模具钢概述及其发展趋势

模具材料是模具制造业的材料和技术基础。 模具钢是传统的模具材料。 其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命、制造周期起着决定性作用。

模具钢的发展也推动了工业产品向定制化、个性化、高附加值方向发展。

1、模具的分类

模具的用途广泛，各种模具的工作条件差异很大。 因此，制造模具的材料种类繁多，其中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、热作模具钢和塑料成型用模具钢。

1.1 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。

1.2 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； 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。 。

1.3 塑料模具用钢

由于塑料的种类很多，对塑料制品的要求也有很大差异，对制作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

2、模具钢材材料的选择

2.1 选择模具钢材料的基本原则

根据模具生产条件和模具工作条件的需要，结合模具钢材材料的基本性能和相关因素，选择适合模具需要的经济合理、技术先进的模具钢材将来。 对于一个模具来说，如果单纯考虑材料的基本性能，有几种模具材料就可以满足要求。 但必须综合考虑模具的使用寿命、模具制造工艺的难度、模具制造的成本以及分配给制造的时间。 只有对每个工件的模具成本等各种因素进行综合分析评估，才能得出符合实际的正确结论。

2.2模具钢材选用的主要指标

模具钢选用的主要指标包括以下三个方面：模具钢的基本性能； 模具钢的工艺性能； 以及模具钢的冶金质量。

2.2.1模具钢的基本性能

一般是指模具钢的耐磨性、韧性、硬度和红硬性。 这三个性能可以综合反映模具钢的综合性能。

(1)耐磨性模具工作时，表面常常要与工件产生多次强烈的摩擦，这就要求制造模具所用的材料能够承受机械磨损。 即使承受重载荷和高速摩擦时，也不会被工件损坏。 工件表面之间的粘连和焊接使工件表面产生划痕，使模具仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度。

(2)模具钢的韧性对于承受强冲击载荷的模具来说是一个非常重要的考虑因素，如冷作模具的冲头、锤子用热锻模具、冷镦模具、热锻模具等。高温时，还必须考虑其在高温下的高温韧性。 对于承受多个方向冲击载荷的模具，还必须考虑其方向性。

(3)硬度和红硬性是模具钢的主要技术性能指标。 模具在工作时必须具有较高的硬度和强度，以保持其原有的形状和尺寸。 一般冷作模具钢要求其淬火、回火硬度。 约为HRC60，而热作模具钢约为HRC45-50。

红硬性是指材料在一定温度下保持其硬度和结构稳定性并抵抗软化的能力。 是热作模具钢和部分重负荷冷作模具钢的重要性能指标。

2.2.2 磨削工具钢的工艺性能

一般指切削加工性、淬火温度范围和淬火变形程度、淬透性和淬透性以及氧化和脱碳敏感性。

(1)加工性能包括冷加工性能，如：切削、磨削、抛光、冷挤压、冷拔加工性能，热加工性能包括热塑性和热加工范围温度等。

(2)淬火温度范围和淬火变形要求模具钢具有较宽的淬火温度范围和较小的淬火变形程度。

(3)淬透性和淬透性淬透性取决于钢的碳含量，淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素的含量和淬火前的组织状态。 对于大多数要求高硬度的冷作模具，淬透性要求较高； 对于大多数热作模具和塑料模具来说，硬度要求并不太高，往往更多地考虑其淬透性； 特别是对于一些断面较深的大型模具，为了使模具中心获得良好的组织和均匀的硬度，需要具有良好淬透性的模具钢。

(4)氧化脱碳敏感性模具在加热过程中，如果发生氧化脱碳，就会改变模具的形状和性能，影响模具的硬度、耐磨性和使用寿命，引起模具早期失效。 通过真空热处理等特殊热处理工艺可以避免氧化脱碳。

2.2.3模具钢的冶金质量

冶金质量对模具钢的性能也有很大影响。 只有具有优良的冶金质量，才能充分发挥模具钢的各种性能。 冶金质量一般包括以下几个方面：冶炼质量、锻轧工艺性能、热处理和精整性能、导热性能以及材料和成品的精细程度。

除了上述性能要求外，模具钢的通用性也是选择模具钢时必须考虑的因素。 模具钢一般用量较小，品种规格较多。 为了便于市场采购和备料，应考虑材料的通用性。 除特殊要求外，应尽可能大量使用通用模具钢，因为通用模具钢的技术已经比较成熟。 ，完整的性能数据，方便设计和制造过程中参考。 此外，选用通用模具钢，方便采购、备料和物料管理。 总之，选用优质、高性能、高精度的模具钢精矿及产品，高效率、高速度、低成本生产高质量模具，已成为当前工业发达模具制造的主要发展趋势行业。 我国也正在朝这个方向努力。

3、国内外模具钢发展概况及趋势

3.1模具钢生产技术的发展

模具是工业发展的基石。 为了降低产品成本、提高产品质量和生产效率、提高材料利用率、节约能源，世界各地的制造业广泛采用各种模具成型工艺来替代传统的切削加工。 目前，机械制造、电子工业、轻工等工业部门产品的工件约有60%～80%是模压成型的。 许多产品的质量、尺寸精度、表面粗糙度、更换速度和产品成本在很大程度上取决于模具的质量、使用寿命和制造周期。 模具钢作为主要模具材料，是模具制造的基础。 随着模具工业的快速发展，对模具钢的数量、质量、品种、规格、性能等方面不断提出更高、更新的要求。 近年来，国内外模具钢的产量、生产技术、工艺装备、质量、品种等方面都取得了较快的发展。

3.1.1模具钢产量发展

近20年来模具钢产量增长迅速，领先于其他钢种。 模具钢产量约占合金工具钢的80%。 我国模具钢产量长期位居世界前列。

3.1.2模具钢牌号的发展

随着模具的工作条件要求越来越高，各国在原有的冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类的基础上，开发了许多满足新要求的新钢种。

湖在冷作模具钢方面，开发的材料有：

(1)高韧性、高耐磨模具钢。 这些钢比传统的Crl2型模具钢具有较低的C和C含量，增加了Mo和V合金的量，其耐磨性、韧性和抗回火软化能力优于Crl2MolVl钢。 能力高于Crl2，如美国钒合金钢公司早期推出的VascoDie（8Cr8M02V2Si）、日本大同特钢公司的DC53（CrSM02VSi），我国自主研发的有7CrTM02V2Si（LD钢）、9CrW3M02V2（ GM钢）等。用于高强度螺栓的冷挤压模具、冷冲模具、滚丝模具。

(2)低合金空淬微变形钢。 该类钢的特点是合金含量低（≤5%），淬透性和淬硬性好。 Φ100mm工件可空冷淬火，淬火变形小，加工性能好。 主要用于制造精密、复杂模具。 如美国ASTM标准钢号A4(Mn2CrM-o)、A6(7Mn2CrMo)、日本大同特殊钢公司的G04等。 我国自主研发的Gr2Mn2SiWMoV、8Cr2MnMoWVS等钢种也属于低合金空淬微变形钢。 后一种钢种还具有优异的切削加工性。

(3)火焰淬火模具钢。 这类钢的特点是淬火温度范围宽，淬透性好。 由于火焰局部淬火工艺简单，可以缩短模具制造周期，降低制造成本。 已广泛应用于剪切、冲裁、冲压、冷镦等冷作模具的制造，特别是大型镶件模具，如东风汽车公司采用我国研制的7CrSiMiMoV火焰淬火钢制造镶件模切大型汽车覆盖件边缘材料，并取得了良好的效果。 这类钢的代表钢种有日本爱知公司的SX5(Cr8MoV)、大同特殊钢公司的G05、日本日立金属公司的HMDl等。

(4)粉末冶金冷作模具钢采用粉末冶金工艺生产的高碳、高合金钢。 由于钢液雾化形成的细钢粉凝固速度快，完全可以避免一般工艺生产的高碳、高合金冷作模具钢。 浇注后凝固缓慢造成的粗大碳化物、偏析等缺陷。 特点：磨削性好，韧性好，各向同性好，热处理加工性能好。 已公布的粉末冷冶金钢牌号有美国Crucible Steel公司的CPM9V、CPM10V，日本日立金属的HAP40等。

2、新开发的热作模具钢材料包括：

1）通用热作模具钢 1、以5155NiCrMoV6为代表的低合金热作模具钢，以H13（4CrSMoSiVl）为代表的中合金热作模具钢； HIO(3Cr3M03VSi)钨系钼系热作模具钢。 目前，4CrSMoSiVl是我国产量较高的热作模具钢。

2）淬透性高：特大型锻模所用钢材具有良好的淬透性，较大的模芯可以获得均匀的性能。 如IS04957标准中的40NiCrMoV； 法国NF-35-590标准中的dONCDl6； 我国的4Cr2MoVNi、3Cr2MoWVNi等

3）高热强模具钢可分为以下四类。

A。 中合金高热强模具钢一般是在3Cr3M03Si-V(H10)和4CrSMoSiVl(HB)钢的基础上加入W、Mo、Co、Nb等元素，以提高其高温性能。 如美国ASTM标准钢级H10A、我国研制的3Cr3M03W2V等。

b. 沉淀硬化热作模具钢含碳量较低，一般在2%左右。 含有一些沉淀硬化合金元素，如V、Nb、Ni、Al、Mo等。模具淬火后，在较低温度（≈400℃）下回火。 硬度约为40HRC。 由于含碳量较低，中温回火后组织为板条状低碳马氏体，韧性好，切削加工性好，可用于型腔加工。 模具在使用过程中，与高温工件接触的工作面被工件加热到钢材的沉淀硬化温度（500~600℃）。 由于合金碳化物和金属间化合物的析出，工作表面硬度可升至45~48HRC。 ，提高了型腔表面的耐磨性，并保留了模具中心原有的组织和高韧性，从而提高了模具的使用寿命。 如日本日立金属S136圆钢批发公司的YHD3、大同特殊钢有限公司的DH76等。

C。 低碳高速钢和基体钢高速工具钢具有良好的抗回火软化能力和高温硬度，但韧性和抗冷热疲劳性能较差。 低碳高速钢将高速钢的含碳量从1%左右降低到0.3%-0.6%。 它以牺牲部分红硬性和耐磨性为代价来提高韧性和抗冷热疲劳性能，如美国ASTM标准钢号为H42，中国标准钢号为6W6MoSCr4V。 基体钢的化学成分与淬火后高速钢的基体组织成分相当，因此淬火后多余碳化物数量少、细小、均匀，进一步提高了钢的韧性和耐冷热性能疲劳。 如美国钒合金铁公司的VasooMA（5Gr4W3Mo2V），以及我国的6Cr4Mo3W2VNb。 由于其良好的综合性能，该钢不仅可用作热作模具钢，还可用于制造高性能冷作模具。

d. 奥氏体热作模具钢，该类钢经固溶时效处理后在700-800℃仍保持良好的强度，如日本日立金属公司的5Mnl8CrlOV2、我国的7Mnl0Cr8Nil0M03V2等。

3． 塑料模具钢已由原国家标准中的3Crl2Mo（P20）钢级发展到由以下七类组成的系列塑料模具钢：

1）非合金塑料模具钢主要用于制造工件批量小、技术要求不太严格的通用热塑性塑料制品模具。 如20、45等碳素结构钢和T8、T10等碳素工具钢。

2）预硬塑料模具钢采用经过高温调质的中碳合金钢（硬​​度30~40HRC）交货：代表钢种如美国P20、瑞典718（3Cr2MnNiMo）瑞典公司、日本大同特钢公司的PDS5、我国的3Cr2Mo等。

3）时效硬化塑料模具钢时效温度低，变形小且规则，适合制造形状复杂、尺寸精度要求高的模具，如美国ASTM标准钢号P21、日本大同特殊钢公司的NAK55（ 2Ni2A1CuMoS)、NAK80、我国的25CrNi3MoAl等

4）渗碳塑料模具钢一般采用C、Si含量很低的低碳钢或低碳合金钢，以保证钢材在室温下具有高塑性和低变形抗力，用于模具型腔的冷挤压、渗碳、淬火等。挤压成型型腔后进行回火，使模具表面具有较高的硬度和耐磨性。 一般用于制造要求耐磨性高的热固性塑料模具和增强塑料模具。 如美国ASTM标准钢号P2（10CrMo）、P3（10CrNi）； 我国的20Cr、12CrNi2等

5）整体淬火模具钢一般采用高耐磨冷作模具钢和热作模具钢。 如Cr5M01V(A2)、Crl2MolVl(D2)等冷作模具钢和4Cr5MoSiVl等热作模具钢。

6）耐腐蚀塑料模具钢有些塑料制品如聚氯乙烯、氟化塑料、阴燃塑料等在压制过程中对模具有腐蚀作用。 因此，此类塑料模具一般采用马氏体不锈钢和沉淀硬化型。 不锈钢，如瑞典公司的STVAX（4Crl3）、我国研制的PCR（OCrl6Ni4Cu3Nb）等。

7）无磁塑料模具钢 为了适应磁性塑料制品的生产，国内外已开发出一些无磁塑料模具钢。 奥氏体模具钢经过时效硬化处理，以获得所需的硬度、强度和低磁导率，如日本日立金属的HPM7、我国的7Mnl5Cr2A13V2WMo等。

此外，为了适应塑料模具制造过程中对钢材工艺性能的一些特殊要求，还开发了以下四类专用塑料模具钢种。

1）镜面磨削用塑料模具钢纯度高、密度高、材质均匀性好、淬火、回火硬度高。 适用于制作光学仪器、电子设备用透明制品。 如瑞典材料S136、日本大同特钢公司的S-STAR等。

2）非调质预硬塑料模具钢锻（轧）后可直接获得所需硬度，一般为30-40HRC。 如我国的3Cr2MnMo-VS钢等。

3）高焊接性塑料模具钢。 该类钢材具有良好的焊接性能，可避免或简化焊前预热或焊后处理工序，以利于模具的堆焊修复工作。 例如日本大同特钢公司开发的PXZ、PX5、NAK55等。

4）易切削塑料模具钢。 由于这类钢中添加了S等易切削元素和Ca等变性剂，不仅提高了钢的切削性能，而且抑制了硫对钢的机械和热效应。 对加工性能产生不利影响。 如日本大同特钢公司的NAK55、DHA2F，我国的5NiCaS等。

3.1.3模具钢品种规格发展

模具制造业日益向通用化、标准化、系列化、高效率、制造周期短的方向发展。 为了适应这些发展的需要，模具钢这种使用频率较高的模具材料也日益走向多样化、精细化、成品化。 全球化的方向正在快速发展。 例如，随着新型扁钢连轧机的不断投资和宽厚板轧机技术改造的日益完善，模具钢的品种和规格越来越多样化。

3.1.4模具钢生产技术和工艺装备的发展。

模具的工作条件日益恶劣，这对模具材料的质量水平，特别是模具钢的纯净度和各向同性水平提出了更高的要求。 由于模具加工成本较高，因此要求提高钢材的尺寸精度、减小加工公差、改善切削性能，以降低模具的生产成本。 针对上述要求，国内外特钢企业在模具钢的生产工艺和装备方面做了大量的工作，并取得了显着的成果。

体现在以下几个方面：

1、不断改进冶炼工艺和设备； 采用电炉+外精炼生产更高纯度的模具钢。

2、选择更合理的热封工艺； 采用先进的轧制、锻造工艺，提高钢材的成材率。

3． 采用可以进一步细化钢组织的热处理方法； 提高钢的均匀性和各向同性。

4． 配备可生产高附加值模具钢的深加工技术设备； 加工高附加值模板、模块、模架及模具标准件。

5、模具钢生产由分散向集中转变，有利于形成规模较大、功能齐全的模具钢生产基地。

3.2 我国模具生产技术现状及前景

建国以来，我国模具钢生产技术发展迅速，从无到有，从模仿到自主开发。 目前，我国模具钢产量已跃居世界前列。 大部分国外标准钢号和试制钢号也已在我国生产或试制。 经过多次钢号整顿和标准修订，我国模具钢系列已初步形成。 在模具钢的生产技术方面，在品种质量、工艺装备的科研开发、材料应用等方面都取得了很大的进步。 但由于我国模具钢发展历史较短，与国外相比还存在不少问题和差距。

1、钢种系列不够齐全，部分钢种（如粉末冶金高合金模具钢）尚属空白。

2、产品结构和钢种选用不合理。 许多模具钢材仍然使用几种传统的老牌号，无法满足日益增长的模具产品需求，导致模具使用寿命低、产品精度低、粗糙度差。

3、钢材品种规格少。 目前，国内市场上的模具钢产品仍以黑皮圆钢为主。 品种比较单一，精料与成品的比例很低。 由于原材料加工余量大，材料利用率低，导致模具的制造周期加长。

4、生产技术及设备。

特钢质量控制和检测手段落后，缺乏热处理深加工和在线质量检测设备。 缺乏生产高性能粉末冶金模具钢的设备。 缺乏专业工模具钢生产线和模具钢开发中心。 针对上述问题并展望未来，迫切需要开展以下工作：

1）扩大模具钢的品种和规格

充分发挥现有设备特别是新引进设备的能力，大力发展高精度、高质量模具扁钢和中厚模具钢板生产。 至少应达到模具钢产量的3%左右。 扩大精品材料生产，按需提供剥皮、冷拉、银光亮钢材产品生产，逐步开发经过机械加工和调质处理的模块和产品，提高产品附加值。

2）完善模具材料系列，合理用材

结合模具工业的发展，我国模具钢新系列已形成。 当前应特别重视高性能粉末冶金模具钢的研发，以满足高性能、长寿命模具生产的需要，并相应开展模具钢的强韧化机理研究。 模具失效机理研究工作，指导材料研究，并相应开展检测手段和检测技术的开发。

3）。 建设多条技术先进的模具材料生产线

计划建立完善的科研试制基地和技术信息中心，在全国范围内建设多条技术先进、独具特色的模具钢生产线，采用先进的工艺设备和先进技术，生产高纯净、高各向同性、品种规格的模具钢。品种齐全的高精度、高品质模具钢材料和产品，使我国模具钢生产技术和产品质量迅速全面达到国际先进水平。

4）大力开拓模具钢国外市场

我们要充分发挥我国资源优势，尽快开发出国外市场需求的优质模具钢产品。 促生产，把资源、原材料出口转变为模具产品出口，创造更高经济效益和社会效益。