模具材料现状与发展
摘要：简要介绍了国内模具钢的发展概况，简述了国内模具钢生产、应用方面存在的主要问题及近期发展的重点与目标，并对国内模具钢的现状及发展趋势进行了综述。
关键词：模具材料，模具钢，发展
Presentstatusanddevelopmentofdieandmouldmaterials
DepartmentofMaterialScienceandEngineering，HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130
Abstract：Thepresentstatusanddevelopmentofdie&mouldsteelwasintroducedandthemainproblemsand recentdevelopment’sfocusandgoalsindomesticdiesteelproduction,applicationwasoutlined.Thestatusand developmenttrendofdie&mouldmaterialswerereviewed.
0.引言
近年来，伴随着制造业的迅速发展，我国的模具工业一直以15%左右的增速快速发展，在世界模具产值中所占比例显著提高，其中大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度，塑料模和压铸模比例增大。模具制造的首要问题是模具材料。制造模具及其零件的材料有很多，如钢，铸铁，非铁合金及其合金、高温合金、硬质合金、钢结硬质合金、有机高分子材料、无机非金属材料、天然或人造金刚石等。但其中钢是用的最多，应用范围最广的材料。
目前，国内模具钢年产量已达40万吨左右，但国产模具钢无论在品种还是质量上仍难以全部满足国内模具市场的需求。随着我国模具工业的持续发展，对于高档模具用钢进口量不断攀升。模具用钢进口主要来自日本、德国、瑞典、奥地利、韩国等国家，进口总量约在10万吨左右。经过几次钢种整顿的标准修订，在GB/T1299-2000《合金工具钢》标准中包含了37个钢种，基本上形成了我国特色的模具钢系列。目前我国模具用钢广泛，除了工具钢(碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢)外，还有轴承钢、弹簧钢、调质钢、渗碳钢、不锈钢等，钢种达数十种之多，但常用的只有20余种，而用量最多的是Cr12、Cr12MoV、CrWMn、3Cr2W8V、5CrMnMo、5CrNiMo、45、40Cr等。其中Cr12、Cr12MoV的应用量大面广，但在冶炼、铸造、锻造、热处理等方面存在一系列问题，模具使用寿命较低，特别是产品结构和应用方面还存在一些问题。[1-3]本文将从冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三个方面就模具材料的发展及其应用进行论述。
1.模具材料应用现状
1.1冷作模具钢
目前我国常用的冷作模具钢仍多是碳素工具钢（T7A、T8A、T10A、T12A）、低合金工具钢CrWMn、高碳高铬钢Cr12、Cr12MoV、高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等传统的典型钢种，不过也引进。研制了多种新的钢种以适应不断提高的要求。
（一）碳素工具钢
T7A为高韧性碳素工具钢，其强度及韧性都较高，适合制作易脆断的小型模具或承受冲击载荷较大的模具；T10A是最常用的钢材，是性能较好的代表性碳素工具钢，耐磨性也较高，经适当热处理可得到较高强度和一定韧性，合适制作要求耐磨性较高而承受冲击载荷较小的模具。T8A淬透性、韧性等均优耐磨性也较高，适合制作小型拉伸、挤压模。
（二）低合金工具钢
低合金工具钢，是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。这样可以降低淬火冷却速度，减少热应力和组织应力，减少淬火变形及开裂倾向，钢的淬透性也明显提高。用于制造模具的低合金钢有CrWMn、9Mn2V、9SiCr、9CrWMn、9Mn2、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiMnSiMoV(代号GD)等。CrWMn钢具有较好的淬透性，淬火变形小，但是其耐磨性、强韧性、变形要求等仍不能满足形状复杂的冷作模具的需要。
（三）高碳高铬冷作模具钢
高碳高铬冷作模具钢包括Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2）具有高硬度、高强度、高耐磨性、易淬透、稳定性高、抗压强度高及淬火变形小等优点。高碳高铬钢经锻造后的毛坯硬度较高（大约在550HB左右）内应力较大，必须进行退火处理。高碳高铬钢在回火过程中，会出现马氏体分解、碳化物聚集和残余奥氏体的转变。工业生产中，常采用2～3次回火，以改善前次回火残余奥氏体转变为初生马氏体的韧性，从而提高钢的韧性。Cr12型钢强度和耐磨性较高，但其碳化物不均匀性比较严重，使用中脆断倾向很大，韧性较低。综合力学性能要求更高的模具，常用的替代钢种是高速钢。
（四）高速钢
高速钢具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，采用低温淬火、快速加热等工艺措施，可以有效地改善其韧性。因此，高速钢越来越多地应用于要求重载荷、高寿命的冷作模具。高速钢合金元素含量高，价格贵，工艺性能不佳，脆性较大，使其应用受到一定限制。钨钼系高速钢，因其含碳化物分布较均匀，颗粒细小，W6Mo5Cr4V2钢的韧性优于W18Cr4V钢，故应用比较广泛。高强韧性降碳减钒的高速钢6W6Mo5Cr4V，由于适当地减少了碳与钒的含量，其抗弯强度与塑性、冲击韧性等都显著提高，而硬度与二次硬化能力都得以保持。
（五）基体钢
基体钢是指具有高速钢正常淬火后基本成分的钢，这类钢的碳质量分数一般为0.5%左右，合金元素分数在10％～20％范围内，由于这类钢淬火后过剩碳化物数量少、细小均匀，使其在具有一定耐磨性和硬度的前提下，抗弯强度和韧性得到显著改善。模具中常用的基体钢有6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）等。基体钢被广泛地应用于制造冷挤压、厚板冷冲和冷镦等模具，特别适于制造难变形材料用的大型复杂模具，也可以用作黑色金属的热挤压模具,是一类冷热兼用的模具钢。近年来，随着高速多工位自动冷镦机的普遍使用，以及高强度钢和高韧性不锈钢冲压件的广泛应用，冷冲模服役条件更加恶劣，采用电渣重熔并进行复合强化的012Al基体钢冷冲模，可显著提高使用寿命。
（六）其他
微变形空淬钢,这类钢有较高的淬透性，可用冷却速度缓和的淬火介质，从而减少了淬火应力，降低了变形开裂倾向，在淬火时可通过调节残余奥氏体的比例，达到微变形。这类钢号主要有GD钢等。7CrNinSioV钢(GD)的特点是强韧性较好，工艺性能好，可代替CrWMn、WCr12型钢制冷作模具，解决模具早期崩刃或断裂。
硬质合金，具有高的硬度、高的抗压强度和高的耐磨性，所以用其制作的模具坚固耐用，使用寿命比一般钢制冲模高30～100倍，且制品表面质量好，故适用于大批量生产，主要用来制作多工位级进模，大直径拉深凹模镶块。缺点是脆性大，加工困难，不能锻造及热处理，且成本高，致使其应用受限制。
钢结硬质合金，是以难熔金属碳化物为硬质相，以合金为粘结剂，用粉末冶金方法生产的一种新型模具材料，具有硬质合金的高硬度、高耐磨性和高抗压强度，又具有钢的可加工性和热处理性。以WC为硬质相的钢结硬质合金，又简称DT合金，还具有较好的抗热裂能力，不易出现崩刃、淬裂等，是较理想的模具材料之一。[4]
1.2热作模具钢
热作模具钢主要用于制造高温状态下进行压力加工的模具，如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦模具等。随锻压机械能力的加大、加工件形状的复杂化，尤其是被加工材料加工难度的增大，如加工钛合金、高合金钢、不锈钢和耐热钢，模具趋向大型化、高性能。对热作模具用钢性能的要求也越来越高，传统的热作模具钢5CrNiMo和5CrMnMo钢由于热强性、热稳定性较低、易龟裂和塌陷，使用寿命短。3Cr2W8V钢由于钨含量高、耐热振性较差、易热疲劳，导致龟裂等缺陷。近年来，一些具有较高的热强性、高的热疲劳性和良好的韧性的新型热作模具钢相继问世。[5]
（一）低耐热高韧性热作模具钢
低耐热高韧性热作模具钢主要用于生产承受很大冲击载荷的锤锻模、平锻机锻模、大型压力机锻模等，是在高温下通过冲击加压强迫金属成形的模具，锻模型腔与炽热的工件表面会产生剧烈摩擦。因此要求钢冲击韧度好、淬透性高、导热性能好、有较高的热疲劳能力，同时还应具有好的耐热性、抗氧化性和加工工艺性。低耐热高韧性热作模具钢包括5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoV、45Cr2NiMoVSi等。[6]
（二）中耐热韧性热作模具钢
中等耐热性韧性钢，主要有5%的铬型热作模具钢和铬钼系热作模具钢，含有较多的铬、钼、钒等碳化物元素，其韧性和耐热性介于高韧性及高强性热作模具钢之间，我国从上世纪60年代开始引进开发这类钢号，用量逐渐扩大，现已成为主要的热作模具钢。中耐热韧性热作模具钢主要包括4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiV1（H13）、4Cr5W2SiV、3Cr3Mo3W2V（HM1）、25Cr3Mo3VNb（HM3）、2Cr3Mo2NiVSi（PH）、瑞典一胜百ASSAB8407(UDDEHOLMORVARSUPREME)、日本大同模具钢DAIDODHA1、DH31-S、日本日立HITACHIDAC、德国葛利兹1.2344、1.2343、1.2367等。H13热作模具钢是首钢特殊钢公司根据美国标准钢号H13开发的，是一种使用温度在600℃以下的中碳中铬热作模具钢。H13既具有3Cr2W8V钢的高温性能，又具有5CrMnMo钢高韧性的特点,也一般热作模具钢要求的较高的热硬性、热强性、抗回火稳定性、耐磨性、抗冷热疲劳性等。现已在锤锻模、挤压模、压铸模、模锻模等模具领域中得到广泛应用。[7]
（三）高耐热热作模具钢
高耐热热作模具钢主要用于较高温度下工作的热顶锻模具、热挤压模具、铜及黑色金属的压铸模具、压力机模具等。其中压力铸造是在高的压力下，使熔融的金属挤满型腔而压铸成型，在工作过程中模具反复与炽热金属接触，因此要求有较高的回火抗力和热稳定性。高耐热热作模具钢主要包括3Cr2W8V（H21）、5Cr4W5Mo2V、5Cr4Mo3SiMnVAl、4Cr3MoW4VNb、6Cr4Mo3Ni2WV、4Cr3Mo2NiVNbB等。这类模具钢的钨、钼含量比较高，比前两类热作模具钢在高温下具有更高的强度、硬度和耐磨性、组织稳定性好，但其韧性和抗热疲劳性不及低耐热高韧性热作模具钢。3Cr2W8V（H21）钢拥有高的热强度和热稳定性，好的铸造性，锻造性和切削性能，并且热处理简单。在我国，3Cr2W8V钢应用很广泛，用于生产各种热作模具，如热压模，热挤出模和非铁合金压铸模。虽然在其他国家它已基本被取代，但是在我国钨系热作模具中应用仍十分广泛。[8]
（四）特殊用途的热作模具钢
奥氏体热作模具钢，近年来为了满足模具在750℃以上能耐高温、耐蚀、抗氧化要求而引入的奥氏体耐热钢。奥氏体耐热钢的优点是组织比较稳定，在加热和冷却过程中均不发生相变，具有很高的高温强度和耐热性，缺点是线膨胀系数大，导热性差，降低了热疲劳性能，不适宜作为强烈水冷的模具材料。奥氏体耐热钢主要包括铬镍系奥氏体钢和高锰系奥氏体钢。
高温合金，当挤压耐热钢管时，模具型腔温度会高达900℃～1000℃，就需要采用高温合金来制造模具，如铁基、镍基、钴基合金，常用的镍基合金中，以尼莫尼克100号热强度最高，在900℃时持久强度仍有150MPa，可用于制作挤压耐热钢零件或挤压铜管的凹模及芯棒。
难熔合金，通常将熔点在1700℃以上的金属称为难熔金属。钼基合金的热强度和持久强度较高，热导性好，热膨胀小，因此几乎不引起热裂。用钼基合金作压铸模具用得比较成功，主要用于铜合金、钢铁材料的压铸模，也可用作钛合金、耐热钢的热挤压模，其使用寿命远远高于其他各种热作模具钢。
（五）其他
中合金高热强性热作模具钢，3Cr3Mo3W2V(HM1)和3Cr3Mo3VNb(HM3)钢，其特点是含碳量较低，其热加工性能良好，易锻造及退火，热裂倾向低，淬火回火温度范围较宽，具有较高的热强性、热疲劳性能、良好的耐磨性和耐回火性等特点，是综合性能优良的高强韧性热作模具钢，有明显的回火二次硬化效果。适于制造高速、高负荷的压力机成型模、辊锻模、小型锤锻模等热作模具。
基体型热作模具钢，5Cr4Mo2V(RM2)钢含碳不高(0.45%～0.55%)W5合金元素总含量12%，可以进行一般的热处理及化学热处理，可以替代3Cr2W8V钢制造某些挤压模具，有高的耐热性，既有较高的高温强度和耐磨性，在700℃时仍可保持53～54HRC的硬度，这类钢有强烈的二次硬化效应，用于制造热挤压模、热冲模、冲头等，使用寿命较3Cr2W8V钢有较大的提高。
沉淀硬化型热作模具钢，这类钢的含碳量较低质量分数在0.2%左右，如我国研制的PH(2Cr3M02NiVSi)钢是典型的沉淀硬化型热作模具钢，其特点是制造的模具淬火和采用较低温度回火后硬度为40HRC,具有良好的韧性和可加工性，加工后可直接使用，在使用的过程中模具表层因受热而析出碳化物，产生二次硬化，硬度可达46～48HRC，而心部组织未发生转变，满足了模具的性能要求，提高了模具的使用寿命。这类钢适用于压铸模以及精密锻模等。
1.3塑料模具钢
由于塑料模具的快速发展，目前塑料模具材料已逐渐形成了较独立的体系,但国内塑料成型模具材料尚未形成系列，一般塑料模具常采用正火态的45钢或40Cr钢经调质制造。硬度要求较高的塑料模具采用CrWMn或Cr12MoV等钢制造。近年来，我国新型塑料模具钢的研制取得了一定进展，并引进了一些在国外已通用的钢种，以满足塑料模具钢多方面的性能要求。塑料模具材料体系主要组成是塑料模具钢，它主要涉及了从结构钢到工具钢，从碳素钢到合金钢的许多钢种。塑料模具钢按其使用特性分为四种类型:渗碳型、预硬型、时效硬化型、耐蚀型。[9]
（一）渗碳型塑料模具钢
渗碳型塑料模具钢主要用于冷挤压成型型腔复杂的塑料模具，这类钢的含碳量较低，常加元素Cr，同时加入适量Ni、Mo和V，作用是提高淬透性和渗碳能力，为了便于冷挤压成形，这类钢在退火状态须有高的塑性和低的变形抗力，退火硬度≤100HBS。在冷挤压成形后进行渗碳和淬火回火处理，表面硬度可达58～62HRC。此类钢国外有专用钢种，如瑞典的8416、美国的P2和P4等。国内常采用12CrNi3A和12Cr2Ni4A钢、20Cr2Ni4A，国内最近研制的冷成形专用新型钢0Cr4NioV(LJ钢)，即为专用冷挤压成形模具钢，退火后硬度85～105HB，塑性优异、变形抗力低冷挤压成型后，经渗碳淬火和回火，表面硬度58～62HRC，耐磨性好，无塌陷及表面剥落现象，模具寿命大幅度提高。
（二）预硬型塑料模具钢
预硬型塑料模具钢分为调质预硬型塑料模具钢和易切削预硬型塑料模具钢。预硬型塑料模具钢是为避免大、中型精密模具热处理后的变形，保证模具的精度和使用性能而开发的一种塑料模具材料。预先进行调质处理，硬度为30~40HRC，切削加工成型后不再进行热处理而直接进行使用，从而又避免了热处理而导致的模具变形和裂纹问题。主要用于制造型腔复杂、精密，使用寿命要求长的大、中型塑料模具。
这类钢一般为中碳低合金钢，含碳量为0.35%～0.65%，常用合金元素有Cr、Ni、Mn、V等，为了改善其切削性，加入S、Ca等元素，经过淬火加高温回火的调质预硬处理后，可获得均匀的组织和所需的硬度。已经列入国家标准的预硬型塑料模具钢仅有3Cr2Mo(P20)钢和3Cr2MnNiMo两种。P20系列钢通常被称为调质预硬塑料模具钢，因为它是在调制状态下交付的，因此在机加工之后不必要再做热处理。然而调质预硬钢工艺过程复杂，而且能源消耗量大。有时，对于大截面塑料模具钢传统调制塑料钢淬火并不充分或存在淬火缺陷。因此近些年非淬火预硬型塑料模具钢得到了发展。[10]
（三）时效硬化型塑料模具钢
时效硬化型塑料模具钢是根据制造高精度、复杂型腔塑料模具的需要而研制开发的一种高质量塑料模具钢。时效硬化型塑料模具钢有马氏体时效硬化钢和析出(沉定)硬化钢两大类，近年来开发了低钴、无钴、低镍的马氏体时效钢，如06Ni(06Ni6CrMoVTiAl)钢、AFC-77(1Cr14Co13Mo5V)钢；PMS(1Ni3MnMoCuAl)钢、PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)钢，另外还有美国的P2(20CrNi4AlV)钢，日本的NAK(15Ni3MnMoAlCuS)钢等，此类钢的特点是含碳量低、合金度较高，固溶处理后进行模具的机械成形加工，然后通过时效处利理，使模具获得使用状态的强度和硬度。这就有效的保证了模具最终尺寸和形状的精度。经固溶处理后，硬度为30HRC左右，时效处理后，由于金属间化合物析出强化，可使硬度达到38～42HRC。另外，通过镀铬、渗碳或离子束增强沉积等表面处理方式，可以提高其耐磨性和耐蚀性。
（四）耐蚀型塑料模具钢
以聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS加抗燃树脂等化学腐蚀塑料为原料，生产塑料制品时，成型过程中会分解出腐蚀性气体，将对模具产生腐蚀作用，为此要求模具必须有防腐蚀能力。塑料模具获得防腐蚀能力的最佳方式是采用耐腐蚀塑料模具钢制造，目前已经得到了推广。耐腐蚀塑料模具钢同其他塑料模具钢一样也需要具有一定的硬度、强度和耐磨性等性能要求。常用的钢种有高碳高铬型耐蚀钢，如9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo4V、4Cr13等耐蚀钢，1Cr17Ni2马氏体时效不锈耐酸钢和0Cr16Ni4Cu3Nb析出硬化不锈钢等。
（五）其他
在某些工作的塑料模具，还可以选用铝合金、铍青铜、锌合金和铸铁等材料制作。如聚苯乙烯泡沫塑料的发泡成型模具，要求导热，耐腐蚀并能承受脉动热载荷。当用于中小批量生产时可采用铸造铝合金生产模具，当大批量生产时可采用不锈钢或铍青铜制造模具。低发泡注射成型的压力低，冷却时间长，要求模具的机械强度不高而热导性要好，可采用铝合金和锌合金等制造模具。吹塑成型模具也常采用铝合金、锌合金和铍青铜等制造。[6]
2.模具材料的发展趋势
国内模具材料的生产技术发展迅速，近年来已经逐步形成了我国自己的模具钢系列，简历了不少先进的生产工艺装备。但是模具钢的生产技术、产品质量等方面还存在很多问题，致使模具早期失效的比例仍很高。针对以上问题，亟待开展以下工作：发展模具材料冶金技术，保证模具材料性能；完善模具材料系列，合理使用材料，充分重视模具的正确选材；发展热处理技术与表面处理技术，延长模具的使用寿命；改善冷热加工工艺，提高模具使用寿命。
2.1发展模具钢的冶炼技术
冶金质量也对模具钢的性能有很大的影响，只有具有优秀的冶金质量，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方面：冶炼质量，锻造轧制工艺性能，热处理和精加工性能，导热性及精料和制品化程度。为了提高模具钢的纯净度和致密度，减少偏析，国外现在多采用炉外精炼（LF法）、电渣重熔（ESR法）与真空电弧重熔（VAR法）的冶炼技术，其中尤以LF法和ESR法应用的愈来愈多。
2.2完善模具钢材料系列，合理使用模具材料
根据模具制造业的发展需要，不断地开发和完善模具材料系列，形成我国新的模具钢系列。在实际生产中，合理使用模具材料，并且推广应用一些性能较好的新型模具材料。
2.3发展热处理技术与表面处理技术
模具热处理和表面处理，是能否充分发挥模具材料性能的关键。真空热处理、深冷处理、包括PVD[11]、CVD以及PACVD[12]技术的气相沉积（TiN、TiC等）、离子渗入[13]、等离子喷涂及TRD表面处理技术、类钻石薄膜覆盖技术、高耐磨高精度处理技术、不沾粘表面处理等技术已在模具制造中应用，并呈现良好的发展前景。模具表面激光热处理、焊接、强化和修复等技术及其他模具表面强化和修复技术，也将受到进一步重视。
国外模具材料的热处理越来越多的使用真空炉、半真空炉和无氧化保护气氛炉。即使是钢坯退火也广泛应使用真空炉和保护气氛退火炉模具采用真空炉热处理，可保持表面无氧化、脱碳的变质层，省略或缩短热处理后的电加工、线切割和研磨等工序的时间。
深冷处理在国外已被广泛应用主要采用液态氮为冷却剂（77K），利用气化潜热的快速冷却方式，将淬火后的模具冷至153K以下，并保持一段时间。深冷处理的效果主要有：参与奥氏体几乎可以全部转化为马氏体；材料组织细化并可析出细微碳化物；耐磨性比为深冷处理的模具高2~7倍，比普通冷处理模具高1~8倍。对于D2钢，传统热处理方法的磨损率比深冷处理的高出许多，而冷处理的磨损率介于二者之间。[14]深冷处理前必须在100℃热水中进行一次回火，并且深冷处理后在50~60℃的热水中快速升温，由于表面膨胀而收到减小应力的效果。深冷处理还可作为稳定模具尺寸的一种热处理方法。
3.结束语
综合以上内容我们可以看到，虽然我们国家大力发展研究新型模具材料及其相关技术，但是我们与世界先进水品还有一定差距。还要进一步加快发展，以服务于快速发展的模具行业的需求。同时也不能盲目的学习外国，因地制宜的利用好我国资源，制造出性能优越的国产模具钢。
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