模具钢：模具钢是用于制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。 模具是机械制造、无线电仪器、电器等工业部门制造零件的主要加工工具。 模具的质量直接影响压力加工工艺的质量、产品的精度、产量和生产成本。 模具的质量和使用寿命除合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。 简介模具钢大致可分为（冷作模具钢）、（热作模具钢）和（塑料模具钢）三大类，用于锻造、冲压、切削、压铸等。由于各种模具用途不同，工况条件复杂，模具用钢根据其所制造模具的工况条件，应具有较高的硬度、强度、耐磨性和足够的韧性，并具有较高的淬透性和淬透性。 硬度和其他工艺性能。 由于这几类模具的用途不同、工作条件复杂，对模具钢的性能要求也不同。 冷作模具包括冷冲模、拉丝模、拉深模、冲压模、滚丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具的材质为钢材。 根据其制造的工具的工作条件，应具有较高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及较高的淬透性、淬透性等工艺性能。 用于此类用途的合金工具钢一般为高碳合金钢，碳质量分数大于5%。 铬是该类钢的重要合金元素，其质量分数通常不大于5%。 但对于一些耐磨性要求很高、淬火后变形很小的模具钢，铬质量分数最高可达13%。 为了形成大量的碳化物，钢中碳的质量分数也很高，可达%~%。 。

冷作模具钢的含碳量较高，其组织大多为过共析钢或莱氏体钢。 常用的钢种有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钢等。热作模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型，包括热锻模、压锻模、冲压模、热挤压模、金属压铸模。 热变形模具在运行过程中除了要承受巨大的机械应力外，还要承受反复的加热和冷却，从而产生很大的热应力。 热作模具钢除具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性外，还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性。 此外，还要求具有高淬透性，以确保整个截面的机械性能一致。 对于压铸模具用钢材，还应具有表层经反复加热和冷却后不产生裂纹，并能承受液态金属流的冲击和冲刷的性能。 这类钢一般为碳质量分数%~%的中碳合金钢。 它是一种亚共析钢。 也有一些钢因加入较多合金元素（如钨、钼、钒等）而成为共析或过共析钢。 分析钢材。 常用的钢材有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。塑料模具包括热塑性塑料模具和热固性塑料模具。 塑料模具用钢要求具有一定的强度、硬度、耐磨性、热稳定性和耐腐蚀性等性能。 此外，还要求具有良好的加工性能，如热处理减小尺寸、良好的加工性能、良好的耐腐蚀性、良好的磨抛性能、良好的补焊性能、高粗糙度、良好的导热性和稳定的工作条件、尺寸和形状等。

一般情况下，热作模具钢可用于注射成型或挤压成型； 冷作模具钢可用于热固性成形和要求高耐磨性和高强度的模具。 分类 美国根据模具使用条件将模具钢分为三大类。 美国金属学会工具钢委员会列出了冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三类。 其中，冷作模具钢分为12小类，热作模具钢为9小类，塑料模具钢为2小类。 每个子类别的材料选择取决于三个主要因素：℃尺寸和形状复杂性、℃正在加工的材料、℃耐久性要求或设计寿命。 1、冷作模具钢（1）分为五组：W组、O组、A组、D组、S组。 ℃ W组为水淬工具钢，有11种钢种和7种碳素工具钢，含碳量从%%。 ℃ O组为油淬冷作模具钢（俗称油钢），有4个钢种，含碳量为%%，℃ A组为空淬合金冷作模具钢，有9个钢种，碳含量含量 量从%%开始。 ℃ D组为高碳高铬冷作模具钢。 含碳量%%的钢种有7种。 ℃ S组为耐冲击工具钢。 含碳量%%的钢种有7种。 对于冷作模具，还有高速钢（HSS组）和超高速钢（SHSS组）、钴基硬质合金和钢结硬质合金（HA组）、粉末钢和工程陶瓷（ PIM组）、碳钨工具钢（F组）、特殊用途工具钢（L组）。

(2)冷作模具钢的选用冷作模具钢主要系列为高硬冷作型，主要用于要求耐高压、耐磨的模具。 硬度高于HRC60-62。 对于要求耐冲击和高韧性的模具，硬度低于HRC60-62，主要采用S型和部分A型以及最常见的调质钢、弹簧钢、热作模具或基体钢。 对于大型冲压模具，如汽车外饰冲压件，主要采用铸铁。 对于简单或低寿命的应用，使用锌基合金或聚合物复合材料。 高速钢和超高速钢在冷作模具中的应用正在迅速增长。 主要原因是它具有较高的“抗压强度/硬度”比。 硬度可在HRC60-70之间选择。 粉末模具钢具有优异的耐磨寿命，硬度不高HRC60-62，用途广泛。 碳素工具钢在寿命达到10万件的冲头或软质材料冲压模具中仍有一定的应用范围。 2、热作模具钢 美国热作模具钢分为两大类：热作模具钢和超热强合金。 由于热作模具在高温条件下工作，因此要求材料具有热强度和耐热磨损性能。 为了保证模具的使用寿命，必须对模具进行冷却。 开裂，即热疲劳裂纹，在冷热交替的模具中会发生，因此材料也要求具有抗裂性和抗热疲劳性。 按热强度排列的主要系列选用材料：低合金调质模具钢（6G、6F2、6F3）→中铬热作模具钢（H11、H12、H13）→钨热作模具钢（H21、 H22）。

非标热作模具钢：如热镦模具用时效硬化6H4。 当采用H11、H12、H13而不能满足耐热磨损性能时，可选择6H1或6H2。 当要求模具的热作耐磨性能时，可选用D2、D4→M2、M4→粉末钢。 钢结硬质合金和钴基硬质合金的高温耐磨性能很高，但其抗热疲劳性能（即抗冷热疲劳裂纹性能）很差，不能用于快速冷却和快速加热状况。 3、塑料模具钢 美国是最早将塑料模具专用钢列入工具钢的国家。 主要以P为代表，分为五类。 ℃ 渗碳塑料模具钢：P1、P2、P3、P4、P5、P6。 这种钢的碳含量非常低。 主要采用美国早期的挤压成型方法生产。 要求冷塑性好，挤压性能高。 成型后表面渗碳淬火，增加表面硬度，使用寿命长。 超低碳芯材最大限度地减少淬火过程中的变形。 ℃调质塑料模具：P20、P21。 目前，P20在塑料模具中大量使用，已成为主要成分。 大部分在预硬状态下使用。 ℃ 热固性塑料模具用中碳合金工具钢。 钢级包括H13、L2和S7，也使用O1和A2。 该类型的特点是：（1）基本上是二次硬化金钢，在500-600oC具有良好的热强度。 (2)含铬量高，对大气有较强的腐蚀性。 (3)淬透性优良，适合大型模块。

℃ 耐腐蚀要求高的塑料模具采用不锈钢。 主要钢种有420、414L、440、416。℃时效钢经过时效处理以获得高性能。 有两种，一种是P21低碳Ni-A1时效钢； 另一种是18Ni马氏体时效钢。 后者是一种用于航空航天工业的无碳、高纯度、高强度、高韧性材料。 用于机械性能、尺寸精度、光滑度、耐腐蚀性要求较高的塑料模具。 塑料模具钢是由薄壁塑料盒制成的。 当生产批量小于10万件时，采用P20、P21预硬状态（HB250~300）。 当生产批量小于10万件时，使用414L。 对于使用寿命较长的普通塑料模具，采用P6或P20。 渗碳淬火后硬度为HRC54-58。 当塑件不太大时，可以使用O1和S7。 腐蚀性强时使用420。 非高温热固性模具采用渗碳淬火后的P6、P20。 如果腐蚀性强，请使用 420。 高温热固性塑料模具采用H13、S7或渗碳钢P4。 这些高铬含量具有良好的抗回火性和高温抗氧化性。 模具钢工艺性能：热加工性能，指热塑性、加工温度范围等； ——冷加工性能，指切削、磨削、抛光、冷拔等加工性能。 大多数冷作模具钢是过共析钢和莱氏体钢，其热加工和冷加工性能较差。 因此，必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数，避免产品出现缺陷和报废。

另一方面，通过提高钢的纯净度，降低有害杂质的含量，改善钢的组织状态，提高钢的热、冷加工性能，从而降低模具的生产成本。 为了提高模具钢的冷加工性能，从20世纪30年代开始，研究在模具钢中添加S、Pb、Ca、Te等易切削元素或引起模具钢中碳石墨化的元素，并开发了各种易切削材料。 切削模具钢进一步提高其切削性能和磨削性能，减少磨料消耗，降低成本。 淬透性和淬透性淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前的原始组织状态； 淬透性主要取决于钢中的碳含量。 对于大多数冷作模具钢，淬透性往往是主要考虑因素之一。 对于热作模具钢和塑料模具钢来说，一般模具尺寸较大，特别是制造大型模具时，淬透性更为重要。 另外，对于各种形状复杂、容易发生热处理变形的模具，为了减少淬火变形，往往尽可能采用冷却能力较弱的淬火介质，如空冷、油冷或盐浴冷却，为了获得所需的硬度和硬化层深度，需要采用淬透性较好的模具钢。 淬火温度和热处理变形。 为了便于生产，要求模具钢的淬火温度范围尽可能宽。 特别是当模具采用火焰加热进行局部淬火时，由于温度难以精确测量和控制，因此要求模具钢有更宽的淬火温度。 范围。 模具在热处理过程中，特别是淬火过程中，会发生体积变化、形状翘曲、扭曲等。 为了保证模具质量，要求模具钢的热处理变形小，特别是形状复杂的精密模具，淬火后修整困难。 ，对热处理变形程度要求较严格，宜采用微变形模具钢。

对氧化和脱碳的敏感性模具在加热过程中如果发生氧化和脱碳，其硬度、耐磨性、性能和使用寿命都会降低； 因此，要求模具钢具有良好的氧化和脱碳敏感性。 。 对于含钼量较高的模具钢，由于其对氧化和脱碳的敏感性较强，需要进行特殊的热处理，如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。其他因素在选择模具钢时，除了使用性能和工艺性能外，还必须考虑模具钢材的通用性和钢材的价格。 模具钢的用量一般较小。 为了便于备料，应尽可能考虑钢材的通用性，尽可能采用大批量生产的通用模具钢，以方便采购、备料和物料管理。 此外，还必须进行全面的经济分析，考虑模具的制造成本、工件的生产批次以及分摊到每个工件的模具成本。 从技术和经济方面综合分析，最终选择合理的模具材料。 性能要求 1、强度性能 （1）硬度 硬度是模具钢的主要技术指标。 模具要想在高应力的作用下保持其形状和尺寸，就必须有足够高的硬度。 冷作模具钢的硬度在室温下一般保持在HRC60左右，而热作模具钢根据其工作条件一般要求硬度保持在HR0~55范围内。 对于同一钢种，在一定的硬度值范围内，硬度与变形抗力成正比； 然而，具有相同硬度值但成分和结构不同的钢种之间的塑性变形抗力可能存在显着差异。

(2)红硬性在高温下工作的热作模具要求保持其组织和性能的稳定，以保持足够高的硬度。 这种性质称为红硬度。 碳素工具钢和低合金工具钢通常可以在180~250℃的温度范围内保持这种性能，铬钼热作模具钢一般可以在550~600℃的温度范围内保持这种性能。 钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理工艺。 (3)压缩屈服强度和压缩弯曲强度模具在使用过程中经常受到高强度的压力和弯曲作用，因此要求模具材料具有一定的压缩强度和弯曲强度。 很多情况下，压缩和弯曲试验的条件与模具的实际工作条件接近（例如，测得的模具钢的压缩屈服强度与冲头在运行过程中表现出的变形抗力一致）。 弯曲试验的另一个优点是应变的绝对值较大，可以更灵敏地反映不同钢种之间、不同热处理和结构条件下变形抗力的差异。 2、韧性模具在工作过程中受到冲击载荷。 为了减少使用过程中断裂、崩刃等形式的损坏，要求模具钢具有一定的韧性。 模具钢的化学成分、晶粒度、纯净度、数量、碳化物和夹杂物的形貌、尺寸和分布等因素，以及模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素，都有影响。对钢材的影响。 韧性有很大的影响。 特别是钢的纯净度和热加工变形对其横向韧性影响更为明显。

钢的韧性、强度和耐磨性往往是矛盾的。 因此，必须合理选择钢材的化学成分，采用合理的精炼、热处理工艺，以达到模具材料耐磨性、强度和韧性的最佳结合。 冲击韧性是指特性材料在冲击过程中整个断裂过程中样品所吸收的总能量。 然而，许多工具在不同的工作条件下会因疲劳而断裂。 因此，常规冲击韧性不能充分反映模具钢的断裂性能。 正在采用小能量多次冲击断裂功或多次断裂寿命、疲劳寿命等测试技术。 3、耐磨性决定模具使用寿命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。 模具在运行过程中受到相当大的压应力和摩擦力，要求模具在强摩擦下保持其尺寸精度。 模具磨损主要有机械磨损、氧化磨损和熔体磨损三种。 为了提高模具钢的耐磨性，必须保持模具钢的高硬度，并保证钢中碳化物或其他硬化相的成分、形貌和分布合理。 对于在重载、高速磨损条件下使用的模具，要求模具钢表面形成一层薄而致密、附着力好的氧化膜，保持润滑，减少模具与模具之间的粘焊、熔焊等熔融磨损。工件。 可以减少模具表面氧化引起的氧化磨损。 因此，模具的工作条件对钢材的磨损影响较大。 耐磨性的测定可采用模拟试验方法，测出相对耐磨指数，该指数可作为表征不同化学成分和组织状态下耐磨水平的参数。

显示规定毛刺高度之前的寿命反映了各种钢种的耐磨水平； 试验以Cr12MoV钢为基准进行比较。 4、抗热疲劳性。 热作模具钢不仅在使用条件下承受载荷的周期性变化，而且还要承受高温和周期性的快速冷却和加热。 因此，在评价热作模具钢的断裂强度时，应注意材质。 热机械疲劳断裂特性。 热机械疲劳是一项综合性能指标，它包括热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。 热疲劳性能反映了热疲劳裂纹萌生前材料的工作寿命。 具有高热疲劳抗力的材料有更多的热循环来引发热疲劳裂纹。 机械疲劳裂纹扩展率反映了热疲劳裂纹萌生后材料的锻造性能。 当裂纹在压力作用下向内扩展时，各应力周期的扩展量； 断裂韧性反映了材料对现有裂纹不稳定扩展的抵抗力。 对于断裂韧性高的材料，裂纹若要不稳定扩展，则裂纹尖端必须有足够高的应力强度因子，即裂纹长度必须很大。 在应力恒定的前提下，模具中已经存在疲劳裂纹。 如果模具材料的断裂韧性值很高，则裂纹必须扩展得更深，然后才会出现不稳定的扩展。 换句话说，抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的寿命部分； 而裂纹扩展速率和断裂韧性决定了裂纹萌生后发生亚临界膨胀时的寿命部分。

因此，为了获得热作模具的高寿命，模具材料应具有高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。 抗热疲劳指数可以通过引发热疲劳裂纹的热循环次数来测量，或者通过一定热循环后出现的疲劳裂纹的数量和平均深度或长度来测量。 5、抗咬合力 抗咬合力实际上就是“冷焊”发生时的阻力。 该特性对于模具材料很重要。 试验时，通常将待测工具钢试样与有咬合倾向的材料（如奥氏体钢）在干摩擦条件下进行等速双摩擦运动，并以一定速度逐渐增加载荷。 此时，旋转力矩也相应增加，这种载荷称为“咬合临界载荷”。 临界载荷越高，抗咬合能力越强。 在模具生产成本中，材料成本一般占10%～20%，而机械加工、热处理、装配和管理成本则占80%以上。 因此，模具材料的工艺性能是影响模具生产成本和制造难度的主要因素。 一。 1、加工性能（1）热加工性能是指热塑性、加工温度范围等； (2)冷加工性能是指切削、磨削、抛光、冷拔等加工性能。 大多数冷作模具钢是过共析钢和莱氏体钢，其热加工和冷加工性能较差。 因此，必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数，避免产品出现缺陷和报废。 另一方面，通过提高钢的纯净度，降低有害杂质的含量，改善钢的组织状态，提高钢的热、冷加工性能，从而降低模具的生产成本。

为了提高模具钢的冷加工性能，从20世纪30年代开始，研究在模具钢中添加S、Pb、Ca、Te等易切削元素或引起模具钢中碳石墨化的元素，并开发了各种易切削材料。 切削模具钢进一步提高其切削性能和磨削性能，减少磨料消耗，降低成本。 2、淬透性和淬透性淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前的原始组织状态； 淬透性主要取决于钢中的碳含量。 对于大多数冷作模具钢，淬透性往往是主要考虑因素之一。 对于热作模具钢和塑料模具钢来说，一般模具尺寸较大，特别是制造大型模具时，淬透性更为重要。 另外，对于各种形状复杂、容易发生热处理变形的模具，为了减少淬火变形，往往尽可能采用冷却能力较弱的淬火介质，如空冷、油冷或盐浴冷却，为了获得所需的硬度和硬化层深度，需要采用淬透性较好的模具钢。 3、淬火温度和热处理变形。 为了便于生产，要求模具钢的淬火温度范围尽可能宽。 特别是当模具采用火焰加热进行局部淬火时，由于温度难以精确测量和控制，因此要求模具钢材有更宽的范围。 淬火温度范围。 模具在热处理过程中，特别是淬火过程中，会发生体积变化、形状翘曲、扭曲等。 为了保证模具质量，要求模具钢的热处理变形小，特别是形状复杂的精密模具，淬火后修整困难。 ，对热处理变形程度要求较严格，宜采用微变形模具钢。

4、对氧化和脱碳的敏感性。 如果模具在加热过程中发生氧化、脱碳，其硬度、耐磨性、性能和使用寿命都会降低； 因此，要求模具钢对氧化和脱碳敏感。 良好的性爱。 对于含钼量较高的模具钢，由于其对氧化和脱碳的敏感性较强，需要进行特殊的热处理，如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。 5、选择模具钢时的其他因素除了使用性能和工艺性能外，还必须考虑模具钢材的通用性和钢材的价格。 模具钢的用量一般较小。 为了便于备料，应尽可能考虑钢材的通用性，尽可能采用大批量生产的通用模具钢，以方便采购、备料和物料管理。 此外，还必须进行全面的经济分析，考虑模具的制造成本、工件的生产批次以及分摊到每个工件的模具成本。 从技术和经济方面综合分析，最终选择合理的模具材料。 模具钢的用途是加工模具时使用的。 由于模具的用途广泛，而且各种模具的工作条件有很大差异，因此制造模具的材料也多种多样。 应用最广泛的模具材料是模具钢。 从普通碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、高速工具钢、不锈耐热钢到满足特殊模具需要的马氏体时效钢、粉末高速钢、粉末高合金模具钢等。模具钢一般可分为三类：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。

冷作模具钢 冷作模具钢主要用于制造在冷状态下压制成型工件的模具。 如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拔模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具钢的范围很广，从各种碳素工具钢、合金钢工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。 热作模具钢 热作模具钢主要用于制造在高温下对工件进行压力加工的模具。 如：热锻模、热挤压模、压铸模、热镦模等。常用的热作模具钢有：添加Cr、W、Mo、V等的中高碳合金模具钢合金元素； 对于有特殊要求的热作模具钢，有时采用高合金奥氏体耐热模具钢。 。 塑料模具钢由于塑料的种类很多，对塑料制品的要求也有很大差异，对制造塑料模具的材料也提出了各种性能要求。 因此，许多工业发达国家已形成了种类繁多的塑料模具钢系列。 包括碳素结构钢、渗碳塑料模具钢、预硬塑料模具钢、时效硬化塑料模具钢、耐腐蚀塑料模具钢、易切削塑料模具钢、整体淬硬塑料模具钢、马氏体时效钢及塑料模具镜面抛光用钢等