国产模具钢材的研发和应用

㈠、冷作模具钢的开发情况：
对冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性，足够的强度和韧性，高的疲劳寿命，良好的抗擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。九十年代以前，国内常用的冷作模具钢有：碳素工具钢T10A，合金工具钢9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si；高速工具钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2；轴承钢GCr15；弹簧钢60Si2Mn，渗碳钢20Cr、12CrNi3；不锈钢3Cr13等。其中用量最大的是Cr12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和 W18Cr4V。为满足生产要求，国内先后研究开发了一系列新型冷作模具钢。
⒈高强韧耐磨钢：
Cr12系列冷作模具钢是较广泛采用的钢种系列，具有良好的淬透性和耐磨性，但共晶碳化物偏析较严重，韧性较差，淬火后异常变形较大。为弥补此类钢的性能缺陷，国内先后开发了一些高强韧耐磨钢，如7Cr7Mo2V2Si(代号LD)、Cr8WMoV3Si(代号ER5)、9Cr6W3Mo2V2 (代号GM)、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等。与 Cr12、Cr12MoV相比，此类钢的碳和铬的含量较低，改善了碳化物不均性，提高了韧性；适当增加了 W、Mo、V等合金元素的含量，从而增强了二次硬化能力，提高了耐磨性。所以，此类钢在具有良好的强韧性的同时，还有优良的耐磨性和较好的综合性能，主要用于制造承受应力较大、要求高强韧性和耐磨损的各类冷作模具。
7Cr7Mo2V2Si，代号LD钢，最初是针对冷镦模具而研制的。其碳含量低于G．Steven推荐的“平衡碳”规律，使钢在具有高硬度的同时，又具有较好的韧性；加入Cr、Mo、V元素，有利于二次硬化，保证钢具有较高的硬度、强度和良好的耐磨性；加入一定量的Si，以强化基体，提高回火稳定性。LD钢常用的热处理工艺是1100~1150℃ 淬火，530~570℃ 回火，回火后硬度 HRC57~63。1100℃淬火后的组织为细针马氏体+残留奥氏体+剩余碳化物，晶粒度10.5级。1100℃淬火、570℃回火后的组织为回火马氏体十残余碳化物。LD钢已被广泛应用于制造冷锻、冷冲、冷压、冷弯等承受冲击、弯曲应力较大，又要求耐磨损的各类冷作模具。
Cr8MoWV3Si，代号ER5，在具有较高强韧性的同时，又具有突出好的耐磨性。该钢在回火过程中弥散析出的特殊碳化物，是ER5比Crl2系钢具有更高强韧性和耐磨性的重要原因。ER5钢适用于制造承受冲击力较大，冲击速度较高的精密冷冲，重载冷冲以及要求高耐磨的其他冷作模具。
9Cr6W3Mo2V2，代号GM，也是以提高耐磨性为主要目的而研制的高耐磨冷作模具钢。该钢通过Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素的合理配比，并根据“平衡碳”规律配碳，使钢具有最佳的二次硬化能力及抗磨损能力，同时又保持了较高的强韧性和良好的冷热加工性能，适用于制造冲裁、冷挤、冷锻、冷剪、高强度螺栓滚丝轮等精密、高耐磨冷作模具。
⒉高速钢基体钢：
高速钢基体钢具有相当于正常淬火高速工具钢的基本成份，并允许钢中保留5%左右的过剩碳化物，另外再适当增加或减少某些元素的含量。此类钢有效地解决了高速钢碳化物不均匀分布和韧性较差的问题，钢的抗弯强度、韧性、塑性和疲劳抗力高于高速钢，但耐磨性低于高速钢，用于制造要求高强度和足够韧性的冷挤压、冷冲、冷镦等模具。由于高速钢基体钢的红硬性好，所以也用于制造热作模具。国内研制的高速钢基体钢有：65Cr4W3Mo2VNb（简称65Nb）、60Cr4Mo3Ni2WV（代号CG-2）、5Cr4Mo3SiMnVAl（代号012Al）、65W8Cr4VTi（代号LM1）、65Cr5Mo3W2VSiTi（代号LM2）等。
65Cr4W3Mo2VNb，其基体成份相当于淬火后的W6Mo5Cr4V2钢，但碳含量较一般基体钢高，以增加碳化物量和提高耐磨性。加入0.2~0.35%Nb，以提高钢的强韧性和改善工艺性。65Nb用于制造冷挤压、厚板冷冲、冷镦等承受较大载荷的冷作模具，也可用于温热挤压模具。
⒊低合金冷作模具钢：
国内开发的低合金冷作模具钢中，有7CrSiMnMoV（代号CH-1）、6CrMnNiMoVSi（代号GD钢）、6CrMnNiMoVWSi（DS）、CrNiWMoV等。这些钢的淬透性好，淬火温度较低，热处理变形小，价格低，具有较好的强度和韧性的配合，适用于制造精度复杂模具。
7CrSiMnMoV，代号CH-1，在820~1000℃淬火，可获得HRC60以上的硬度，是一种空淬微变形钢，可以火焰加热空冷淬硬。该钢的耐磨性尽管比Cr12MoV差，但比9Mn2V和T10A好；抗弯强度、抗压强度和冲击韧性都优于Cr12MoV和9Mn2V；热处理后的变形量和常用的Cr12MoV、Cr2Mn2SiWMoV、Cr4W2MoV等钢相当。CH-1钢具有良好的强韧性和良好的工艺性，可用于代替T10A、9Mn2V、CrWMn、GCr15、Cr12MoV等制造对强韧性要求较高的冷作模具，如冲孔凸模、中薄钢板（2~5mm厚）的修边落料模等。由于该钢可以采用火焰加热空冷淬硬，所以也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽车模具。 6CrMnNiMoVSi，代号GD，较CH-1钢增加了0.85%左右的Ni，进一步强韧化了基体。该钢的淬火温度范围较宽，淬透性好，也可火焰加热空冷淬火，具有良好的强韧性。当用于制造易崩及断裂的冷冲模具时，模具寿命较高。
⒋无磁高强度模具钢：
电子工业中的部分磁性元件需用无磁性的模具生产，7Mn15Cr2Al3V2WMo（代号7Mn15）钢的导磁系数很低，强度、耐磨性也良好，但切削加工比较困难。国内开发的无磁模具钢有18Mn12Cr18NiN（代号A18）、8Mn15Cr18（代号WCG）、50Mn18Cr4WN（简称50Mn）等。其中50Mn具有低磁导率（μ＜1.1H/m），较高强度和良好的加工性能，经1020~1070℃（水冷）固溶处理后，硬度HRC30左右。再经过590℃±10℃时效，硬度上升至HRC35左右。

㈡、热作模具钢的开发情况：
热作模具大体分为热锻模、热挤压模、压铸模和冲裁模。5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V是热作模具钢中应用量仍然较大的钢种。5CrNiMo主要用于厚度300~400mm的大中型锻模，5CrMnMo适用于厚度在250mm以下的小型锻模。但当用于更大截面或更高温度时，这两种钢存在淬透性、热稳定性、热疲劳性及耐磨性不够的问题。3Cr2W8V的高温强度较高，但钢的热疲劳性较差，韧性也不高，用于压铸模具和铝、铜合金热挤压模具时，模具的使用寿命都较低。国内在热作模具方面先后开发了几十种钢。
⒈大截面热锻模具钢：
为弥补5CrMnMo和5CrNiMo在较大截面和较高温度时热稳定性、热疲劳性及淬透性不够的缺陷，内开发了45Cr2NiMoVSi（简称45Cr2）、5Cr2NiMoVSi（简称5Cr2）、3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi（代号B2）等大截面热锻模具钢。与5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2中既含有较高的Cr和Mo，又加入了少量的V，使 CCT曲线上的高温转变区上移，低温转变区显著右移，提高了钢的淬透性。截面尺寸在500*500mm以下的模具经970~990℃淬火，650~680℃回火后，硬度可达HRC36~44。45Cr2和5Cr2还具有二次硬化能力，它们的高温强度较5CrNiMo钢高50%，热稳定性高出100~150℃，冲击韧性则相当。另外，钢的热磨损性、热疲劳性及抗热裂纹扩展的能力也强于5CrNiMo。这二种钢用于12000t以下机械压力机模具及16t以下模锻模具，模具的使用寿命是5CrNiMo钢制造的同种模具寿命的数倍。
⒉中小热锻模具钢：
中小热锻模具的表面温度可达600℃以上，5CrMnMo和5CrNiMo的高温性能显然不能满足要求。3Cr2WSV钢的高温强度较高，但韧性及热疲劳性能较差。为此，国内较早开发了2Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2MnVB（代号ER8）等3%Cr-3%Mo和3%Cr-2%Mo型的中碳铬系高强度热作模具钢，其中3Cr3Mo3VNb是根据形成合金碳化物所需的碳量对2Cr3Mo3VNb做进一步成份调整而来的。这二种钢中加入了3%左右的Mo，既能提高钢的淬透性和防止出现回火脆性，又能提高钢的热稳定性。加入V和Nb则可起到细化晶粒，降低钢的过热敏感性作用。因此，钢的淬透性高，淬火加热温度范围宽，过热敏感性低，具有高温强度高、热稳定性好、塑性韧性好、冷热疲劳性能好、热磨损性能好等优点，用于制造不锈钢（2Cr13）等热锻模，轴承凹模和辊锻模，都取得了良好的使用效果。
4Cr3Mo3W4VNb，代号GR钢，除Cr、Mo、V和Nb外，又加入了4%W，所以钢的高温强度和热稳定性得到了进一步提高，是中碳铬系热作模具钢中高温强度较高，热稳定性较好的钢种。该钢还具有良好的冷热疲劳性能，该钢适用于制造工作温度600~700C℃的浅型腔中小锻模，也可用于铜合金热挤压模具。详细的产品资料，敬请关注东莞弘超模具钢材专业网站www.hongchao-dg.cn。
除以上3%Cr-3%Mo型热作模具钢外，国内先后开发的5%Cr系中碳中合金热作模具钢已较大量用于热锻模具，如4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si等，其中4Cr5MoV1Si具有优异的韧性和良好的冷热疲劳性能，适用于制造工作温度在600℃以下，对韧性和塑性要求较高的模具。如用4Cr5MoV1Si代替5CrNiMo、5CrMnMo制造汽车连杆、曲轴锻模，模具的使用寿命得到了明显提高；用于制造铝合金压铸模具和铝型材挤压模具，模具的使用寿命较高。另外，该钢还可作塑料模具钢使用。目前，4Cr5MoV1Si钢的优良性能已在国内得到了广泛认可，应用量已较大。许多大学、研究院所和钢厂不惜花重金对该钢做研究和生产质量改进工作，并就此打出了自己的优质品牌。
⒊压铸模具钢：
在有色金属压铸中，3Cr2W8V曾是应用广泛的模具钢，5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2Mo等中碳低合金钢也作为铝锌合金压铸模具钢使用。3Cr2W8V的冷热疲劳性能较差，模具的使用寿命不高。国内为此先后开发了几个新型模具钢，如4Cr3Mo2MnVNbB（代号Y4）和4Cr5Mo2MnVSi（代号Y10）等。
4Cr3Mo2MnVNbB（代号Y4），最初就是针对铜合金压铸模具而研制的。该钢通过合理的成份配比，使其在达到高的热强性及热稳定性的同时，又保持了良好的韧性和塑性，抗冷热疲劳性能明显优于3Cr2W8V，模具的使用寿命较3Cr2W8V制造的模具的使用寿命有明显提高。该钢也可用于制造热挤压和中小热锻模具。
4Cr5Mo2MnVSi（代号Y10），是针对铝合金压铸模具而研制的，与3Cr2W8V钢相比，该钢具有抗冷热疲劳性能好、热处理变形小、抗铝溶损性能好等优点，模具的使用寿命普遍比3Cr2W8V钢制造的模具的使用寿命提高一倍以上。该钢还可用于制造工作温度在600℃以下的中小热锻等模具。
⒋铜、铝型材热挤压模具钢：
铜合金热挤压模的穿孔针、底模等长时与高温铜坯接触，模具的使用工况较苛刻。用3Cr2W8V或4Cr5MoV1Si钢制作此类模具，模具的使用寿命一直较低。国内曾试图采用奥氏体热作模具钢来解决此类模具寿命低的问题，但因钢的冷热疲劳性能较差而仍未得到圆满解决。在此背景下，国内有关大学、研究院所和钢厂先后推出了可以提高此类模具使用寿命的钢种，如4Cr3Mo2NiVNbB（代号HD钢）、4Cr3Mo2MnVNbB（代号Y4）等。HD钢较一般中碳3%Cr-2%Mo或3%Cr-3%Mo型热作模具钢又增加了1%左右的Ni，进一步提高了钢的韧性和塑性。在相同硬度（HRC43）下，其断裂韧性比3Cr2W8V钢高30%。用HD钢制造的铜合金管材挤压底模和穿孔针的使用寿命较3Cr2W8V钢提高一倍左右，并在轴承环热挤冲头和凹模、汽门挤压底模上也有成功应用的例子。用Y4钢制造铜合金挤压模底模和穿孔针顶头，模具的使用寿命也比3Cr2W8V钢制造的模具稳定地提高一倍以上。
铝型材热挤压模平模和组合模对韧性的要求较高，4Cr5MoV1Si是首选的模具材料，已被大量推广应用。
⒌高温玻璃模具钢：
玻璃制品模具要求模具材料具有优良的抗高温氧化性能和冷热疲劳性能，良好的耐芒硝腐蚀性能，足够高的强度，良好的抛光性能，并要易于脱模。此类模具常用铸铁、合金铸铁或3Cr13不锈钢制造，钢的性能远满足不了实际需要。为此，国内开发了代号为GY的高温玻璃模具钢。该钢是Si-Cr-Mo系预硬钢，具有良好的冷热疲劳性能，优异的抗氧化性能，优良的抗热触性能和较高的玻璃粘附温度。该钢在预硬后（HRC35左右）加工，加工性能良好，尤其适用于制造玻璃熔化或成型温度较高、表面质量要求高的玻璃制品模具。
㈢、塑料模具钢的开发情况：
塑料模具钢是国内发展得较滞后，到目前为止仍未成完整系列的钢种。在九十年代之前，国内常用的塑料模具钢仍然是0.4~0.6%碳的碳素结构钢，如：45#和40Cr，另外再以T10A、GCr15、CrWMn、5CrNiMo、5CrMnMo、Cr12、Cr12MoV等作补充。国内先后开发了十余种新型塑料模具钢。
⒈预硬化型塑料模具钢：为避免大、中型精密塑料模具热处理后变形，保证模具的精度和使用性能，相继研制开发了预硬化型塑料模具钢。此类钢一般是中碳低合金钢，在调质（HRC30~40）后切削加工成型，然后直接投入使用，主要用于制造复杂、精密和长寿命的大、中型塑料模具。
3Cr2Mo是国内较早开发的塑料模具钢，与AISI P20相当，目前已在许多钢厂生产。在使用时，一般先进行预硬处理，即先850~880℃淬火，580~640℃回火，预硬至HRC28~35的硬度，然后再进行切削加工。该钢适用于制造大、中型精密塑料模具，如电视机、洗衣机壳体等塑料模具，并已获得较大量应用。另外，也可用于制造锌合金压铸模具。除3Cr2Mo外，国内先后开发的5CrNiMnMoVSCa（简称5NiSCa）、8Cr2MnWMoVS（简称8Cr2）、40CrMnVBSCa（简称P20BSCa）、Y55CrNiMnMoV（代号SM1）等是易切削型预硬塑料模具钢，在这些钢中加人了S、Ca、 Pb、Se等元素以改善预硬钢的加工性能。如 5NiSCa钢预硬硬度为HRC39时，磨削力比HRC25的40Cr的磨削力还小。此类钢不仅适用于制造大、中型精密注塑模具，还可用于制造精密冷作模具。
⒉时效硬化型塑料模具钢：根据制造高精度、复杂塑料模具的需要，国内先后开发的几种时效硬化型塑料模具钢，如10Ni3MnCuAl（代号PMS）、25CrNi3MoAl、Y20CrNi3AlMnMo（代号SM2）、06Ni6CrMoVTiAl（简称06Ni）等。此类钢一般含较低的碳，含Ni、Al、Ti、Cu、Mo等合金元素，在固溶后硬度较低（一般≤32HRC），可以被较容易地切削加工，加工后再时效处理，以获得所需要的使用性能。由于时效温度低，时效后模具变形很小，所以适用于制造高精度、复杂的热塑性模具。
10Ni3MnCuAl，代号PMS，经850±20℃固溶后，硬度为 HRC30~33。经 500℃左右时效后，弥散析出硬化相Al3Ni，基体硬度随之上升至HRC38~43。该钢具有优良镜面加工性能，模具表面粗糙度可达Ra0.05μm，适用于制造要求高镜面、高精度的各种热塑性塑料制品模具，如光学仪器：镜片模具，磁带内外壳和电话机、石英钟、车辆灯具等塑料壳体模具。Y20CrNi3AlMnMo，代号M2，含0.1%左右的S，切削加工性能得到了改善，是一种易切削型号时效硬化塑料模具钢。
⒊耐蚀塑料模具钢：当较大批量地生产聚氯乙稀、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品时，模具需耐氟、氯等卤族元素气体的腐蚀，为此需在模具表面镀铬或直接采用耐腐蚀钢。国内开发的耐腐蚀塑料模具钢0Cr16Ni4Cu3Nb（代号PCR）属于马氏体沉淀硬化不锈钢，在1050℃固溶（空冷）后得到单一的板条马氏体组织，硬度为HRC32~35，经480℃左右时效后，析出弥散强化相CuNi，硬度上升到HRC39~44。该钢在含有氟、氯等离子的腐蚀性介质中的耐蚀性明显优于17-4PH（0Cr17Ni4Cu4），适用于制造含氯、氟或混入阻燃剂的热塑性塑料的注射模具。
⒋非调质塑料模具钢：非调质钢在锻、轧后即可达到预硬，不需再进行调质处理。为改善切削加工性能，有些钢中还添加了适量的 P、S和Ca。国内对非调质塑料模具钢的开发较晚，25CrMnVTiSCaRE（代号FT）、2Cr2MnMoVS和2Mn2CrVCaS即是近几年开发的新钢种。锻、轧空冷后，FT钢Φ100mm圆钢的硬度可以达到HRC30~35。

㈣、国内模具钢研发和应用中存在或需要解决的主要问题：
目前，我国模具新钢种的推广应用工作还存一些需要解决的问题：
⑴、缺乏有关指导性强、实用的技术资料，给用户合理选择和使用新钢种带来了困难。
⑵、除4Cr5MoV1Si、3Cr2Mo等个别钢种已获较大量应用外，一些性能优良的钢种的生产和应用量仍太少。
⑶、钢的质量不够稳定。直接影响了钢的性能的发挥和新钢种的推广应用。不断提高钢的纯净度、致密度、均匀性和质量稳定性，仍是今后长期努力的方向。
⑷、规格单一，绝大部分是黑皮圆钢，用户不得不另行改锻。品种规格多样化、产品精品化是今后需要尽快解决的问题之一。
⑸、尚待开发具有特殊性能的钢种，进一步完善钢种系列，如开发粉末冶金模具钢，补充完善塑料模具钢系列，建立陶瓷、耐火砖、地砖等成形模具用钢等。
⑹、产销渠道不畅通，用户甚至不知道从何处购买所需的新钢种。

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