国内外热作模具钢的发展现状及趋势

吴晓春、左鹏鹏，上海大学材料科学与工程学院

摘要：本文简要介绍了目前国内外热作模具钢的市场和产品现状，分析了目前热作模具钢研究面临的技术难点。 通过阐述近年来国内外新型热作模具钢的研究现状和发展趋势，预测了未来世界热作模具钢的研发方向和发展趋势，对于了解热作模具钢的发展趋势具有重要意义。国内外热作模具钢的发展现状及趋势。 参考值。

关键词：热作模具钢； 研究和开发状况； 发展趋势； 模具行业。

1 简介

“现代工业，模具领跑”已成为制造业的共识，模具工业水平已成为衡量国家制造业水平的重要指标之一。 随着全球经济和产业结构的调整，制造业等传统产业因欧美市场日益饱和而日益饱和。 劳动力成本逐年上升，利润逐渐下降，制造业重心向发展中国家转移。 我国劳动力资源丰富、价格低廉，因此我国模具潜在市场巨大，这决定了我国将发展成为模具制造大国。 在世界模具产值中，我国模具制造所占比重显着增加，模具钢材的消耗量也显着增加。

热作模具钢作为模具钢的重要组成部分，主要用于制造加热至再结晶温度以上压制固态金属或高温液态金属的模具。 热作模具的工作特点是：热固态金属在一定载荷下发生塑性变形，或压铸高温液态金属。 相比之下，热作模具钢的工作条件较为恶劣，合金元素含量较高，内部影响机理更为复杂。

自20世纪90年代我国模具工业快速发展以来，我国热作模具钢的研究取得了很大进展。 但近年来，我国模具行业结构调整步伐加快，主要向大型、复杂、精密、高寿命、高性能、高效方向发展。 现代制造业的发展对热作模具钢的性能提出了更高的要求。 世界各国主要采用以下两种方法来提高模具钢的性能：一是优化模具钢的成分，开发新的钢种；二是优化模具钢的成分，开发新的钢种。 二是改进模具生产工艺和过程控制技术。 我国在“十二五”规划中明确提出：在热作模具钢方面，要开发具有自主知识产权的新型低成本、高寿命热作模具钢； 开发超纯、均匀组织热作模具钢； 获得极低的S、P含量和超细结构； 添加具有红硬性的合金元素，提高模具高温硬度，延长热压铸造模具、热挤压模具的使用寿命。

2 国内热作模具钢发展趋势

我国热作模具钢的分化同时存在两个层次：一方面是追求降低成本的轧制产品。 此类轧制产品性能较低，适用于一些要求不高的模具，也可改装锻造成各种规格。 模块，其性能得到了很大的提高，但总成本仍然低于锻造材料。 因此，未来很长一段时间内将占据热作模具钢市场的重要份额； 另一方面是基于对质量的追求，以锻造材料为主，主要体现在优质热作模具钢上，如用于压铸模、锻造模、挤压模等热作模具，这是我国模具工业成为模具强国的必由之路。

虽然我国在新型模具钢的研发方面做了大量的工作，并对国外一些优秀的热作模具钢进行了国产化研究，为市场提供优质、低成本的模具钢，但实际上还可以推向市场并得到广泛应用。 数量相对较少。 国外进口的H13系列通用热作模具钢仍占据市场主导地位。 但针对不同使用要求和工况条件的专用压铸模具、热锻模具和热挤压模具还很少。 。 下面介绍一下我国近年来开发的具有应用前景的热作模具钢的发展趋势。

2.1 压铸模具钢

由于压铸能铸造形状复杂、精度高、表面粗糙度小、机械性能好的零件，因此用压铸生产的铝、锌、铜、镁、铅等合金零件日益增多，模具铸造业发展迅速。 。 但长期以来，我国行业尚未找到最好的模具材料，一直被H13（4Cr5MoSiV1）、H11（4Cr5MoSiV）等国产通用热作模具钢所取代。效果不理想：一方面，板材锻造过程中容易出现表面微裂纹； 另一方面，压铸模具的使用寿命短，压铸产品的表面质量不高。

为了解决这一问题，上世纪70年代和80年代，上海材料研究所根据压铸模具特点和我国矿产资源开发了Y系列模具钢，如铜合金压铸模具专用钢Y4（4Cr3Mo2MnVNbB） ）及铝合金压铸模具。 特种模具钢Y10（4Cr5Mo2MnVSi）具有抗冷热疲劳性能高、抗热损失性能好、热处理变形小等特点。 采用这两种特殊钢制成的压铸模具的使用寿命比采用3Cr2W8V钢制成的压铸模具要长。 压铸模具的使用寿命提高4～6倍。

北京机电研究院研制的HM-3（2Cr3Mo3VNb）已列入航空行业标准（HB 5137-1980）。 是一种超高强韧性热作模具钢，广泛应用于航空工业压铸模具。 青岛机械研究所和青岛汽车散热器有限公司开发的5Cr5MoV1TiSiNb和南京理工大学开发的HD13（4Cr5MoVSiNb）均适用于铝合金压铸专用模具钢，其性能提高数倍高于3Cr2W8V钢； 钢铁研究总院北京首钢特钢有限公司等开发的5Cr4Mo2W2SiV适用于铜合金压铸模具，生产的压铸模具温度可达700℃以上。

2000年前后，上海大学吴晓春教授领导的先进模具材料及表面处理研究组与宝钢特钢有限公司合作，采用先进技术和工艺方法。 在有效提高钢材的纯净度和各向同性性能后，他们成功开发出国际公认的先进压铸模具钢SWPH13（SDPH13），其综合性能达到了超过瑞典品牌ASSAB 8407的水平。进口，还可替代出口，开创了国内高品质压铸模具钢的先河。

2005年前后，吉林大学蒋启川等人研制了长寿命、高Cr热作模具钢HHD（一种主要用于压铸模具的通用热作模具钢），并提出了高Cr（Cr：10.0wt .%)含量和微量的N、Y-Ce、Ti、Ca-Si复合合金化，新的合金成分设计思路，实现纳米级碳化物的弥散分布和抗高温氧化的致密氧化膜结构马氏体基体。 HHD钢的使用寿命超过国际先进热作模具钢（H13系列），在提高黑色金属热挤压模具使用寿命方面取得重大突破。

2009年前后，上海大学模具钢课题组通过合金成分优化等研究，开发出高性能热作模具钢专利产品，不断满足模具行业的需求。 部分产品已成功投放市场，并得到专家和同行的认可。 压铸模具钢方面，主要推出SDH3、SDDVA+Nb通用热作模具钢，可用于替代ASSAB 8407、AISI H13、DIEVAR等进口优质热作模具钢。 与H13钢相比，SDH3钢在600℃以上仍具有优异的高温热强度和热稳定性。 620℃保温22小时后，硬度仍保持在35HRC以上。 该钢在室温至700℃之间进行3000次热循环后，在使用硬度范围内的表面裂纹和裂纹深度如图1所示，表现出优异的耐冷热疲劳性能。 SDDVA+Nb钢在620℃保温20小时后，其硬度比SDDVA钢高1HRC，比H13钢高6HRC，表现出极其优异的热稳定性。 在使用硬度范围内，该钢在室温至700℃之间2000次热循环后的表面损伤程度小于SDDVA钢，而H13钢的表面损伤程度最大。 如图2所示，SDDVA+Nb钢具有优异的抗冷热疲劳性能。

2.2 热锻模具钢

为了顺应热锻模具钢向大截面发展的趋势，我国在20世纪80年代对此进行了大量的分析研究，推荐大型、复杂、重载锤头使用5CrNiMoV钢锻造模具。 对于一些中大型模具，采用北曼特钢有限公司开发的4Cr2MoVNi热作模具钢，以提高模具的使用寿命、产品质量和劳动生产率，降低生产成本，创造最大的经济效益，并在商品经济条件下提高企业的竞争力。 在热锻模具钢方面，近年来国内开发的新钢种很少。 目前市场上仍在流通的热锻专用模具钢介绍如下：

上海材料研究所开发的GR钢（4Cr3M03w4vTiNb）含有高W和少量Ti和Nb。 具有极高的高温强度、热稳定性和良好的抗热疲劳性能。 适合在较高温度下制造和使用，且工件间接触时间长，易因热变形或热磨损失效而造成模具崩塌。 GR钢已成功应用于齿轮高速锻造模具、精密锻造模具、轴承套圈热挤压模具、自行车零件及螺母热镦模具、小型机锻模、辊锻模具等领域。 与3Cr2W8V钢相比，各类模具的使用寿命大大提高（从几倍到几十倍）。

ER8钢是上海材料研究所在20世纪80年代畅销欧洲的热作模具钢H10A的基础上开发的新钢种。 是一种空冷硬化型热作模具钢，具有良好的热强度、红硬性和耐磨性，高温冲击韧性可达102 J/cm2，具有较高的抗热疲劳性能和极高的抗热震性能，广泛应用于压力机热锻模具、热挤压模具、压铸模具等。制作模具。

JDH3是一种新开发的模具材料。 其性能特点是强度高于HM3，韧性高于HM1，抗冷热疲劳性能高于H13钢。 主要适用于热锻模具、精锻模具和辊锻模具。

CH75钢是华中科技大学与大冶特钢股份有限公司联合开发的以碳化钒（VC）为强化相的新型热作模具钢。 由于采用降低Cr含量、限制Mo含量、增加V、C含量、以VC为主要强化相的合金化方案，提高了钢的热强度、回火性能和热稳定性。

锤锻模具钢45Cr2NiMoVSi和5Cr2NiMoVSi淬透性高，热稳定性比5CrNiMo高150℃，回火时有二次硬化作用，强度和韧性较高，适用于锤锻模具。 GIH-11高温热锻模具钢主要用于加工高温金属的热锻模具。 与H21钢模具相比，模具的使用寿命大大提高。

2006年，吴晓春教授领导的先进模具材料与表面处理研究组开发出新型高热强热作模具钢SDH2。 该钢主要用于热锻模具，已用于上海伊顿发动机配件有限公司生产的阀门。用于热挤压模具和上海齿轮总厂第四分厂的双盘摩擦压力锻造机，采用SDH2钢制成的热挤压模具的实际使用寿命是采用H13钢制成的同类产品的2.5至3倍，而采用SDH2钢制成的热锻模具的实际使用寿命是同类产品的5倍甚至更高采用3Cr2W8V钢制成。

随后，吴晓春等人研制出一种具有高热强度、高韧性、高热稳定性、高热疲劳性能的新型特种热锻模具钢SDDM。 可用于替代传统3Cr2W8V钢，改善现有H13钢在600℃以上热稳定性不佳的问题。 案件。 SDDM钢在较高硬度（如50 HRC）下仍具有较高的横向冲击韧性（≥300 J），以及优异的强韧性匹配和各向同性性能。

图3为SDDM、3Cr2W8V、H13钢的热稳定性对比图。 从图3可以看出，在620℃保温20小时后，SDDM钢比3Cr2W8V高约3HRC，具有最好的热稳定性。 图4显示了三种钢材在室温至700℃之间经过3000次热疲劳循环后的热疲劳裂纹形貌。 从图4可以看出，SDDM钢的表面裂纹非常细小且均匀，无主裂纹和截面裂纹。 深度很浅。

2.3 热挤压模具钢

5Cr4W5Mo2V钢是本钢集团有限公司生产的高热强热作模具钢，其使用寿命比3Cr2W8V钢模具长2～3倍。

HD（4Cr3Mo2NiVNb）系列钢是华中科技大学与大冶特钢股份有限公司联合开发的适应700℃左右工作温度的新型高耐热钢。 HD钢是在4Cr3Mo3V钢的基础上，适当降低Mo、V含量，添加ωNi=1%、ωNb=0.15%，提高了钢的高温韧性和热稳定性，仍能保持40的硬度700°C 时的HRC。 。 同等硬度下，HD钢的断裂韧性比3Cr2W8V钢高50%，700℃抗拉强度高70%，耐冷热疲劳和热磨损性能是3Cr2W8V钢的1倍和 5% 分别高出。 它由 HD 钢制成。 热挤压模具的使用寿命也高于3Cr2W8V钢。

广州冶金研究院研制的R521、R522、R523热作模具钢是Cr5系铬钼钒硅系高合金模具钢。 其合金元素的合理比例增强了钢的淬透性、耐磨性和热强度，提高了钢的韧性。 为了进一步提高R521钢的红硬性，在配比中添加W元素，形成R522钢； 为了进一步提高该钢的热疲劳性能和抗热裂性能，开发了含稀土元素的热作模具钢R523。 3 该钢钢质洁净，元素分布均匀，组织致密，切削性能优于Cr12系钢和3Cr2W8V钢。 主要用于制造挤压模具、压铸模具、铝合金型材、铜合金热锻模具以及厚金属板冲剪模具、螺栓锻头模具等热作模具。

近年来，吴晓春等人开发了新一代奥氏体高热强热作模具钢SDHA/SDHA+N。 这种钢在700℃以上表现出优异的高温强度和热稳定性，如图5所示。 SDHA钢在冷热循环过程中仍能保持高强度并抵抗裂纹。 图6为3Cr2W8V钢和SDHA钢在室温至700℃之间冷热循环3000次后的表面裂纹和深度裂纹。 SDHA钢的表面裂纹覆盖整个试样表面，深度裂纹分布均匀。

随后，吴晓春、周庆春等人从经济角度打破了传统高钼研究方向，采用经济的硅、锰作为主要合金元素，自主研发了高硅、高锰热用硅与锰的比例为1:1。 作为模具钢SDH3-MOD，该钢的最大特点是具有高热稳定性、高韧性和良好的抗冷热疲劳性能。

3 国外热作模具钢发展趋势

模具材料是模具工业发展的重要物质基础，世界各国都充分重视。 我国模具工业的发展提供了良好的模具钢市场，世界上很多模具钢制造商也非常看好中国市场。 除了行业内熟悉的企业如ASSAB集团（瑞典ASSAB集团）、日本大同工业株式会社和日立金属株式会社、法国的Arcelor集团（Arcelor Group）、Aubert & Dural（Oberdoir公司） 、德国K ind & Co旗下Edelstahl Werk（特殊钢厂）、Schmiede werke Gröditz GmbH（格罗迪茨钢厂）以及日本高频钢株式会社、三洋特殊钢株式会社等公司正在采取相关措施进入中国市场。

国外热作模具钢的研究方向主要体现在成分向低C、低合金化方向发展。 通过减少常用合金元素，添加微量元素Ni、Al、Nb等，改变热作模具钢的性能。 以下是根据近三年在模具及其他展会上从世界各地模具材料制造商收集的信息和样品，对近两年国外模具钢制造商提出的上述新钢种进行简要介绍：以及各厂家官方网站公布的信息。 研究开发状况（介绍的钢种一般是这些公司经常推荐的或杂志上发表的钢种），以便更好地反映当今世界模具材料生产的现状和进展。

3.1 压铸模具钢

近两年，国外主要开发了一些高性能通用热作模具钢，其中大部分是高性能压铸模具钢。 其发展方向主要体现在高导热率、大截面、高各向同性、长寿命等方面。 因此，为了满足目前下游模具制造商的需求，国外研究人员主要通过提高Mo元素含量和添加Ni元素来制造大断面压铸模具。 同时减少Si、Mn、Cr等主要合金元素，添加微合金元素。 为了提高导热性能，开发了许多新型压铸模具钢。 这些国家主要是日本，近两年开发出高性能压铸模具钢品种最多，其次是法国和德国。

日本大同工业株式会社通过改进现有钢种DH31-S并结合DHA系列的优点，开发出新型高性能热作模具钢H31-EX。 H31-EX是本公司推荐的热作模具钢。 通过添加少量稀有金属降低成本，并具有优异的淬透性。 同时，用这种钢制作的大型模具可以保证硬度和高韧性。 它还可以通过防止裂纹的发生来增加模具的使用寿命。 日本日立金属有限公司开发的DAC系列模具钢是A1、Zn合金压铸模具广泛使用的材料，具有优异的强度、韧性和耐热性。 其中DAC55是高性能压铸模具钢，具有使用寿命长、适合大型模具的高淬透性、优异的强度和韧性、以及优异的抗冷热疲劳性能。 近日，日本日立公司以DAC55为基础开发出高性能、低成本的压铸模具专用钢DAC-MAGIC，该钢以其显着的抗冷热疲劳性能而闻名。 是本公司推荐的钢种。

德国Kind & Co.的Edelstahl werk（特殊钢厂）开发了用于压铸奥迪A8车身结构的压铸模具钢TQ-1、HP1、HTR，主要以H13钢为基础，降低C、Si、Cr、 V含量，添加部分微合金元素W和Nb，根据最新冶炼和锻造生产技术，通过合理的热处理工艺，获得高韧性和优异的高温强度，并具有较高的抗冷热疲劳能力和热冲击。 抗裂和高温耐磨性。

法国Oberdoir公司开发的高合金精密压铸模具钢VOLVIC 10具有高耐磨性、高韧性和优异的高温综合性能。 超级压铸模具钢SDC（Super Die Cast）/具有优异的平衡性，是一种综合性能优异的新型热作模具钢。

法国阿塞洛集团开发出优质热作钢AH-61，​​可以避免使用过程中因热疲劳而产生的热磨损和开裂，从而提高模具的使用寿命。 其S和P含量分别为0.001%和0.008%，相应的非金属夹杂物控制在极低的水平，使得AH-61热作钢具有高纯净度、优异的韧性和优异的高温强度。

3.2 热锻模具钢

国外热锻模具的研发方向主要是高热强度、高温耐磨和长寿命。 近两年来，它已成为热作模具钢的研究热点，其市场需求也不断增加。 较低的C和Si含量可以限制钢的偏析，从而使钢获得高韧性、优良的焊接性和高导热性； 通过添加Cr、Mo、V等碳化物形成元素来获得不同的二次硬化，使得钢在高温下的强度增加； 添加Ni代替部分Cr，保证足够的淬透性； 添加微量Nb细化晶粒，提高奥氏体化温度以获得高淬透性。 因此，近年来，国外研究人员还通过减少原来的主要合金元素和添加微合金元素，开发了一些热锻模具专用钢种，以提高其淬透性、高温强韧性、导热性和耐冷冷性能。热疲劳。 。

KDAMAX是日本高频钢株式会社近年来在SKD61的基础上开发的高性能大型热作模具钢。 KDAMAX的强度和韧性是公司开发的热作模具钢中最佳推荐的强度韧性比。 钢型。 生产的大型热作模具具有优良的抗热裂性能，特别是在模具易发生应力集中的圆角处，可防止裂纹的产生，延长其使用寿命。

2012年7月，日本三洋特殊钢公司宣布成功开发出用于热轧金属模具钢的新钢种QT41-HARMOTEX。 原来的QT41（SKT4改进钢）是过去热轧金属模具钢中韧性最好的钢材，但新钢QT41-HARMOTEX的韧性约为QT41的2倍，其抗软化能力约为是QT41的1.5倍。 ，合金元素减少，成本也降低。

德国Gleitz公司在综合考虑CrMoV和NiCrMoV系列模具钢的优缺点后，通过降低Si、Cr、V含量并添加一定量的Ni、Nb，设计了新钢种0.35C-0.35Si-0.5Mn。 -2.70Cr-1.00Mo-0.20V-0.65Ni+Nb，其主要特点是淬透性高； 与CrMoV钢种相比，它具有更高的导热率、优良的韧性、耐磨性、切削加工性和焊接性。

3.3 热挤压模具钢

国外热挤压模具主要研发方向是强韧性、高耐磨、长寿命。 因此，国外研究人员通过合金成分优化和合理的热处理工艺来控制热挤压模具钢的组织，以提高热挤压模具的使用性能。 性能方面，主要体现在高韧性和高耐磨性，但近年来热挤压模具钢的研究开发相对较少。 目前，国外市场大多采用通用型热作模具钢用于热挤压模具。

法国Oberdoir公司开发了热挤压模具钢SMR7。 其成分为0.40C-5.00Cr-3.00Mo-2.70Co-0.5V。 其主要性能特点是高耐磨、高韧性、低耐热性。 震动敏感性。

巴西JB BACALHAU等开发了铝合金挤压用新型热作模具钢VEX(0.51C-0.3Si-0.3Mn-3.7Cr-0.6Mo-0.4V-0.56Al)。 其成分特点是：增加C含量，减少Si、Cr、Mo含量，合金含量比H13少2.4%。 同时通过Cr和Mo的平衡获得高的回火性能，并添加Al以提高钢的耐磨性。 因此，作为热挤压模具用钢，其最大的特点就是具有超高的耐磨性和抗回火性。

4 总结及发展预测

制造业的快速发展对热作模具钢提出了越来越高的要求。 通过分析国内外热作模具钢的发展现状，认为我国热作模具钢水平相对落后于国外。 我国开发的新型热作模具钢相对日本和欧洲国家较少。 但“十一五”、“十二五”期间，国内热作模具钢在国家的支持下取得了长足的进步：一方面，国内外关键工艺技术可更好地落实到生产线上。 高温均质化工艺、超精细处理工艺等控制在宝钢集团有限公司、东北特钢集团有限公司、中信集团等大中型企业中已成熟太平洋特钢集团有限公司和宏盛重工集团有限公司对热作模具钢的应用和控制，使生产的热作模具钢具有与进口钢材相同甚至更好的综合性能。 另一方面，国内主流模具钢制造商已能够掌握热作模具关键性能的评价体系，包括各向同性性能、球化退火组织、成分偏析、服役性能（如热熔损、热疲劳、热疲劳等）。稳定性）、物理性能等。

国内主流模具钢制造商在取得长足进步的同时，也存在一些不足：一是无法准确把握模具失效模式、性能、组织之间的匹配关系，导致模具制造商在选材上出现偏差，使得模具钢的整体使用水平下降。已经下降； 其次，产品稳定性较差。 企业虽然能够掌握关键技术，但掌握程度参差不齐，导致产品质量差异较大。 针对这种情况，关键是要在管理上下功夫。 搞好生产管理； 另外，每个模具钢生产企业的热作模具钢的生产工艺，如锻前加热、锻后冷却以及后续热处理工艺等都不同。 没有标准化的过程控制，也没有市场循环的热工作钢产品的质量不平衡甚至非常不同。

总而言之，为了满足霉菌制造业发展趋势的趋势发展出极好的阻力。 大型热工作钢的热疲劳性能已成为企业要解决的紧迫问题。 关于热工作钢的未来研究思想和开发方向，可以考虑以下三种具有不同用途的热工作钢：

（1）压铸霉菌。 基于国内外铸造模具钢的当前研究状况，可以预测其发展趋势将主要有两个方向：一个是大规模的，主要是通过增加MO含量并添加NI元素来提高可耐用性铸造模具钢的模具钢钢的横截面第二是高热电导率，这主要通过减少SI，例如Si，例如Si，例如Si，主要是改善模具铸造模具钢的导热率Mn和Cr。 这将是未来研究的重点和热点。 同时，有必要提高铸造模具钢的性能，例如强度和韧性，热熔体损失性能，冷和热疲劳的阻力和热稳定性。 在国内外，已经开发了许多高性能的模具铸钢类型。 重点是产品的质量水平，尤其是产品的质量稳定性。 这将确定霉菌钢铁公司将来是否在模具模具领域具有竞争力。 关键因素。

（2）热锻造钢。 根据目前在国内外热锻造钢铁钢的研究状态，可以预测其开发趋势将是具有高热强度，高温耐药性，高热疲劳性和高热稳定性的特殊热锻造钢。 它的性能优于H13和3CR2W8V钢。 因此，在国内外设计热锻造模具的合金组成的主要思想如下：通过减少C和SI含量以获得高韧性，出色的可焊性和高导热率来限制钢的隔离； 添加碳化物形成元件Cr，MO和V获得不同的二次硬化效应，以提高高温的强度； 添加ni来替换部分CR，以确保足够的可耐用性； 添加痕量的NB元素来完善晶粒并增加奥氏体化温度以获得高可耐用性。 根据当前对热工作钢的市场研究，据信，对热锻造钢的市场需求将继续增长，并可能成为未来热工作钢的产量的增长点。

（3）热挤压钢。 基于当前在国内外热挤压钢铁钢的研究状况，预计其发展趋势将是：通过合理的组成优化降低原材料成本，同时改善高温性能，以达到良好的韧性，耐磨性，热疲劳，热疲劳和热稳定性。 在国内外，设计热挤压钢的合金组成有两个想法：一种是增加Si和Mn含量并减少MO含量。 另一个是增加C含量并减少SI，CR和MO​​含量，同时平衡CR和MO​​。获得高温抗性。 这两种想法都可以通过添加诸如W和NB之类的微量元素，并通过添加Al来提高钢的耐磨性，从而提高钢的强度和韧性。 此外，为了满足服务期间热挤压模具的高温性能，高温奥氏体热工作钢将是国内外的另一个研究方向。