5高耐磨超级工程塑料 (IC模 )处理钢时效非磁性钢 4 0～ 4 5磁场成形 (塑料磁体 )超强力钢 52～ 57高韧性、超镜面 (光子镜头、薄型塑孔栓 )淬火回火钢主要用于工程用塑料成形等需要较高耐磨性或超耐磨性的、要求 5 0HRC以上硬度的用途 ,时效处理钢被用于特殊的用途。表 2化学成分系列中附记 (易切削 )的钢是指以提高可切削性为目的而适量分散有MnS等易切削性非金属夹杂物的钢种。另一方面 ,可磨削性或放电及深拉加工性是对于同光学有关的零件或办公自动化 (OA)机器的外部装饰品等成型体的功能或美观所必要的性质 ,金属模材料的纯净度和均匀性对此有很大影响 ,因而不含有快速切削性元素。另外 ,对用于如丙烯睛 -丁二烯 -苯乙烯 (ABS)等难燃性树脂或氯乙烯之类在成形中会发生腐蚀性气体的金属模 ,必须是不会由于腐蚀而导致表面粗糙及发生早期磨损的具有良好耐腐蚀性的模具材料。一般使用改进后的SUS4 2 0或SUS630高Cr钢 ,从可切削性观点而言 ,这些钢都是属于难加工材料。另外 ,从变更设计、或进行金属模修补而言 ,应具有焊接时不发生裂纹 ,焊接部位的硬度及抛光性等不致于发生极大变化等性质。此外 ,关于防止超过一昼夜的长时间线切割 ,及金属模在保管中生锈的对策已明显地成为通用金属模的新要求。为能制造精密金属模 ,尽可能减少淬火回火钢在热处理过程中的尺寸变化乃事关重要。1.2 金属组织和可切削性众所周知 ,可切削性受基体金属组织的影响。荒木等人调查了各种钢锯切试验时的可切削性与硬度、组织的关系 ,报导了如下结果 :1)对回火马氏体组织 ,在 4 0 0HV附近的切断行程 (表示切削抵抗 )变得极小 ;2 )低碳贝氏体组织比相同硬度的回火马氏体组织的可切削性好 ;3)铁素体十珠光体组织及铁素体十贝氏体组织的可切削性更好 ;4 )当然 ,添加硫(S)的易切削钢的可切削性最好。在塑料成形金属模用工具钢中 ,需要 4 0HRC级高强度的预硬化钢 ,其可切削性极差 ,因此通过对基体组织的控制及适量添加快速切削元素等以提高其可切削性。图 1表示塑料成形金属模用预硬化钢的可切削性及抛光性和母体组织间的关系。在Ni_Cu_Al析出硬化型合金钢中 ,通过将基体组织从回火马氏体改变为上贝氏体组织 ,其可切削性得以大幅度提高 ,它被作为这种金属模钢的标准的调质组织。若在其中添加易切削元素 ,则可切削性进一步改善 ,但因受易切削性夹杂物的影响 ,不可避免地降低了镜面抛光性 ,高Cr马氏体系不锈钢因其基体是细小的马氏体组织且未添加易切削元素 ,其可切削性显著低下。最近的研究弄清了在析出硬化型合金钢中板条尺寸粗大的低碳马氏体组织钢 具有比以往的上贝氏体组织钢更优异的可切削性。1.3 兼有可切削性和耐腐蚀性的开发钢种对AISIP21进行改进后的以前的Ni_Cu_Al析出硬化型合金钢明显暴露出在线切割或在金属模保管中生锈 ,或在停用期间因锈导致水孔堵塞等缺点 ,因此 ,要求具有抗蚀性强的金属模用工具钢。若适量添加Cr等耐蚀性元素 ,此问题即可解决。但是 ,因为这些元素具有提高淬火性的作用、不可能采用工业规模的热处理稳定地形成上贝氏体组织 ,从而降低了其可切削性 ,即可切削性和耐蚀性两者形成悖论的关系。中津等人研究了碳量对 5Cr_Ni_Cu_Al析出硬化型合金钢可切削性的影响 ,发现即使是马氏体组织 ,通过降低碳含量 ,及使板条尺寸粗大化 ,其可切削性也能大幅度提高。图 2表示此一结果。这意味着可以自由地采用以前为了形成上贝氏体组织而不能添加的Cr等合金元素 ,从而拓展了开发耐蚀性和可切削性兼备的新材料的途径。新开发钢 (CENA1)的可切削性试验结果如图 3所示 ,图 4表示耐蚀性试验结果。调质为粗大板条状低碳马氏体组织的新开发钢与以往的上贝氏体组织钢比较 ,在相同的切削速度下工具寿命延长约 1倍 ,反之 ,在相同工具寿命时的切削速度能提高约 0 .5倍。在耐蚀性比较方面 ,只是在象盐水喷雾试验那样的强腐蚀环境下可发现锈蚀 ,但在自来水中浸渍试验时 ,以往使用析出硬化型合金钢 ,整个表面产生红锈 ,而新开发钢则几乎不发生锈蚀。象这样抗蚀性强 ,而且可切削性也优异的钢铁材料以往尚未见过。2 冷作加工用工具钢2 .1 冷作加工用工具钢的种类和特征表 3表示对冷作加工用工具钢所要求的性质 ,表 4表示冷作加工用工具钢的种类和特征。表 3 冷作加工用工具钢应具备的性质目的性质理由性能与品质金属模的耐压强度成形精度、弹力减弱、破碎耐磨性金属模的磨损 ,成形精度 ,品质韧性金属模的开裂、破碎、热疲劳拉伸强度成形精度、剪断或疲劳破坏时效变形成形精度的容 易程度制作金属模可切削性切削成本、时间、金属模精度淬火性质量效应、变形、内应力热处理变形金属模精度,精加工成本表面处理性PVD、CVD、TD处理的适用与否可焊性焊接裂纹、开裂金属丝放电加工性裂纹、锈蚀 ,断丝表 4 冷作加工用工具钢的种类、特征、用途种类特征主要用途SKS3 通用冷作金属模钢 ,注意淬透性 ,线切割裂纹等冲压金属 :薄板用金属模及各种量规等高C -Mn -Cr-Mo钢 气冷·真空淬火钢 ,改善SKS3的淬透性冲压金属 :薄板用金属模及各种金属板中Cr冲模钢 高可削性 ,高韧性 ,SKD11同等热处理性金属板类、印刷电路板模SKD11热处理容易 ,变形小 ,耐磨性良好的通用冷作金属模具钢各类冷作金属模 ,轧辊及剪断刀刃等基体高速系钢 高强度 ,高韧性 ,按必要的使用硬度分为三种系列钢冷温作锻造模 ,精密冲切模粉末基体高速钢 具有最高的韧性及疲劳强度 ,大型模具及横向韧性特别好冷作锻造模 ,销类精密冲切模粉末高速钢系列兼具耐磨性 ,韧性的粉末高速钢 ,适合用于难加工材料的成形批量生产用冲压模SUS成形模选定工具用材料时 ,要考虑到它的耐压强度、耐磨性、韧性等金属模所应具备的性能、品质等性质及有易于制造金属模所必需的可切削性 ,淬透性、热处理变形等问题。从材料费用方面而言 ,JISSKS3类虽然最便宜 ,但考虑到淬透性差及线切割时会产生裂纹等问题 ,正在开发添加少量Mn、Cr、Mo的改良型钢。高Cr模具钢系列中具有优良耐磨性及淬透性的 JISSKD11是最通用的材料。最近正在开发能大幅度提高SKD11的可切削性及韧性的中Cr系列模具钢,这有助于防止金属模的破碎、开裂以及使切削加工高效率化。高速钢是作为切削工具用钢而开发出的材料 ,由于兼有高强度、韧性、耐磨性及耐热性 ,因此固定作为在严酷加工条件下使用的工具及金属模所采用的材料。特别是充分利用高速钢所具有的高强度 ,并大幅度地提高韧性的基体高速钢 (YXR钢 )的开发 ,对冷作加工金属模的高寿命化起了很大的作用。目前 ,根据硬度的需求 ,已有 3种系列化工具钢 ,它们分别用于各种冷作 ,温作金属模及工夹具等多种用途。此外 ,碳化物量多而细小 ,且均匀分布的粉末工具钢 ,用于象不锈钢成形用金属模那样要求的具有高耐磨性、耐烧伤性及韧性等场合。已开发出的专用于冷作加工用工具
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