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| 模具鋼概況及其發展動向 |
| 發布日期：2011-02-14 10:02 |
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模具材料是模具制造業的物質和技術基礎，其中模具鋼是傳統的模具材料，其品種、規格、質量對模具的性能、使用壽命和制造周期起著決定性的作用。
模具鋼的發展也推動了工業產品向高級化、個體化、高附加值化的方向發展。
一、模具的分類
模具的用途很廣，各種模具的工作條件差別很大，所以，制造模具用材料范圍很廣，在模具材料中應用最廣的當屬模具鋼。從—般的碳素結構鋼、碳素工具鋼、合金結構鋼、合金工具鋼、彈簧鋼、高速工具鋼、不銹耐熱鋼直到適應特殊模具需要的馬氏體時效鋼以及粉末高速鋼、粉末高合金模具鋼等。
模具鋼按用途一般可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料成型用模具鋼三大類
1.1 冷作模鋼
冷作模具鋼主要用于制造對冷狀態下的工件進行壓制成型的模具。如：冷沖裁模具、冷沖壓模具、冷拉深模具、壓印模具、冷擠壓模具、螺紋壓制模具和粉末壓制模具等。冷作模具鋼的范圍很廣，從各種碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼到粉末高速工具鋼和粉末高合金模具鋼。
1.2 熱作模具鋼
熱作模具鋼主要用于制造對高溫狀態下的工件進行壓力加工的模具。如：熱鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱鐓鍛模具等。常用的熱作模具鋼有：中高含碳量的添加Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具鋼；對特殊要求的熱作模具鋼，有時采用高合金奧氏體耐熱模具鋼制造。
1.3 塑料模具用鋼
由于塑料的品種很多，對塑料制品的要求差別也很大，對制造塑料模具的材料也提出了各種不同的性 能要求。所以，不少工業發達的國家已經形成了范圍很廣的塑料模具用鋼系列。包括碳素結構鋼、滲碳型 塑料模具鋼、預硬型塑料模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、耐蝕塑料模具鋼、易切塑料模具鋼、整體淬硬型塑料模具鋼、馬氏體時效鋼以及鏡面拋光用塑料模具鋼等。
二、模具鋼材料的選擇
2.1 模具鋼材料選擇的基本原則
根據模具的生產條件和模具的工作條件的需要，結合模具鋼材料的基本性能和相關的因素，未來選擇適合模具需要的經濟上合理，技術上先進的模具鋼。對于一種模具，如果單純以材料的基本性能考慮，幾種模具材料都能符合要求，然而必須綜合考慮模具的使用壽命，模具制造工藝過程的難易程度，模具制造的費用以及分攤到制造的每一個工件上的模具費用等多種因素，進行綜合分析評價，才能得出符合實際的正確結論。
2.2 模具鋼選擇的主要指標
模具鋼選擇的主要指標，包括以下三個方面：模具鋼的基本性能；模具鋼的工藝性能；模具鋼的冶金質量。
2.2.1 模具鋼的基本性能
一般指模具鋼的耐磨性、韌性、硬度和紅硬性。這三種性能可以比較全面地反映模具鋼的綜合性能。
(1)耐磨性 模具工作時，表面往往要與工件產生多次強烈的摩擦，這樣便要求制作模具的材料能承受機械磨損，即使在承受重載和高速摩擦時，也不至于和被加工工件的表面之間產生粘附、焊接招致工件表面擦傷，使模具仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度。
(2)模具鋼的韌性 對于受強烈沖擊載荷的模具，如冷作模具的沖頭、錘用熱鍛模具、冷鐓模具、熱鍛模具等，模具鋼的韌性是十分重要的考慮因素，對于在高溫下工作的模具，還必須考慮其在高溫下的高溫韌性。對于多向受沖擊載荷的模具，還必須考慮其向性。
(3)硬度和紅硬性 硬度是模具鋼的主要技術性能指標，模具在工作時必須具有高的硬度和強度，才能保持其原來的形狀和尺寸，一般冷作模具鋼，要求其淬回火硬度為HRC60左右，而熱作模具鋼則為HRC45-50左右。
紅硬性是指材料在一定溫度下保持其硬度和組織穩定性抗軟化的能力，對于熱作模具鋼和部分重載荷冷作模具鋼，是重要的性能指標。
2.2.2 磨具鋼的工藝性能
一般指可加工性、淬火溫度范圍和淬火變形程度、淬透性和淬硬性、氧化脫碳敏感性。
(1)可加工性 包括冷加工性能，如：切削、磨削、拋光、冷擠壓、冷拉工藝性，熱加工性能包括熱塑性和熱加工范圍溫度等。
(2)淬火溫度范圍和淬火變形 要求模具鋼有較寬的淬火溫度范圍和程度較小的淬火變形。
(3)淬透性和淬硬性 淬硬性取決于鋼的含碳量，淬透性主要取決于鋼的化學成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態。對于大部分要求高硬度的冷作模具，對淬硬性要求較高；對于大部分熱作模具和塑料模具，對于硬度的要求不太高，往往更多考慮其淬透性；特別是對于一些大截面深型腔模具，為了使模具的心部也得到良好的組織和均勻的硬度，就要求選用淬透性好的模具鋼。
(4)氧化脫碳敏感性 模具在加熱過程中，如果產生氧化脫碳現象，就會改變模具的形狀和性能，影響模具的硬度、耐磨性和使用壽命，招致模具早期失效。通過真空熱處理等特殊熱處理工藝，可避免氧化脫碳。
2.2.3 模具鋼的冶金質量
冶金質量也對模具鋼的性能有很大的影響，只有具有優秀的冶金質量，才能充分發揮模具鋼的各種性能。冶金質量一般包括以下幾方面：冶煉質量，鍛造軋制工藝性能，熱處理和精加工性能，導熱性及精料和制品化程度。
除了上述性能要求之外，模具鋼的通用性也是選用模具鋼時必須考慮的因素。模具鋼一般用量不大，品種規格很多，為了便于在市場卜采購和備料，應該考慮材料的通用性，除了特殊要求以外，盡可能采用大量的通用型模具鋼，由于通用型模具鋼技術比較成熟，性能數據完整，便于在設計和制造過程中參考。另外選用通用型模具鋼，便于采購備料和材料管理。總之，選用高質量，高性能、高精度的模具鋼的精料和制品，高效率、高速度、低成本的生產高質量的模具，已經成為當前工業發達國家模具制造業的主要發展趨勢，我國也正在向這一方面努力。
三、國內外模具鋼的發展概況與動向
3.1 模具鋼生產技術的發展
模具是工業發展的基石，世界各國的制造業為了降低產品成本，提高產品質量和生產效率，改善材料利用率，節約能源，廣泛地采用各種模具成形：工藝代替傳統的切削加工工藝。目前機械制造、電子工業、輕工業等工業部門的產品約有60％~80％的工件采用模具成型。很多產品的質量、尺寸精度、表面粗糙度、更新換代的速度和產品的成本，很大程度上取決于模具的質量、使用壽命和制造周期。作為主要模具材料的模具鋼則是模具制造的基礎，隨著模具工業的迅速發展，對模具鋼的數量、質量、品種、規格、性能等各個方面、不斷地提出更高、更新的要求。近年來，國內外模具鋼的產量、生產技術、工藝裝備、質量、品種等方面都取得了比較迅速的發展。
3.1.1 模具鋼產量的發展
模具鋼的產量近20年來增長很快，領先于其他鋼類，模具鋼的產量占合金工具鋼的80％左右。我國模具鋼的產量早已位居世界的前列。
3.1.2 模具鋼鋼種的發展
隨著模具工作條件的日益苛刻，各國在原有的冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三大類的基礎上，又相繼發展了不少適應新的要求的新鋼種。
l、在冷作模具鋼中，所發展的材料有：
（1）高韌性、高耐磨性模具鋼這些鋼C、C含量低于傳統的Crl2型模具鋼，增加了Mo、V合金數量，其耐磨性優于Crl2MolVl鋼，韌性和抗回火軟化能力則高于Crl2，如美國釩合金鋼公司早期發表的VascoDie(8Cr8M02V2Si)、日本大同特殊鋼公司的DC53(CrSM02VSi)，我國自行開發的則有7CrTM02V2Si(LD鋼)、9CrW3M02V2(GM鋼)等，分別用于冷擠壓模具，冷沖模具及高強度螺栓的滾絲模具。
（2）低合金空淬微變形鋼 這類鋼的特點是合金含量低(≤5％)，淬透性、淬硬性好，Φ100mm的工件可以空冷淬透、淬火變形小、工藝性好，主要用于制造精密復雜模具。如美國ASTM標準鋼號A4(Mn2CrM-o)、A6(7Mn2CrMo)、日本大同特殊鋼公司的G04。我國自行研制的Gr2Mn2SiWMoV和8Cr2MnMoWVS等鋼種也屬于低合金空淬微變形鋼，后一種鋼號還兼備優良的切削性。
（3）火焰淬火模具鋼 這類鋼的特點是淬火溫度范圍寬，淬透性好。由于火焰局部淬火的工藝簡便、以縮短模具制造周期，降低制造費用等特點，已經廣泛地用于制造剪切、下料、沖壓、冷鐓等冷作模具，特別是大型鑲塊模具，如東風汽車公司采用我國研制的7CrSiMiMoV火焰淬火鋼制造汽車大型覆蓋件鑲塊沖模刃口材料，取得了很好的使用效果。這類鋼代表性的鋼號有日本愛知公司的SX5(Cr8MoV)，大同特殊鋼公司的G05，日本日立金屬公司的HMDl。
（4）粉末冶金冷作模具鋼 采用粉末冶金工藝生產的高碳高合金鋼，由于鋼液霧化形成的微細鋼粉凝固很快，可以完全避免一般工藝生產的高碳高合金冷作模具鋼在澆注后緩慢凝固產生的粗大碳化物和偏析等缺陷。特點：磨削性好、韌性好、等向性好、熱處理工藝性好。已發表的粉末冷冶金鋼號有美國坩堝鋼公司的CPM9V，CPMl0V，日本日立金屬的HAP40等。
2．在熱作模具鋼中新發展的材料有：
1)通用型熱作模具鋼 1．5155NiCrMoV6為代表的低合金熱作模具鋼，以H13(4CrSMoSiVl)為代表的中合金熱作模具鋼；以HIO(3Cr3M03VSi)鎢系鉬系熱作模具鋼。目前在我國4CrSMoSiVl是產量最高的熱作模具鋼。
2)高淬透性特大型鍛壓模塊用鋼 淬透性好，尺寸較大的模具心部可以獲得均勻的性能。如IS04957標準中的40NiCrMoV；法國NF-35-590標準中的dONCDl6；我國的4Cr2MoVNi、3Cr2MoWVNi等。
3)高熱強性模具鋼又可分為以下四類。
a．中合金高熱強性模具鋼，一般是在3Cr3M03Si-V(H10)和4CrSMoSiVl(HB)鋼的基礎上增加W、Mo、Co、Nb等元素，提高其高溫性能。如美國ASTM標準鋼號H10A、我國開發的3Cr3M03W2V等。
b．沉淀硬化型熱作模具鋼，這類鋼的含碳量較低，一般在2％左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如V、Nb、Ni、Al、Mo等，模具淬火后，采用較低溫度回火(≈400℃)，硬度為40HRC左右，由于含碳量低，中溫回火后的組織為板條狀低碳馬氏體，具有良好的韌性，而且具有良好的切削性，可以進行型腔加工。模具在使用過程中，與高溫工件接觸的工作表面被工件加熱到鋼的沉淀硬化溫度(500~600℃)，由于合金碳化物和金屬間化合物的析出，工作表面的硬度可上升到45~48HRC，提高了型腔表面的耐磨性模具心部仍保留原有的組織和高韌性，從而提高了模具的使用壽命。如日本日立金屬公司的YHD3、大同特殊鋼公司的DH76等。
c.低碳高速鋼和基體鋼 高速工具鋼具有良好的抗回火軟化性能和高溫硬度，但是其韌性和抗冷熱疲勞性能較差。低碳高速鋼是將高速鋼的碳含量由1％左右降至0．3％-0．6％，在犧牲部分紅硬性和耐磨性的情況下，提高韌性和抗冷熱疲勞性能，如美國ASTM標準鋼號H42，我國標準鋼號6W6MoSCr4V。基體鋼的化學成分相當于淬火后的高速鋼基體組織成分，所以淬火后過剩碳化物的數量少，細小均勻，使鋼的韌性和抗冷熱疲勞性能進一步得到改善。如美國釩合金鐵公司的VasooMA(5Gr4W3Mo2V),我國的6Cr4Mo3W2VNb。這種鋼由于綜合性能較好，即可以用于熱作模具鋼，也可以用于制造高性能的冷作模具。
d．奧氏體型熱作模具鋼，這類鋼經固熔時效處理后，在700-800℃仍保持較好的強度，如日本日立金屬公司的5Mnl8CrlOV2，我國的7Mnl0Cr8Nil0M03V2等。
3．塑料模具鋼由原國標中的3Crl2Mo(P20)一個鋼號發展成由有以下七大類構成的塑料模具用鋼系列：
1)非合金塑料模具鋼 主要用于制造生產通用型熱塑性塑料生產工件批量不大，技術要求不太嚴格制品模具。如20、45等碳素結構鋼和T8、T10等碳素工具鋼。
2)預硬型塑料模具鋼 采用中碳合金鋼預先經過淬火和高溫回火狀態下(硬度為30~40HRC)交貨：代表性的鋼號如美國的P20、瑞典ASSAB公司的718(3Cr2MnNiMo)，日本大同特殊鋼公司的PDS5，我國的3Cr2Mo等。
3)時效硬化型塑料模具鋼 由于時效溫度低，變形小，而且有規律，適用于制造形狀復雜，尺寸精度要求高的模具，如美國ASTM標準鋼號P21，日本大同特殊鋼公司的NAK55(2Ni2A1CuMoS)，NAK80，我國的25CrNi3MoAl等。
4)滲碳型塑料模具鋼 一般為C、Si含量很低的低碳鋼或低碳合金鋼，以保證鋼在常溫下具有高塑性和很低的變形抗力，以便進行型腔的冷擠壓，擠壓成型腔后進行滲碳淬火、回火，使模具表面具有高硬度和抗磨損性能，一般用于制造要求耐磨性較高的熱固性塑料模具和增強塑料模具。如美國ASTM標準鋼號P2(10CrMo)、P3(10CrNi)；我國的20Cr、12CrNi2等。
5)整體淬硬型模具鋼 一般都是借用高耐磨性冷作模具鋼及熱作模具鋼。如Cr5M01V(A2)和Crl2MolVl(D2)等冷作模具鋼和4Cr5MoSiVl等熱作模具鋼。
6)耐蝕塑料模具鋼 有些塑料制品如聚氯乙烯、氟化塑料、陰燃塑料等在壓制過程中對模具有腐蝕作用，因此，對此類塑料模具一般采用馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼，如瑞典ASSAB公司的STVAX(4Crl3)，我國的研制的PCR(OCrl6Ni4Cu3Nb)等。
7)無磁塑料模具鋼 為了適應磁性塑料制品的生產，國內外發展了一些無磁塑料模具鋼，將奧氏體型模具鋼通過時效硬化處理得到要求的硬度強度和低的導磁率，如日本日立金屬公司的HPM7，我國的7Mnl5Cr2A13V2WMo等。
此外，為了適應塑料模具制造過程中的一些對鋼的工藝性能的特殊要求，發展了以下四類專用的特種塑料模具鋼種。
1)鏡面磨削用塑料模具鋼 純凈度、致密度高，材質均勻性好，且淬回火硬度較高。適用于制做光學儀器、電子設備的透明制品。如瑞典材料S136，日本大同特殊鋼公司的S-STAR等。
2)非調質型預硬塑料模具鋼 鍛(軋)后直接得到要求的硬度，一般為30-40HRC。如我國的3Cr2MnMo-VS鋼等。
3)高焊接性塑料模具鋼 此類鋼焊接性能很好，可以避免或簡化焊前預熱或焊后處理工藝，以便模具的堆焊修復工作。如日本大同特殊鋼公司開發的PXZ、PX5及NAK55等。
4)易切削塑料模具鋼 此類鋼由于既加人了S等易切元素，又同時加入了Ca等變性劑，所以既改善了鋼的切削性能，又抑制了硫對鋼的力學性能和熱加工性能的不利影響。如日本大同特殊鋼公司的NAK55，DHA2F，我國的5NiCaS等。
3.1.3 模具鋼品種規格的發展
模具制造業日益向通用化、標準化、系列化、高效率、短制造周期發展，為適應這些發展的需要，作為使用最頻繁的模具材料的模具鋼也在日益向多品種、精料化、制品化的方向迅速發展。如新型扁鋼連軋機的不斷投入和寬厚板軋機的技術改造的日益完善，模具鋼的品種規格越來越多樣化。
3.1.4 模具鋼生產工藝和工藝裝備的發展。
模具的工作條件日益苛刻，對模具材料的質量水平，特別是模具鋼的純凈度，等向性的水平，提出了更高的要求，由于模具的加工費用昂貴，要求提高鋼材的尺寸精度，減少加工公差，改善其切削性能，以降低模具的生產成本，國內外特殊鋼企業針對以上要求，在模具鋼的生產工藝裝備上相應地做了大量的工作，取得了顯著成績。
具有體現在以下幾方面：
1．不斷改善冶煉工藝和裝備；采用電爐+爐外精煉生產純凈度較高的模具鋼。
2．選用更合理的熱合工工藝；采用先進的軋制、鍛造工藝，提高鋼材成材率。
3．采用可進一步細化鋼材組織的熱處理方法；提高鋼材的均勻性和等向性。
4．配備可生產高附加值模具鋼的深度加工工藝裝備；加工出高附加值的模板、模塊、模架和模具標準件。
5．將模具鋼的生產從分散趨于集中，便于形成規模大、功能全的模具鋼生產基地。
3.2 我國模具生產技術現狀及展望
建國以來，我國模具鋼生產技術發展很快，從無到有，從仿制到自己開發，目前我國模具鋼的產量已躍居世界前列。絕大部分國外的標準鋼號和試制的的鋼號，我國也都進行了生產或試制工作，通過幾次鋼種整頓和標準修訂初步形成了我國的模具鋼系列，在模具鋼的生產技術，品種質量，工藝裝備科研開發及材料應用等方面都取得了很多進展。但是，由于我國模具鋼發展歷史短，與國外相比還存在著不少問題和差距。
1、 鋼種系列不夠充實完整，有的鋼種(如粉末冶金高合金模具鋼)尚屬空白。
2、 鋼種的產品結構和選用不合理，很多模具鋼仍沿用傳統的幾種老牌號，不能滿足日益增長的模具產品的需求，導致模具使用壽命不高，產品精度低，粗糙度差。
3、 鋼材品種規格少，目前國內市場上的模具鋼產品仍以黑皮圓棒材為主。品種比較單一，精料和制品的比例很低。由于原料加工余量大，材料利用率低，拉長了模具的制造周期。
4、生產工藝和裝備方面。
特殊鋼的質量控制、檢測手段落后，缺乏熱處理深度加工和在線質量檢驗設備。缺少生產高性能粉末冶金模具鋼的設備。缺乏專業化生產的工模具鋼生產線和模具鋼開發中心。針對以上問題，展望未來，急待開展以下工作：
1)、擴大模具鋼的品種規格
充分發揮現有設備，特別是新引進設備的能力，大力發展高精度高質量模具扁鋼和中厚模具鋼板的生產。至少應達到模具鋼產量的3％左右。擴大精料生產，根據需要提供剝皮、冷拔、銀亮鋼材的生產，逐步開發經過機械加工和淬回火處理的模塊和制品，提高產品的附加值。
2)、完善模具材料系列，合理使用材料
結合模具工業的發展，形成我國新的模具鋼系列，當前尤其應注意開展粉末冶金高性能模具鋼的研究開發工作，以滿足高性能長壽命模具生產的需要，相應地開展模具鋼強韌化機理及模具失效機理的研究工作，指導材料研究，并相應地開展測試手段和測試技術的開發工作。
3)、建成幾條技術先進的模具材料生產線
有計劃地建立完善的科研試制基地和技術情報中心，在全國建成各具特色的幾條技術先進的模具鋼生產線，采用先進的工藝裝備先進的技術，生產高純凈度、高等向性，品種規格齊全的高精度高質量模具鋼鋼材和制品，使我國模具鋼的生產技術、產品質量迅速全面地達到國際先進水平。
4)、大力開拓模具鋼的國外市場
充分發揮我國的資源優勢，盡快研究出國外市場需求的高質量模具鋼精品，以產頂進，變資源和原料出口為模具制品出口，創更高的經濟效益和社會效益。
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