熱作模具鋼H13以及鋁合金壓鑄模的表面改性

國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為，熱疲勞發(fā)生龜裂損傷和熱磨損是熱作模具失效的兩大主要原因。這方面，國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)敘述得十分明確：模具的損壞和限制模具壽命上升的三個(gè)機(jī)制為：1)液態(tài)金屬鋁的粘焊（soldering）和化學(xué)沖蝕損傷。2)磨損和腐蝕。3)熱疲勞開(kāi)裂。其中1)是最重要的失效機(jī)制。他們提出采用鐵素體氮碳共滲和離子氮化能顯著提高工具鋼的模具壽命。國(guó)內(nèi)有關(guān)鋁熔損的試驗(yàn)指出，當(dāng)模具材料硬度為45HRC時(shí)，未表面處理的鋁熔損率高達(dá)54.90％時(shí)，當(dāng)采用鹽浴硫氮碳共滲，其熔損率僅為0.10％，當(dāng)采用鹽浴氮碳共滲（軟氮化）后在加上PVD處理時(shí)，熔損率更明顯降低至0.10％。由此可見(jiàn)H13鋼的表面改性的效果十分明顯。

熱作模具鋼H13的特點(diǎn)及發(fā)展方向
①H13鋼是世界上普遍使用的強(qiáng)韌兼具的熱作模具鋼，具有高的淬透性和抗熱裂能力。很多場(chǎng)合應(yīng)用于制造鋁合金壓鑄模具。
②H13鋼的國(guó)內(nèi)牌號(hào)為4Cr5MoSiVl，現(xiàn)在正在向低Si高M(jìn)o方向發(fā)展。
③H13鋼的表面改性主要有鐵素體氮碳共滲或者硫氮碳共滲以及物理氣相沉積硬膜等方法， 更為優(yōu)越的辦法是這些方法進(jìn)行合理組合。

熱作模具鋼H13以及鋁合金壓鑄模的表面改性目前主要在以下兩個(gè)方面：
（1）鐵素體氮碳共滲和硫氮碳共滲技術(shù)和（2）PVD涂層技術(shù)。國(guó)內(nèi)外在這兩方面進(jìn)行的研究論文有了發(fā)表， 但具體工業(yè)應(yīng)用報(bào)導(dǎo)不多。專(zhuān)門(mén)從事材料表面改性技術(shù)的法國(guó)HEF集團(tuán)在一些國(guó)際性會(huì)議上以論文形式報(bào)導(dǎo)了H13鋼表面改性工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例，同時(shí)通項(xiàng)金屬材料（上海）有限公司匯同國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)（尤其是NADCA的專(zhuān)家和Case Western Reserve 大學(xué)教授的工作）作一定描述。
解決H13鋼表面改性問(wèn)題的最佳途徑是在模具材料表面涂覆硬膜，使其不被鋁合金熔液潤(rùn)濕，同時(shí)涂覆的硬膜也賦予模具材料表面的腐蝕磨損抗力。HEF集團(tuán)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)的鋁合金工件壓鑄成型模具中的挺桿（38CDV5，相當(dāng)于H13鋼）表面沉積3μm厚的CERTESS SD 涂層，其硬度可達(dá)4000～4500HV，使用溫度可達(dá)800℃，還可抗鋁合金的黏結(jié)，使用壽命提高至10萬(wàn)次，是未進(jìn)行沉積處理挺桿的6~7倍。

對(duì)如何獲得這種不被液態(tài)金屬潤(rùn)濕的硬質(zhì)膜， Colorado School of Mines(CSM)的D.Zhong和J.J.Moore等提出多層優(yōu)化涂膜的結(jié)構(gòu)是：
①先對(duì)H13模具基體進(jìn)行表面改性，如采用鐵素體氮碳共滲或離子滲氮；
②50～100nm的結(jié)合中間層（adhesion interlayer）如Ti或Cr；
③調(diào)整基材和涂層之間由于壓鑄作業(yè)引起的熱殘余應(yīng)力的中間過(guò)度層（intermediate graded layer），這可應(yīng)用有限元模擬方法確定，他們舉例認(rèn)為，這取決于所選的工作硬化層，當(dāng)工作層選用Al2O3層時(shí)，這中間過(guò)渡層為T(mén)i－Al－N梯度層；
④工作涂層，與液態(tài)金屬或玻璃不相潤(rùn)濕（non wetting）， 對(duì)Al合金壓鑄，可采用CrN，TiAlN，TiCB和Al2O3等。相應(yīng)多層結(jié)構(gòu)膜總厚在5～8μm之間。
在模具工件上通過(guò)PVD技術(shù)獲得優(yōu)異質(zhì)量的涂層， 應(yīng)該依賴于高性能的設(shè)備和能優(yōu)化選擇的工藝參數(shù)。這種設(shè)備最好具有下述技術(shù)要求：
①涂覆處理溫度低；
②繞涂性好；
③涂層沉積均勻；
④采用增強(qiáng)離化率技術(shù)；
⑤精確的涂層成分控制；
⑥一定的沉積速率；
⑦能進(jìn)行多層復(fù)合涂；
⑧能得到納米結(jié)構(gòu)的涂層；
⑨具有PVD和CVD的工作模式；
⑩能邊涂覆邊刻蝕，獲得最佳的涂層質(zhì)量。

法國(guó)HEF集團(tuán)發(fā)展并應(yīng)用等離子體增強(qiáng)磁控濺射（PEMSTM）技術(shù)對(duì)涂層的沉積過(guò)程進(jìn)行精確的控制。應(yīng)用PEMSTM技術(shù)可以達(dá)到涂層最高理論密度。HEF集團(tuán)真空涂層設(shè)備和技術(shù)因此在世界上處于領(lǐng)先地位。概括地說(shuō)，HEF的設(shè)備和技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：
①可以獨(dú)立地對(duì)離子的流量和能量進(jìn)行控制，從而得到最高密度和性能的涂層；
②采用獨(dú)特的OES系統(tǒng)對(duì)等離子體波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)涂層成分的精確控制；
③獲得的所有硬質(zhì)涂層都具有納米級(jí)（≤20nm）結(jié)構(gòu)；
④低電壓、高真空度環(huán)境下均勻的轟擊，可以極大地減弱尖角效應(yīng)；
⑤在抽真空的同時(shí)進(jìn)行加熱，充分迅速地去除水分，獲得優(yōu)質(zhì)、高效的沉積效果；
⑥最低處理溫度可達(dá)到80℃，可用于對(duì)幾乎所有材料，包括鋁合金和聚合物材料進(jìn)行涂層加工；
⑦一臺(tái)設(shè)備同時(shí)擁有PVD和PACVD加工模式，給客戶的技術(shù)升級(jí)以充分的支持。

一、科目：模具鋼的基本認(rèn)識(shí)，特別是塑料鋼

　　二、簡(jiǎn)介：

　　1. 鋼材種類(lèi)極雜且多，其中模具用鋼材分三類(lèi)：

　　指標(biāo)傾向

　　a. 塑料模具鋼：高拋光度

　　b. 熱作工具鋼：高強(qiáng)度、耐高溫

　　c. 冷作工具鋼：耐高壓、耐磨損——‘高速工具鋼’為其一分支

　　2. 常見(jiàn)牌號(hào)標(biāo)志：

　　a. JIS——日本工業(yè)規(guī)格

　　b. ASTM——美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)規(guī)格

　　c. AISI——美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)規(guī)格

　　d. DIN——德國(guó)國(guó)家規(guī)格

　　e. GB/YB——中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

　　三、使用慣例：檢附典型廠商產(chǎn)品型錄

　　1. P20，最常用的塑料鋼

　　2. PDS5，類(lèi)似P20，但比P20難加工，缺點(diǎn)是溫度較高易硬化

　　3. PDS1，不等于S45C，不是型腔用，使用在模架，以降低成本

　　4. 若要求耐用性，則模架材料S50C或S55C，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)克難辦法為S45C鍛打，硬度更高，耐磨性比S50C更好。注：曾有人表示S45C鍛打優(yōu)于S50C的耐磨性，事實(shí)上,該S50C恐有偽劣產(chǎn)品之嫌

　　5. 型腔鋼材對(duì)硬度要求高于P20時(shí)，可選用NAK80，利于耐用

　　6. 選擇傾向：

　　a. 塑膠鋼：即用在塑膠射出成模，再區(qū)分鏡面拋光、耐蝕性等要求

　　b. 冷作鋼：用在導(dǎo)柱套標(biāo)準(zhǔn)零件，也用在精密五金模或耐磨的塑膠?；蚶錄_模

　　c. 熱作鋼：鋁或鋅合金壓鑄模

　　7. 塑料鋼許多都是預(yù)硬型，以免熱處理變形

　　8. 各類(lèi)鋼材成份傾向：中碳：含C量0.3—0.8%

　　a. 塑料鋼：中碳或低碳 少量鎳鉻系(1—10%)或中量接近SUS420不銹鋼鉻系(>10%) 耐腐蝕

　　b. 熱作鋼：中C，少量Cr

　　c. 冷作鋼：高C 注：高速鋼：高C，少量鎢鉬釩系(甚至加鈷)。加少量鉻可增加強(qiáng)度。

　　9. 大類(lèi)區(qū)分解說(shuō)：

　　a. 冷作鋼： 此類(lèi)鋼種在常溫下使用，由于硬度高與耐磨要求，含碳量屬于高碳鋼(C>0.8%),甚至加入少量多鎢鉬釩元素，表助于提高耐磨性，另外，高硬度須防范發(fā)脆，故添加鉻(約4—12%)以提高韌性和強(qiáng)度，也常輔之以錳元素

　　b. 熱作鋼： 此類(lèi)鋼種主要要求在于500—850℃左右較高溫度的使用環(huán)境，故而耐高溫的鎢鉬釩系元素與冷作鋼相當(dāng)，因其耐磨性非主要要求，是以含碳量?jī)H屬于中碳鋼(0.3—0.8%)，且其進(jìn)而對(duì)韌性的影響減少，故含鉻量略下降(約3—5.2%) 　

　c. 塑料鋼： 模腔表面的耐磨蝕為其主要要求，故屬于低碳鋼(C<0.3%)以減少其氧化傾向，并添加中量鉻或少量鎳鉻元素以提高其耐腐蝕性能

　　S136---------適用于材料含酸性物質(zhì),產(chǎn)量高,鏡面要求的模具.

　　S136-SUP-----適用于材料含酸性物質(zhì),產(chǎn)量高,鏡面要求的模具.相對(duì)S136此材料耐酸性更高,質(zhì)地也更均勻.

　　8407---------適用于材料含酸性物質(zhì),產(chǎn)量高,外觀要求不高的的模具.材料硬化以后韌性較好,常用于合金 壓鑄類(lèi)的模具,塑膠材料中含較高玻纖的模具也常選用此材料.

　　H13----------性能與8407相當(dāng),但在硬化后韌性稍差,因此重合金類(lèi)(如銅合金)的模具一般不建議使用.

　　S136H--------適用于材料含酸性物質(zhì),有一定外觀要求,但產(chǎn)量一般的模具.

　　以上幾乎都是防腐蝕性的材料,尤其S136和S136H之間的取舍是很多人一直難以決斷的.在此說(shuō)名,因S136需要硬化以后才能做精加工對(duì)于產(chǎn)量不高的模具如果選用,起制造成本相對(duì)于預(yù)加硬的S136H要高出約15%-20%.

　　NAK80-------這是一種優(yōu)良的非防腐蝕性的材料,預(yù)硬的硬度達(dá)到40HRC左右,切削性能和拋光性能非常優(yōu)秀,甚至可以達(dá)到鏡面要求,但生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)很快被酸性的物質(zhì)所腐蝕而邊得朦朧.但對(duì)與腐蝕性不太強(qiáng),有沒(méi)有外觀要求的POM類(lèi)材料,NAK80是個(gè)很好的選擇.

　　718H---------歐美常用的非防腐蝕性的材料,預(yù)硬硬度一般在32HRC以上,切削性能和拋光性能非常好,常用在ABS,PP等較軟的塑膠模具的型腔上.

　　738H---------非防腐蝕性的材料,預(yù)硬硬度一般在32HRC以上,切削性能和拋光性能一般,常用在ABS,PP等較 軟的塑膠模具的內(nèi)部,不建議用到成型產(chǎn)品外觀的部分.以上所提的材料除NAK80外基本上都可以歸于2344和P20材料家族,各位在選用時(shí)需盡量考慮到材料特性,生產(chǎn)要求,以及模具成本等綜合考慮,本貼謹(jǐn)希望可以對(duì)后進(jìn)的XDJM有參考之用.

　　2343和2344---為熱作工具鋼,個(gè)人認(rèn)為這兩種差不多.2343少用,2344用得多點(diǎn).

　　2767---------多用于五金模中,2764本人不清楚

　　2083---------價(jià)錢(qián)平,可淬火用于酸性塑料,拋光性能好,也可以用2083H不用淬火.

　　高價(jià)模用.要鏡面的時(shí)候用S136.

　　低價(jià)模用2083,

　　沒(méi)酸性用NAK80或718H.

　　淬火HRC58度以上用718和S136,

　　8407的多用一勝百;

　　NAK80多用日本大同;

　　2344,2083等多用龍記. 我們一般都用2343ESU做模芯，其耐磨性和韌性及淬透性都很好。

　　2344除了有以上特點(diǎn)外更有利于冷卻。

　　比較一下他和8407相比較各有什么不同?

　　2767強(qiáng)度和硬度都要好一點(diǎn)，但不利焊接和加工 2764同2343相比稍軟一些，我看都用在靠破的地方 另外2083和9986都用來(lái)做一些長(zhǎng)軸狀的型心。 同一型號(hào)的, 帶H的是指預(yù)硬鋼; 不帶H的沒(méi)預(yù)硬,要軟一些,沒(méi)帶H的常要熱處理.

　　718H-------在普通塑膠模上用的最多了,738比718差一些.

　　NAK80------的拋光性能好, 常用于要拋光的?；蛲该髁? 日本客人常要求用NAK80. 這料已加硬, 達(dá)HRC40多.

　　SKD11------可熱處理到HRC60度以上, 常用來(lái)做插頭模, 沖壓模,刀模等.

　　DF2與SKD11類(lèi)似---只是很多奸商常用國(guó)產(chǎn)料充當(dāng).

　　SKD61------一種熱作模具鋼, 可用于壓鑄模,常熱處理到HRC50左右, 韌性很好. 也常用來(lái)做塑膠模的細(xì)小鑲件.

　　H13--------是美國(guó)牌號(hào), 與SKD61是相同的料.

　　NAK55與NAK80-----差不多, 但沒(méi)用過(guò).

　　635------做電木模.

　　236------一種不銹鋼, 客人指定的, 用于PBT+30%GF的料.

　　S136-----耐腐蝕性很好的料, 拋光性也好, 常用與放出腐蝕氣體及有腐蝕性的料, 也常用于透明料.

　　S136H----就是S136的預(yù)硬料, 用途不用我說(shuō)了

　　1.對(duì)于像PC、PBT+GF、PA等料的塑膠模，要做硬模，選用SKD61料熱處理至HRC48-52度就很經(jīng)濟(jì)了。

　　2.對(duì)于PC透明料，或者模面要求拋光，或者會(huì)放出腐蝕氣體料的硬模，選用S136熱處理是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

　　3.對(duì)于電木模類(lèi)的熱固性塑膠模具，采用SKD61、8407熱處理均可。但在進(jìn)澆點(diǎn)處另鑲白鋼鑲件或者鑲烏鋼鑲件。烏鋼的耐磨性最好，但不能用傳統(tǒng)機(jī)加工法加工，只能用線割、電火花等特種加工。

　　4.對(duì)于要嵌入五金件在模內(nèi)成型的，為防止五金件對(duì)模具的磨損，應(yīng)選用SKD11熱處理至HRC60度以上為好。

　　S136-----耐腐蝕性很好的料, 拋光性也好, 常用與放出腐蝕氣體及有腐蝕性的料, 也常用于透明料.

　　9. 大類(lèi)區(qū)分解說(shuō)：

　　b. ASTM??美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)規(guī)格

　　1. P20，最常用的塑料鋼

　　S136---------適用于材料含酸性物質(zhì),產(chǎn)量高,鏡面要求的模具.

　　b. 冷作鋼：用在導(dǎo)柱套標(biāo)準(zhǔn)零件，也用在精密五金模或耐磨的塑膠?；蚶錄_模

　　c. 冷作工具鋼：耐高壓、耐磨損??'高速工具鋼'為其一分支

　　1.對(duì)于像PC、PBT+GF、PA等料的塑膠模，要做硬模，選用SKD61料熱處理至HRC48-52度就很經(jīng)濟(jì)了。

　　S136---------適用于材料含酸性物質(zhì),產(chǎn)量高,鏡面要求的模具.

　　635------做電木模.

　　718H---------歐美常用的非防腐蝕性的材料,預(yù)硬硬度一般在32HRC以上,切削性能和拋光性能非常好,常用在ABS,PP等較軟的塑膠模具的型腔上.

　　9. 大類(lèi)區(qū)分解說(shuō)：

　　718H-------在普通塑膠模上用的最多了,738比718差一些.

　　我們一般都用2343ESU做模芯，其耐磨性和韌性及淬透性都很好。2344除了有以上特點(diǎn)外更有利于冷卻。比較一下他和8407相比較各有什么不同?

　　DF2與SKD11類(lèi)似---只是很多奸商常用國(guó)產(chǎn)料充當(dāng).

　　4. 若要求耐用性，則模架材料S50C或S55C，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)克難辦法為S45C鍛打，硬度更高，耐磨性比S50C更好

　　2764同2343相比稍軟一些，我看都用在靠破的地方

　　模具鋼的基本認(rèn)識(shí)，特別是塑料鋼

　　H13----------性能與8407相當(dāng),但在硬化后韌性稍差,因此重合金類(lèi)(如銅合金)的模具一般不建議使用.

　　SKD11------可熱處理到HRC60度以上, 常用來(lái)做插頭模, 沖壓模,刀模等.

　　2. PDS5，類(lèi)似P20，但比P20難加工，缺點(diǎn)是溫度較高易硬化

　　c. AISI??美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)規(guī)格

　　2767---------多用于五金模中,2764本人不清楚

　　H13--------是美國(guó)牌號(hào), 與SKD61是相同的料.

　　a. 塑膠鋼：即用在塑膠射出成模，再區(qū)分鏡面拋光、耐蝕性等要求