模具钢

以碳素钢为基础，添加铬、锰、钼、钨、钒、镍、硅等合金元素的合金工具钢，用于制造各类模具。

简史 很久以前，人类就开始使用碳钢来制作手工成型的模具。 直到18世纪，由于蒸汽机的发明，工业产品由手工制造转变为机器制造。 成型件的重量增加，产量增加，质量要求也随之提高。 高、碳钢模具已不能满足生产需要； 为此，20世纪初以来开发了一系列合金模具钢。

20世纪30年代初期，为了提高冷作模具钢的耐磨性，开发了含铬12%的高碳、高铬冷作模具钢。 同期，为满足热作模具钢的技术要求，开发了红硬性较好的3Cr2W8V型铬钨热作模具钢。

20世纪30年代中期，为了满足铝合金压铸模具的需要，开发了一系列含铬5%的铬钼系热作模具钢，如H11、H13等。

1963年，美国钒钢公司（VASCO）根据淬火高速钢的基体化学成分开发出一种新钢种，即基体钢。 20世纪70年代，经过中国和日本的改进和发展，已成为目前强度最高的超高强度钢。 热强度高，适合制造各种高强韧的冷作、热作模具钢。

由于塑料工业的快速发展，对塑料模具的质量、精度、寿命的要求越来越高，数量不断增加。 20世纪60年代，美国首先制定了一系列塑料模具钢专用标准。

世界工业发达国家已将模具钢列入合金工具钢标准。 模具钢产量占合金工具钢产量的70%~80%，合金工具钢产量占钢材总产量的0.1%~0.2%。 我国于20世纪50年代初开始生产模具钢，主要生产成型金属材料的冷作模具和热作模具钢。 直到20世纪80年代才开始开发塑料成型模具钢。

模具钢的主要合金元素有碳、铬、锰、钨、钼、钒、镍、硅等，它们的主要作用如下：

(1)碳。 模具钢的含碳量范围较宽，其中冷作模具钢的含碳量一般为0.6%～2.3%。 足够的碳含量会与各种碳化物形成元素配合，形成各种类型的碳化物，保证钢的硬度、强度和耐磨性等，随着钢中碳含量的增加，钢的耐磨性增加，但塑性和耐磨性下降。韧性下降。 热作模具钢和塑料模具钢的含碳量一般为0.3%～0.6%，不仅保证钢材具有一定的强度和硬度，而且还具有足够的塑性、韧性和热疲劳性能。

(2)铬。 铬与碳结合形成碳化铬，也能固溶在基体中，提高钢的淬透性和耐磨性； 较高的铬含量还可以提高钢的热强度，如高淬火状态碳素高铬钢和含5%铬的热作模具钢，在回火时有二次硬化； 铬降低钢的马氏体转变点，有利于减少模具淬火变形，提高奥氏体转变温度，有利于退火软化钢。

(3)锰。 锰主要固溶在基体中，扩大y相区，降低钢的淬火温度，减少模具的淬火变形。 但它增加了淬火钢中的残余奥氏体含量，降低了钢的淬火硬度。 模具钢中含有一定量的锰，可以消除或减弱钢中硫引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

(4)钼。 钼的一部分固溶于钢中的基体中，另一部分形成碳化钼。 当钼含量较低时，与铁形成合金渗碳体。 当钼含量较高时，会形成含钼的特殊碳化物。 钼在模具钢中的主要作用是提高淬透性和耐磨性。 对于热作模具钢，还可提高热强度，防止回火脆性。

(5)钨。 钨在钢中的作用与钼相似。 钨的原子量约为钼的两倍。 一般可用2%的钨代替1%的钼。 钨部分溶解在固溶体中，部分与碳形成碳化物。 在低钨含量的模具钢中，钨和铁形成合金渗碳体，提高了钢的耐磨性。 当钨含量较高时，如3Cr2W8V钢会形成特殊的含钨碳化物。 淬火钢在回火时具有二次硬化作用，可以提高钢的热强度。

(6)钒。 钒在模具钢中的添加量一般小于1%，与碳形成碳化钒。 淬火时，未溶解的碳化钒有助于阻止淬火加热时晶粒的长大，并具有极高的硬度，可显着提高钢的耐磨性，但降低了可磨性。 碳化钒在淬火加热时部分溶解，回火时分散析出，产生二次硬化作用，提高钢的热强度。

(7)镍。 镍是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。 在热作模具钢，特别是大型热锻模具中，一般添加量为1%～2%。 主要目的是提高钢的淬透性和韧性。 对于马氏体时效钢或沉淀硬化钢，镍还可与钢中的钛或钼结合形成金属间化合物，在时效过程中分散、沉淀，使钢强化。

(8)硅。 硅固溶在基体中，提高钢的强度和硬度。 冷加工变形硬化率有较强的影响，同时在一定程度上降低了钢的韧性和塑性。 对于冷作模具钢，硅含量一般小于1%； 否则容易导致钢中碳在加热保温过程中石墨化和退火时表面脱碳。 硅提高钢的回火稳定性和抗氧化能力。 因此，热作模具钢中的硅含量一般控制在1%左右。

根据模具的使用条件，分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三类。

冷作模具钢用于制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、弯曲模、搓丝模、冷剪刀、冷成型模等。由于被加工的产品是在室温下加工的温度工件强度高。 因此，冷作模具用钢应满足以下性能要求，即高硬度、高耐磨性和足够的韧性。

高碳低合金模具钢，如中国牌号9Mn2V、Cr2(GCr15)、CrWMn等，适合制作较大尺寸(与碳素工具钢制成的冷作模具相比)，形状简单，载荷较轻。 （一般不大于100MPa）冷作模具。 该钢经淬火和低温回火后，硬度可达HRC58以上。 对于耐磨性要求高、要求淬火热处理变形小或大的模具，选用的模具钢中含有大量的铬、钨、钼、钒等碳化物形成元素，以提高模具的淬火性能。钢材。 性能和耐磨性，如中国牌过共析合金模具钢Cr5MoV、Cr4w2MoV，低碳高速钢6W6Mo5Cr4V，基体钢6Cr4W3Mo2VNb等。另一类高耐磨冷作模具钢是高碳、高铬Cr12模具钢，如中国牌号Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1（美国牌号D2）。 此类钢含碳1.4%～2.3%，铬11%～13%，属莱氏体钢。 Cr12钢是各牌号模具钢中淬火变形最小的一种。 以Cr12MoV为例，其热处理制度为低温（950~1050℃）淬火和低温（150~200℃）回火。 奥氏体化时，由于大量合金碳化物溶入固溶体中，可以获得较高的淬火硬度，且热处理变形很小； 另进行高温（1100~1130℃）淬火和高温（500~520℃）回火。 回火过程中，由于大量的残余奥氏体转变和基体中析出大量弥散的M7C3碳化物，产生二次硬化，从而提高钢的硬度，获得较高的红硬性和耐磨性。 此类钢适用于制造工作温度为400～500℃的模具，但Cr12钢一般采用前一种热处理制度。 高碳高铬钢的碳化物主要为M7C3，但对于不同的状态，碳化物的数量和合金元素的比例不同。 由于此类钢为莱氏体钢，因此铸态组织中会出现大量网状共晶碳化物。 提高冷作模具钢使用寿命的关键是改善钢中共晶碳化物的分布，细化碳化物颗粒，从而提高钢的耐磨性，防止高温淬火晶粒长大的倾向，同时使钢材具有足够的韧性。 。

热作模具钢 热作模具是用于对热固态金属或熔融金属进行压制和成型的工具。 所用钢大多含碳量在0.3%～0.6%之间，并含有铬、镍、钨、钼、钒、硅等合金元素。 该类钢的主要特点是抗回火稳定性好，与工件配合使用时效果良好。 当受热时，仍保持较高的硬度和强度，并具有良好的抗热疲劳性能和冲击韧性。 主要用于制造热锻、热冲压、热挤压、热精锻、压铸等模具。

锤锻模具在使用过程中与铁水反复接触，承受较大的冲击载荷。 一般采用高冲击韧性、耐热350~-400℃的低合金模具钢，如国产牌号5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV等，这些牌号钢一般淬火后在500~600℃回火。

热挤压模具和热镦模具在使用条件下与变形金属长期接触，很容易受热软化。 对于挤压铝合金制品，常采用韧性较高、热疲劳性能较好的中国热作模具钢牌号4Cr5MoSiV1和4Cr5MoSiV（美国牌号分别为H13和H11）制造模具； 对于挤压铜合金制品，要求模具钢具有较高的耐热性，常采用中国牌号3Cr2W8V、4Cr5W2VSi和基体钢5Cr4W5Mo2V来制作模具。 这类钢一般在淬火后进行550-650HC二次回火。 具有较强的二次硬化作用，适宜在550-650℃温度下工作。

压铸模具用钢必须具有优良的抗热疲劳性能和抗热侵蚀腐蚀性能。 4Cr5MoSiV1和4Cr5MoSiV是压铸锌、铝、镁合金等低熔点金属的良好材料。

对于耐热性要求较高的精密锻造模具、挤压模具和压铸高熔点金属模具，当模具使用温度超过700℃时，若采用淬火状态下具有马氏体基体的热作模具钢用于制造模具时，会由于受热时马氏体发生相变，其硬度和强度急剧下降。 当模具工作温度在700～850℃温度范围时，需采用含有镍、锰等较高合金元素的奥氏体耐热钢。 当使用温度高于850℃或使用条件较恶劣时，需要采用钨、钼基耐火合金，以提高模具的使用寿命。

提高钢的纯净度和各向同性性能将有效提高热作模具的使用寿命。

塑料模具钢 近年来，随着塑料工业的发展，塑料模具钢也取得了长足的进步。 对于塑料模具钢来说，除了有一定的性能要求（包括强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性和耐蚀性等）外，还要求具有良好的工艺性能，即钢材具有小的热处理变形和抛光性能性能好，粗糙度低，补焊性能好，图案蚀刻加工性能好。 根据模具的使用条件，应选择不同的钢种和热处理工艺。

要求使用寿命长、尺寸大、形状复杂或使用条件恶劣的塑料模具往往采用合金渗碳钢制成。 这类模具必须冷挤压成型，然后渗碳，最后回火才能保证性能。

对于大型、精密塑料模具，为了避免热处理变形，一般采用预硬钢，如3Cr2Mo（美国牌号P20）。 即预先将模具钢加工到需要的硬度，然后对模具进行雕刻。 模具成型后，可直接使用。 这样既保证了模具的性能又保证了尺寸精度。 提高预硬钢的硬度可以提高模具的性能和寿命，但钢的切削性能会降低。 如果在钢中加入适量的硫、钙、铅、硒等合金元素，可以改善钢的切削性能，这就是所谓的易切削预硬钢。 当然，由于易切削元素的加入，相应钢的各向同性性能和耐腐蚀性能都会得到提高。 性能将会下降。

为了制造复杂、精密、长寿命的塑料模具，可以使用低碳马氏体时效钢，如美国牌号18Ni-250和18Ni-300。 此类钢固溶处理后硬度较低，可进行机械加工。 模具成型后要进行时效处理。 时效过程中，马氏体基体上析出高度分散的Ni3Mo、Ni3Ti等金属间化合物。 ，并产生时效强化作用，使钢获得良好的综合力学性能，且时效热处理变形很小。 但18Ni型马氏体时效钢镍、钴含量较高，价格昂贵，限制了其应用范围。 目前，已开发出无钴和低镍马氏体时效钢来制造此类先进的塑料模具。 。

热固性塑料成型模具和复合材料增强塑料成型模具的耐磨性要求较高。 一般采用淬透性好的冷作模具钢和热作模具钢，如中国牌号9Mn2V、Cr5Mo1V、Cr12MoV、4Cr15MoSiV、4Cr5MoSiV1钢。 生产。 最后对模具进行淬火、回火，以获得较高的硬度和强度。

为了生产腐蚀性塑料的成型模具，要求模具钢具有防腐性能。 经常使用中国牌号的 4Cr13、9Cr18 和 Cr18MoV 钢。 模具冷成型后，在200～300℃下进行淬火、回火。

提高钢材结构成分的纯净度、致密性和均匀性是提高塑料模具钢抛光性能、降低钢材粗糙度的有效措施。

模具钢在生产过程中冶金质量要求较高，常采用电炉冶炼。 有些塑料模具钢也在转炉中冶炼。 当要求纯度较高时，可采用电炉冶炼加二次精炼（包括真空炉精炼、电渣重熔、粉末喷涂等）。 为了减少偏析，钢锭可以进行高温扩散退火。 过共析钢热加工时，停锻（轧）温度应较低（800℃左右）。 锻轧后应快速冷却至700℃，以避免析出粗大的网状碳化物。 必须缓慢冷却至700°C以下。 防止热应力引起冷作模具钢产生裂纹。 对于塑料模具钢来说，压缩比一般控制在4以上，以保证模具的质量和使用寿命。 对于经过电渣重熔的钢材，可适当降低压缩比。 对于LEDB型高碳高铬钢，为了改善共晶碳化物的分布均匀性，提高热加工压缩比可以取得良好的效果。 对于大规格钢材，选择电渣重熔大钢锭（直径350mm），通过更大的压缩比获得更高的质量。

采用精锻机、快锻液压机等先进热加工设备，可以提高模具钢的成材率、生产率和尺寸精度。

模具钢热加工成材后，一般要进行软化退火，以避免产生裂纹，保证冷加工性能。

为了节约能源、节省材料、缩短模具的制造周期，模具钢产品将向品种规格多样化、材料精细化、成品化方向发展。