本文从钢种、品种、工艺技术、装备、质量控制等方面总结分析了近20年来冷作模具钢的发展成就，并对未来冷作模具钢的技术发展提出了建议我国模具钢。

关键词：冷作模具钢、耐磨性、韧性

1 简介

近20年来，为了提高生产效率和材料利用率，降低产品成本，缩短生产周期，国内外制造业广泛采用精密冲压、冷挤压、冷轧、冷镦等冷作模具成型和冷拔。 该技术取代了传统的切削加工工艺，并部分取代了原有的热加工工艺，因此冷作模具制造业和冷作模具钢的生产技术得到了快速发展。

例如，生产一款汽车，平均需要2200套冷作模具，其中大中型模具300多套。 汽车换型周期一般为6-10年，换型过程中约80%的模具需要更换[1]。

新产品、新工艺技术的开发，推动了模具制造业的快速发展。 20世纪80年代以来，一些先进工业国家模具制造业的产值已超过机床制造业的产值。

1996年，我国有模具生产工厂17000多家，从业人员近50万人。 1996年模具产值达到160亿元。 但许多大型、精密、复杂、长寿命模具仍需从国外进口。 1996年进口模具每年外汇费用达9.18亿美元，我国已成为世界上进口模具最多的国家[1]。

我国模具钢的发展也很快。 1997年，我国主要特钢厂合金工具钢（其中模具钢约占80%）钢产量14.2万吨，其中高合金工具钢产量7.25万吨。 钢铁产量居世界前列[2]。

模具钢一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三类。 其中，冷作模具钢一直占据较大份额。 近年来，塑料模具的生产发展迅速，但塑料模具中相当一部分是由碳素结构钢（如45、55钢）制成的，因此在合金模具钢的产量中，冷作模具的产量钢铁仍位居第一。

随着产品批量的迅速增加和工艺技术的不断发展，冷作模具的使用条件日益严格，对冷作模具钢的性能、质量和品种不断提出更新、更高的要求。 为了满足这些要求，近20年来，国内外许多生产、研究部门积极研究开发具有多种优良性能、适应各种要求的新型冷作模具钢，并在本文将对这些方面进行回顾和分析，并对当前我国冷作模具钢的发展提出一些意见和建议。

2 冷作模具钢品种的发展

冷作模具钢主要用于制造落料、冲压、挤压、冷镦、剪切、滚压、压花和冷拔等模具。 一般要求有较高的耐磨性、硬度、一定的韧性、红硬性和良好的工艺性能。 对于生产批量小、要求不高的小型冷作模具，可采用碳素工具钢； 要求高硬度和耐磨性的模具常采用高速钢或硬质合金或钢结硬质合金制造。 对于镶件制造，本文将重点关注合金模具钢。 这部分模具钢可分为通用冷作模具和专用冷作模具钢两大类。

2.1 通用冷作模具钢

国内外通用冷作模具钢一般可分为三类。 这些模具钢用途广泛，占总产量的80%以上。

2.1.1 低合金油淬模具钢

此类钢在美国ASTM A681标准中以01、02钢为代表。 我国对应的钢号为CrWMn、9CrWMn、9Mn2V。 该类钢合金含量低，价格低，淬透性、耐磨性和红硬性良好。 高于碳素工具钢，可采用油淬。 可用于制造一般要求的冷作模具。

CrWMn钢是我国广泛使用的标准钢种，其碳含量较高。 较大截面钢材的锻造和冷却很容易产生严重的网状碳化物，很容易在以后的生产和使用中造成问题。 应通过研究分析其成分。 适当调整。

2.1.2 中合金空淬模具钢

以美国ASTM A681标准中的A2钢为代表，我国将其命名为Cr5Mo1V，该类钢不仅比以前类型的钢具有更高的耐磨性和红硬性，而且还具有良好的韧性和淬透性，可空气冷却和淬火。 ，减少热处理变形，是国际上广泛使用的冷作模具钢。 用于制造具有高耐磨性并承受一定冲击载荷的冷作模具。 使用效果良好，建议推广应用。

2.1.3 高合金Cr12冷作模具钢

代表钢种是美国ASTM A681中的D3和D2。 我国对应的钢号为Cr12、Cr12Mo1V1、Cr12MoV。 其中Cr12钢级是我国最常用的冷作模具钢。 该类钢的碳、铬含量较高，且钢中含有较多高硬度合金碳化物，因此其耐磨性是三类钢中最高的，同时还具有一定的纸张硬度和良好的淬透性。 ，但该类钢材的韧性较差，特别是大断面钢材。 由于碳化物不均匀性严重，很容易存在粗大的网状或条状，降低了钢材的韧性。 这类钢还具有热塑性差、锻造温度范围窄、热加工性能和切削加工性能差等特点。 主要用于制造高耐磨、低冲击载荷的冷作模具。

上述三个钢种中，CR12Mo1V1(D2)钢的钼、钒含量较高，抗麻性和红硬性较好。 在我国，由于该标准接受时间不长，用量不大，建议推广应用。

2.2 特殊用途冷作模具钢

2.2.1火焰淬火冷作模具钢

与整体淬火工艺相比，火焰加热局部淬火工艺可以简化热处理工艺，避免或减少热处理变形，从而缩短生产周期，节约能源，降低成本，而且由于仅模具的切削刃部分或其他需要淬火的零件在淬火后其他零件仍保持低硬度、高韧性的退火状态，提高了模具承受冲压载荷的能力。 国外从20世纪70年代起就开发了一些专门适应火焰淬火工艺的冷作模具钢。 这种钢制成的模具经过机械加工后，一般采用氧乙炔火焰喷枪来清理刀片或模具的其他需要。 淬硬件采用局部加热、空冷淬火工艺进行冷淬火。 一般淬火后变形很小，可直接使用。 由于加热主要采用火焰喷枪人工完成，加热温度不易精确测量和控制。 因此，该类钢的特点之一是淬火温度范围较宽，淬透性好，能适应火焰加热和空冷淬火的要求。 代表性钢种包括日本爱知制钢公司的低合金钢SX105V和SX4(Cr8)和SX5(Cr8Mo)，其铬含量约为8%[4]，以及理化金属公司的HMD1(Cr8)和SX5(Cr8Mo)。日立金属的SX5（Cr8MoV）[4]、HMD1（Cr3SiMnMoV）和HMD5（7CrSiMnMov）； 我国研制的7CrSiMnMov钢已广泛应用于汽车制造行业，并取得了良好的效果[5]。

2.2.2 低合金空淬微变形钢

一些形状复杂的精密冷作模具，希望淬火后变形很小，以减少磨削量。 一般通用型高合金模具钢如Cr12、Cr12MoV等，虽然可以空冷淬火，但合金含量较高，生产工艺复杂，价格较高。 高的。 近年来，国内外开发了一些低合金空淬微变形冷作模具钢。 它们的合金含量低，淬透性好。 较大截面模具也可采用空冷淬火，淬火变形小，如美国ASTM A681标准中的钢号A4（Mn2CrMo）、A6（7Mn2CrMo）、日本大同特殊钢公司的G04钢、ACD37日立金属的钢材 [7]。

但由于该类钢淬透性较高，当退火冷却不当时，去炎状态下的硬度会较高，从而影响其切削性能。 我国研制的Cr2MnMoWVS钢具有优良的淬透性。 直径100mm的工件可采用空冷淬火。 淬火变形较小，一般为轴向变形[5]。

2.2.3 低碳高速钢和基体钢

高速钢具有优良的耐磨性和红硬性，常用于制造耐磨性高、寿命长的冷作模具。 但一般高速钢韧性较差，用于制造承受高冲击载荷的冷作模具。 使用时可能会发生崩刃、断裂等事故，造成模具早期失效。 为了满足冷作模具的需要，国内外相继开发了低碳高速成形钢和更高韧性的基体钢。

低碳高带钢将一般高速钢的含碳量降低到0.5-0.6%，减少高速钢中的一次碳化物数量，使碳化物细小、均匀，以提高钢的韧性。 代表性钢种如美国ASTM H26（5W18Cr4V）、A681中的H42（6W6Mo5Cr4V2）和我国的6W6Mo5Cr4V等。

基体钢的成分是根据高速钢淬火后的基体组织成分而设计的。 因此，基体钢淬火后的多余碳化物数量更小、更细小、更均匀，钢的韧性进一步提高。 代表钢种如美国VASCO公司的VASCO钢（5Cr4W3Mo2V）[7]、日本日立金属公司的YXR3和YXR4、大同特钢公司的MH85钢以及我国的6Cr4W3Mo2VNb等。

上述两类钢的韧性虽然得到了一定程度的提高，但随着碳化物数量的减少，其耐磨性和红硬性也随之下降。 它们多用于制造具有较大冲击载荷的冷冲压、冷镦和冷挤压件。 模具。

2.2.4 高韧性、高耐磨冷作模具钢

高合金Cr12冷作模具钢和高速钢耐磨性好，但韧性较差。 低碳高速钢和基体钢的韧性有所提高，但耐磨性有所下降。 为了适应既具有高耐磨性的要求，又为了满足冷作模具具有良好耐磨性和一定韧性的要求，近20年来，开发了一些具有良好耐磨性和韧性的冷作模具钢国内外先进的模具，如美国VASCO公司于20世纪70年代开发的VASCO模具（8Cr8Mo2V2Si）。 、VASCO Wear（Cr8Mo2V2WSi）[8]、20世纪80年代日本日立金属公司的SLD8、大同特钢公司的DC53、我国研制的LD（7Cr7Mo2VSi）钢、GM钢（9Cr6W3Mo2V2）等均属于此钢的类型 [5, 8 ]。

该类钢的碳、铬含量低于Cr12高合金冷作模具钢。 添加Mo、W、V、Si、Ti等元素，碳化物细小、均匀（平均尺寸约为Cr12钢碳化物的1/3）。 ），碳化物成分中MC和M6C碳化物较多。 淬火硬度相同时，其冲击韧性、弯曲强度、疲劳强度和红硬性均优于高合金Cr12冷作模具钢。 三种钢材的力学性能比较如表1所示[9]。

表1 GM钢与W6Mo5Cr4V2、Cr12MoV钢力学性能比较

钢号

热处理工艺

弯曲强度/MPa

挠度/毫米

冲击韧性/J?cm-2

U型缺口

HRC

通用汽车

1080℃淬火油

540℃回火2次

4808

4.80

28.1

65.4

W6Mo5Cr4V2

1190℃淬火油

560℃回火3次

3210

2.14

19.6

66.5

Cr12MoV

1040℃淬火油

200℃回火

2775

3.30

27.4

62.3

此类钢用于要求高耐磨性和承受高冲击载荷的长寿命模具，如冷镦、冷冲压、冷挤压模具，并取得了良好的效果。 未来有可能在更大范围内逐步替代通用高合金Cr12模具钢。

2.2.5粉末冶金高合金冷作模具钢

在金属粉末生产过程中，由于雾化微小钢滴的快速凝固，高碳高合金钢中生成的碳化物非常细小（一般碳化物粒径≤1-2μm），显着提高了粉末冶金性能。高合金工模具钢的结构性能，包括韧性、各向同性和加工性能。 此外，还可以生产常规工艺难以生产的合金和碳含量较高的冷作模具钢。 例如美国开发的高碳高合金冷作模具钢CPM10V（C 2.5%、Cr 5%、V9.75%、Mo 1.3%）、320cRvmO13.5（C 3.2%、Cr 13）德国开发的V 5%)、Mo 1.0%)等。由于这些粉末冷作模具钢含有大量高硬度MC型碳化物，其耐磨性可与通用硬质合金相近硬质合金的韧性远高于硬质合金[5]，是一种很有前途的冷作模具材料。 我国一些高校已系统地开展了这方面的实验研究，但尚未正式应用于生产。

2.2.6铸造模具钢和焊接性良好的模具钢

为了简化模具制造工艺，缩短制造周期，降低模具制造成本，国外已采用精密铸造工艺生产冷作模具，并开发了一批特种铸造冷作模具钢。 美国还制定了铸造模具钢标准（ASTM A597），包括四个冷作模具钢牌号，日本日立金属也提出了两个用于精密铸造的冷作模具钢牌号。

这些钢种的特点是将一般热加工用冷作模具钢化学成分中硅含量上限提高到1-1.5%，大概是为了适应重熔工艺的需要。

我国一些部门也开始采用精密铸造工艺生产冷作模具毛坯，但尚无适合精密铸造工艺的专用冷作模具钢牌号。 例如，东风汽车公司模具厂选用ZG7CrSiMnMoV钢，采用实型铸造工艺生产汽车覆盖件冲压模具用边缘镶件模，取得了良好的经济效益和实际效果[10]。

对于失效的冷作模具切削刃或其他铁损零件，采用堆焊修复。 它是一种节省劳动力、少用材料、缩短制造周期的工艺技术。 国外已对具有良好焊接性的冷作模具钢进行了研究。 提出相对成熟的堆焊材料和焊接工艺。

我国东风汽车公司等单位对7CrSiMnMoV钢覆盖件边模进行堆焊修复，效果良好。

3 冷作模具钢规格的制定

在模具制造成本中，材料成本一般只占10-20%，加工成本占成本的绝大多数。 因此，为了降低模具的制造成本，提高生产效率，减少加工余量，缩短模具制造周期，国外模具钢生产部门都尽力提供接近最终尺寸的材料。模具零部件，正向多元化、材质精细化、成品化方向发展。

3.1钢材规格多样化

大多数冷作模具如冷冲模、冲裁模、剪切模等都是由若干个扁平零件组成。 为了方便生产，模具制造商希望钢厂能够直接提供高精度扁钢和板材。 近年来，扁钢和板材在国外模具钢产量中的份额快速增长。 例如，日本1975年热轧合金工具钢中，扁钢和板材之和仅占16%。 到1997年，两者相加就占了总产量。 超过34%。 其中，扁钢产量增长4.6倍[11, 12]，见表2。

表2 1975年和1997年日本合金工具钢热加工钢产品分类别产量/吨

年

杆>Φ100mm

棒材Φ100-50mm

杆