模具材料是模具制造業(yè)的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)，其中模具鋼是傳統(tǒng)的模具材料，其品種、規(guī)格、質(zhì)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(fā)展也推動了工業(yè)產(chǎn)品向高級化、個體化、高附加值化的方向發(fā)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(yīng)用最廣的當(dāng)屬模具鋼。從—般的碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、彈簧鋼、高速工具鋼、不銹耐熱鋼直到適應(yīng)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(tài)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(tài)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(yè)發(fā)達的國家已經(jīng)形成了范圍很廣的塑料模具用鋼系列。包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、滲碳型 塑料模具鋼、預(yù)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(jù)模具的生產(chǎn)條件和模具的工作條件的需要，結(jié)合模具鋼材料的基本性能和相關(guān)的因素，未來選擇適合模具需要的經(jīng)濟上合理，技術(shù)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?jǐn)偟街圃斓拿恳粋€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(jié)論。

2.2 模具鋼選擇的主要指標(biāo)

模具鋼選擇的主要指標(biāo)，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(zhì)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(chǎn)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?xí)r，也不至于和被加工工件的表面之間產(chǎn)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(shù)性能指標(biāo)，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(wěn)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(biāo)。

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(xué)成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態(tài)。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(chǎn)生氧化脫碳現(xiàn)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(zhì)量

冶金質(zhì)量也對模具鋼的性能有很大的影響，只有具有優(yōu)秀的冶金質(zhì)量，才能充分發(fā)揮模具鋼的各種性能。冶金質(zhì)量一般包括以下幾方面：冶煉質(zhì)量，鍛造軋制工藝性能，熱處理和精加工性能，導(dǎo)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(guī)格很多，為了便于在市場卜采購和備料，應(yīng)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(shù)比較成熟，性能數(shù)據(jù)完整，便于在設(shè)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(zhì)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(chǎn)高質(zhì)量的模具，已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)發(fā)達國家模具制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢，我國也正在向這一方面努力。

三、國內(nèi)外模具鋼的發(fā)展概況與動向

3.1 模具鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

模具是工業(yè)發(fā)展的基石，世界各國的制造業(yè)為了降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，改善材料利用率，節(jié)約能源，廣泛地采用各種模具成形：工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削加工工藝。目前機械制造、電子工業(yè)、輕工業(yè)等工業(yè)部門的產(chǎn)品約有60％~80％的工件采用模具成型。很多產(chǎn)品的質(zhì)量、尺寸精度、表面粗糙度、更新?lián)Q代的速度和產(chǎn)品的成本，很大程度上取決于模具的質(zhì)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(chǔ)，隨著模具工業(yè)的迅速發(fā)展，對模具鋼的數(shù)量、質(zhì)量、品種、規(guī)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(nèi)外模具鋼的產(chǎn)量、生產(chǎn)技術(shù)、工藝裝備、質(zhì)量、品種等方面都取得了比較迅速的發(fā)展。

3.1.1 模具鋼產(chǎn)量的發(fā)展

模具鋼的產(chǎn)量近20年來增長很快，領(lǐng)先于其他鋼類，模具鋼的產(chǎn)量占合金工具鋼的80％左右。我國模具鋼的產(chǎn)量早已位居世界的前列。

3.1.2 模具鋼鋼種的發(fā)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(chǔ)上，又相繼發(fā)展了不少適應(yīng)新的要求的新鋼種。

l、在冷作模具鋼中，所發(fā)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(tǒng)的Crl2型模具鋼，增加了Mo、V合金數(shù)量，其耐磨性優(yōu)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(fā)表的VascoDie(8Cr8M02V2Si)、日本大同特殊鋼公司的DC53(CrSM02VSi)，我國自行開發(fā)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(fù)雜模具。如美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)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?zhèn)鋬?yōu)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(jīng)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(fēng)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(chǎn)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(chǎn)的高碳高合金冷作模具鋼在澆注后緩慢凝固產(chǎn)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(fā)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(fā)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)中的40NiCrMoV；法國NF-35-590標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)上增加W、Mo、Co、Nb等元素，提高其高溫性能。如美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)鋼號H10A、我國開發(fā)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(biāo)準(zhǔn)鋼號H42，我國標(biāo)準(zhǔn)鋼號6W6MoSCr4V?；w鋼的化學(xué)成分相當(dāng)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(shù)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(jīng)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(biāo)中的3Crl2Mo(P20)一個鋼號發(fā)展成由有以下七大類構(gòu)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(chǎn)通用型熱塑性塑料生產(chǎn)工件批量不大，技術(shù)要求不太嚴(yán)格制品模具。如20、45等碳素結(jié)構(gòu)鋼和T8、T10等碳素工具鋼。

2)預(yù)硬型塑料模具鋼 采用中碳合金鋼預(yù)先經(jīng)過淬火和高溫回火狀態(tài)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(guī)律，適用于制造形狀復(fù)雜，尺寸精度要求高的模具，如美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)磁性塑料制品的生產(chǎn)，國內(nèi)外發(fā)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(dǎo)磁率，如日本日立金屬公司的HPM7，我國的7Mnl5Cr2A13V2WMo等。

此外，為了適應(yīng)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(fā)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(zhì)均勻性好，且淬回火硬度較高。適用于制做光學(xué)儀器、電子設(shè)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(diào)質(zhì)型預(yù)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(yù)熱或焊后處理工藝，以便模具的堆焊修復(fù)工作。如日本大同特殊鋼公司開發(fā)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?qū)︿摰牧W(xué)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(guī)格的發(fā)展

模具制造業(yè)日益向通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、高效率、短制造周期發(fā)展，為適應(yīng)這些發(fā)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(fā)展。如新型扁鋼連軋機的不斷投入和寬厚板軋機的技術(shù)改造的日益完善，模具鋼的品種規(guī)格越來越多樣化。

3.1.4 模具鋼生產(chǎn)工藝和工藝裝備的發(fā)展。

模具的工作條件日益苛刻，對模具材料的質(zhì)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(chǎn)成本，國內(nèi)外特殊鋼企業(yè)針對以上要求，在模具鋼的生產(chǎn)工藝裝備上相應(yīng)地做了大量的工作，取得了顯著成績。

具有體現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)件。
5．將模具鋼的生產(chǎn)從分散趨于集中，便于形成規(guī)模大、功能全的模具鋼生產(chǎn)基地。

3.2 我國模具生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及展望

建國以來，我國模具鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展很快，從無到有，從仿制到自己開發(fā)，目前我國模具鋼的產(chǎn)量已躍居世界前列。絕大部分國外的標(biāo)準(zhǔn)鋼號和試制的的鋼號，我國也都進行了生產(chǎn)或試制工作，通過幾次鋼種整頓和標(biāo)準(zhǔn)修訂初步形成了我國的模具鋼系列，在模具鋼的生產(chǎn)技術(shù)，品種質(zhì)量，工藝裝備科研開發(fā)及材料應(yīng)用等方面都取得了很多進展。但是，由于我國模具鋼發(fā)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)和選用不合理，很多模具鋼仍沿用傳統(tǒng)的幾種老牌號，不能滿足日益增長的模具產(chǎn)品的需求，導(dǎo)致模具使用壽命不高，產(chǎn)品精度低，粗糙度差。

3、 鋼材品種規(guī)格少，目前國內(nèi)市場上的模具鋼產(chǎn)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(chǎn)工藝和裝備方面。

特殊鋼的質(zhì)量控制、檢測手段落后，缺乏熱處理深度加工和在線質(zhì)量檢驗設(shè)備。缺少生產(chǎn)高性能粉末冶金模具鋼的設(shè)備。缺乏專業(yè)化生產(chǎn)的工模具鋼生產(chǎn)線和模具鋼開發(fā)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(guī)格

充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備，特別是新引進設(shè)備的能力，大力發(fā)展高精度高質(zhì)量模具扁鋼和中厚模具鋼板的生產(chǎn)。至少應(yīng)達到模具鋼產(chǎn)量的3％左右。擴大精料生產(chǎn)，根據(jù)需要提供剝皮、冷拔、銀亮鋼材的生產(chǎn)，逐步開發(fā)經(jīng)過機械加工和淬回火處理的模塊和制品，提高產(chǎn)品的附加值。

2)、完善模具材料系列，合理使用材料

結(jié)合模具工業(yè)的發(fā)展，形成我國新的模具鋼系列，當(dāng)前尤其應(yīng)注意開展粉末冶金高性能模具鋼的研究開發(fā)工作，以滿足高性能長壽命模具生產(chǎn)的需要，相應(yīng)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(dǎo)材料研究，并相應(yīng)地開展測試手段和測試技術(shù)的開發(fā)工作。

3)、建成幾條技術(shù)先進的模具材料生產(chǎn)線

有計劃地建立完善的科研試制基地和技術(shù)情報中心，在全國建成各具特色的幾條技術(shù)先進的模具鋼生產(chǎn)線，采用先進的工藝裝備先進的技術(shù)，生產(chǎn)高純凈度、高等向性，品種規(guī)格齊全的高精度高質(zhì)量模具鋼鋼材和制品，使我國模具鋼的生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)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(fā)揮我國的資源優(yōu)勢，盡快研究出國外市場需求的高質(zhì)量模具鋼精品，以產(chǎn)頂進，變資源和原料出口為模具制品出口，創(chuàng)更高的經(jīng)濟效益和社會效益。