一、模具钢的简介
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本、而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响
二、模具钢的分类
模具钢大致可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。
冷作模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具钢，用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳合金钢，碳质量分数在0.80%以上，铬是这类钢的重要合金元素，其质量分数通常不大于5%。但对于一些耐磨性要求很高，淬火后变形很小模具用钢，最高铬质量分数可达13%，并且为了形成大量碳化物，钢中碳质量分数也很高，最高可达2.0%~2.3%。冷作模具钢的碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常用的钢类有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。
热作模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型，包括热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。这类钢一般属于中碳合金钢，碳质量分数在0.30%~0.60%，属于亚共析钢，也有一部分钢由于加入较多的合金元素（如钨、钼、钒等）而成为共析或过共析钢。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。
塑料模具包括热塑性塑料模具和热固性塑料模具。
三、模具钢的性能要求
3.1强度性能
3.11硬度:硬度是模具钢的主要技术指标，模具在高应力的作用下欲保持其形状尺寸不变，必须具有足够高的硬度。冷作模具钢在室温条件下一般硬度保持在hrc60左右，热作模具钢根据其工作条件，一般要求保持在hrc40~55范围。
3.12红硬性:在高温状态下工作的热作模具，要求保持其组织和性能的稳定，从而保持足够高的硬度，这种性能称为红硬性。碳素工具钢、低合金工具钢通常能在180~250℃的温度范围内保持这种性能，铬钼热作模具钢一般在550~600℃的温度范围内保持这种性能。钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理工艺。
3.13抗压屈服强度和抗压弯曲强度:模具在使用过程中经常受到强度较高的压力和弯曲的作用，因此要求模具材料应具有一定的抗压强度和抗弯强度。
3.2韧性
在工作过程中，模具承受着冲击载荷，为了减少在使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏，要求模具钢具有一定的韧性。
模具钢的化学成分，晶粒度，纯净度，碳化物和夹杂物等的数量、形貌、尺寸大小及分布情况，以及模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素都对钢的韧性带来很大的影响。特别是钢的纯净度和热加工变形情况对于其横向韧性的影响更为明显。
3.3耐磨性
决定模具使用寿命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨损主要是机械磨损、氧化磨损和熔融磨损三种类型。为了改善模具钢的耐磨性，就要既保持模具钢具有高的硬度，又要保证钢中碳化物或其他硬化相的组成、形貌和分布比较合理。
3.4 抗热疲劳能力
热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外，还受到高温及周期性的急冷急热的作用，因此，评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标，它包括热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。
热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命，抗热疲劳性能高的材料，萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多；机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后，在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时，每一应力循环的扩展量；断裂韧性反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的材料，其中的裂纹如要发生失稳扩展，必须在裂纹尖端具有足够高的应力强度因子，也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下，在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹，如果模具材料的断裂韧性值较高，则裂纹必须扩展得更深，才能发生失稳扩展。
3.5咬合抗力
咬合抗力实际就是发生“冷焊”时的抵抗力。该性能对于模具材料较为重要。试验时通常在干摩擦条件下，把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料（如奥氏体钢）进行恒速对偶摩擦运动，以一定的速度逐渐增大载荷，此时，转矩也相应增大，该载荷称为“咬合临界载荷”，临界载荷愈高，标志着咬合抗力愈强。
四、模具钢的开发与应用
4.1 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t1oa，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、12crni3a；不锈钢3crl3等。其中用量最大的是 c r12、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。
4.11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7 cr7mo2v2si(代号 l d)、cr8wmov3si(代号 er5)、9 cr6w3mo2v2 (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。
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。
4.12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。国内研制的高速钢基体钢有：65cr4w3mo2vnb（简称65nb）、60cr4mo3ni2wv（代号cg-2）、5cr4mo3simnva1（代号o12a1）、65w8cr4vti（代号lmi）、65cr5mo3w2vsiti（代号lmz）等。
4.13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）、 6crmnnimovsi（代号gd）、 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。
6crmnnimovsi，代号gd，较ch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。
4.14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，7mnl5cr2a13v2wmo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18mn12crl8nin（代号a18）、8mnl5cr18（代号wcg）、50mnl8cr4wn（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℃士10℃时效，硬度上升至hrc35左右。
4.2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。
4.21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。
4.22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。
4cr3mo3w4vnb，代号gr，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。
4.23 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。
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