模具钢

制造冷冲模、热锻模以及压铸模等模具需要用到模具钢这种材料。模具在机械制造、无线电仪表、电机电器等工业领域中扮演着制造零件的核心工具角色。模具的品质关乎压力加工工艺的效果、产品在精度、产量和成本方面的表现。而模具的耐用程度不仅取决于合理的结构设计和加工水平，更主要受到模具所用材料和热处理工艺的影响。

模具钢主要分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢这三种类型，它们被广泛应用于锻造、冲压、切割成型以及压铸等工艺过程中。考虑到各种模具的实际用途存在差异，并且在使用时会面临复杂的工作环境，因此对模具用钢提出了严格的要求。这种钢材必须具备高硬度、高强度和良好的耐磨特性，同时还要拥有充分的韧性，并且需要具备优异的淬透能力、淬硬能力以及其他关键工艺性能。这类用途存在差异,工作环境复杂多变,所以对模具钢材的性质标准也不尽相同。

冷冲模具涵盖冷冲模、拉丝模具、拉延模具、压印模具、搓丝模具、滚丝板、冷镦模具和冷挤压模具等种类。冷冲模具通常选用钢材制造,根据其工作环境的不同,需要具备较高的硬度、强度、耐磨损性能、充足的韧性,同时还要拥有良好的淬透性、淬硬性以及其他工艺特性。制作这类用途的合金工具钢多数属于高碳合金钢,碳含量超过0.80%。铬是这类钢材的关键合金成分,含量一般不超过5%。不过,针对一些需要极强耐磨性且淬火后不易变形的模具用钢,铬含量可提升至13%。同时,为了生成丰富碳化物,此类钢材的碳含量也需较高,最高能达到2.0%到2.3%。冷作模具钢含碳量比较大,其内部构造多数属于过共析钢或者莱氏体钢类型。常见的钢种包括高碳少合金钢、高碳富铬钢、铬钼合金钢、中碳铬钨钒钢等。

热作模具主要有锤锻、模锻、挤压和压铸这几种类型,涵盖了热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模以及金属压铸模等种类。热变形模具在运作时,不仅需要承受巨大的机械压力,还要经历反复的加热和降温过程,从而产生显著的热应力。热作模具钢不仅需要具备极强的硬度、强度、耐热硬度和抗磨损能力,同时还要有良好的抗高温性能、耐热疲劳特性、高效的散热能力以及优良的抗腐蚀能力,而且还要有出色的淬火渗透性,确保各个部位都能获得均匀的机械性能。针对压铸模具用钢,还必须满足表面层在反复受热冷却时不会开裂,并且能够承受液体金属的持续冲击而不损坏

这种材料抵抗金属液体冲刷和磨损的能力很强。此类钢材通常为中碳合金钢，含碳量介于百分之三十到百分之六十之间，属于亚共析钢类型，部分钢材因添加较多合金成分（例如钨、钼、钒等）而转变为共析或过共析钢类型。常见的钢材种类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。模具分为热塑性塑料模具和热固性塑料模具两种。制造塑料模具的钢材需要具备足够的抗压能力、坚硬程度、抗磨损能力、耐高温特性以及抗腐蚀能力等特质。不仅如此，它还应该拥有优良的加工适应性，例如在热处理过程中不易变形、切削加工便利、耐腐蚀性强、易于进行研磨和抛光、焊接修复效果好、表面可以保持较高的粗糙度、热量传导效率高，并且在使用环境下能够维持尺寸和形状的稳定。通常情况下，用于注射成型或挤压成型的模具可选用热作模具钢，而用于热固性成型以及需要高耐磨性和高强度的模具则可选用冷作模具钢。

分类

美国依据模具使用状况把模具钢分为三个主要类别,美国金属学会工具钢委员会也提出了:冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢这三个主要类别。其中,冷作模具钢进一步细分为十二个类别,热作模具钢分为九个类别,塑料模具钢则分为两个类别。每个细分类别的材料选择又主要受到三个关键因素的影响。

? 尺寸大小和形状的复杂性,

? 被加工的材料,

? 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组指的是水淬工具钢,这个类别包含11种不同的钢材,其中7种属于碳素工具钢,这些碳素工具钢的含碳量范围在0.7%到1.3%之间。

O组属于油淬冷作模具钢，也被称为油钢，包含四个不同的钢种，这些钢种的碳含量介于0.85%到1.55%之间。

A组属于空冷硬化合金冷作模具钢,包含九种钢种,其碳含量介于0.5%到2.25%之间。

D组属于高碳高铬冷作模具钢,包含七个品种,碳含量介于0.9%到2.5%之间。

S组指的是抗冲击性能优异的合金工具钢,一共包含七个不同的钢种,这些钢种的碳元素含量介于0.4%到0.6%之间。

冷作模具涉及高速钢，包括HSS组和SHSS组，还涉及钴基硬质合金和钢结硬质合金，即HA组，此外还涉及粉末钢和工程陶瓷，也就是PIM组，同时还包括碳钨工具钢，也就是F组，以及特殊用途工具钢，即L组。

? (2)冷作模具钢的选用

冷作模具钢的核心类别是高硬冷作型,主要应用于抗压与耐磨性能突出的模具,其硬度需达到HRC60-62以上。若模具需具备抗冲击能力且韧性良好,其硬度应低于HRC60-62,此时常选用S类材料,或部分A类材料,以及普通的调质钢、弹簧钢、热作模具钢或基体钢。针对大型冲压模具,例如汽车外板冲压件,通常采用铸铁材料制造。简易或寿命数量少的用锌基合金或高分子复合材料。

高速钢与超高速钢在冷作模具领域的应用持续攀升，这得益于它们具备优异的"抗压强度/硬度"比例。同时，它们的硬度范围宽广，能够满足HRC60-70之间的不同需求。

粉末冶金钢材耐磨损性能突出,其硬度值在HRC60-62范围内,属于常见应用材料。

碳素工具钢在冲头使用10万件之后，或者是在软质材料的冲压模具上，依然能够找到它的用途。

? 2.热作模具钢

美国热作模具钢可以分为两个主要类别，第一个是热作模具钢，第二个是超级热强合金。

热作模具在有温度的环境下运作,需要材料具备耐高温特性,同时也要有耐磨损能力,为了确保模具能够持久使用,必须进行冷却处理,热冷循环容易导致模具开裂,形成热疲劳裂纹,因此材料还必须拥有抗开裂效果,以及抵抗热疲劳的能力。

? 按热强性排列的主系列进行选材:

低合金调质模具钢包括6G,6F2,6F3,这些之后会转变为中铬热作模具钢,中铬热作模具钢有H11、H12、H13,再往后会变成钨热作模具钢,钨热作模具钢有H21,H22。

非规范的锻造模具钢材：比如用于热镦工艺的时效强化型材料6H4。当H11、H12、H13无法满足热力抗磨性能要求时，可以考虑选用6H1或6H2。

当需要模具具备突出的抗热磨损性能时,可以考虑选用D2、D4,之后再转化为M2、M4,或者采用粉末钢材料。钢结硬质合金和钴基硬质合金虽然拥有优异的高温磨损能力,然而它们的热疲劳特性非常薄弱,也就是抗冷热交变裂纹的能力不足,因此不适宜在经历剧烈温度波动的环境中应用。

? 3.塑料模具钢

美国率先在工具钢领域明确列出塑料模具用钢材,这类钢材以字母P作为标识,总共可以划分成五个不同的类别。

渗碳类塑料模具钢有P1、P2、P3、P4、P5、P6等种类。此类钢材含碳量极小，源于美国早期技术及挤压成型工艺，对冷塑性要求高，且需具备优异的挤压加工能力。成型完成之后，通过表面渗碳并实施淬火处理，能够显著增强表层硬度，从而大幅延长模具的使用期限。其芯部采用超低碳设计，目的是在淬火过程中尽可能减少变形程度。

调质型塑料模具有P20和P21两种。现阶段塑料模具领域P20的使用量非常可观，已经占据主导地位，多数情况下是在预先硬化后投入使用。

中碳合金工具钢适合用于热固性塑料模具制造。常见的钢种包括H13, 同时L2、S7、O1以及A2也都能用到。这类钢材的主要特征是：

这种材料属于二次硬化型高速钢,在500至600摄氏度温度区间,其高温强度表现突出。

? (2)含铬较高,大气腐蚀性好。

? (3)淬透性极好,适用于大模块。

不锈钢适合制作耐腐蚀性强的塑料模具,常见的牌号包括420,414L,440,416等。

时效钢通过特定工艺强化，从而提升其综合应用能力。此类钢包含两种类型，其一为P21低碳Ni-A1时效钢，其二为18Ni马氏体时效钢。后者属于航天领域专用的无碳高纯净、高硬度、高延展性材料。它主要应用于对力学指标、尺寸控制、表面质量和抗腐蚀能力均有着严苛标准的塑料模具制造。

? 塑料模具钢的选用

这种塑料容器壁薄,当制造数量不足十万个,选用P20或P21的预硬化状态(HB250至300),如果环境腐蚀性大,则改用414L材料。

优质通用塑料模具，若选用P6或P20材料，通过渗碳再淬火处理，能达到HRC54-58的硬度标准；当塑料制件尺寸不大时，可以考虑采用O1或S7材料；如果制品接触介质具有强腐蚀性，则应选用420材料。

非高温的热固性模具通常采用P6或P20材料，经过渗碳和淬火处理后投入使用，对于腐蚀性要求较高的场合，则选用420钢种。

热固性塑料模具宜选用H13或S7,也可采用渗碳钢P4,这类材料因含铬量较高,因而抗回火性能优异,同时具备良好的抗高温氧化能力。

模具钢工艺性能

可加工性

材料在高温下的可塑性,涉及变形温度区间等; 材料在常温下的加工能力,涉及切割、打磨、光洁处理、冷态拉拔等工艺特性。

冷作模具钢多数属于过共析钢或莱氏体钢,热加工和冷加工的适应性都不强,所以必须严格把控热加工和冷加工的工艺条件,以防止出现缺陷和报废品。此外,通过提升钢的纯净程度,降低有害杂质的占比,能够优化钢的组织结构