我国模具材料与模具热处理的研究进展

    据中国钢铁新闻网2007年7月4日报道：五十年代，我国模具用钢全部因袭国外钢号。进入六十年代，为了节约原材料和提高毛坯精度，少无切削工艺和精密成形技术有了迅速的发展，为了提高生产效率，采用了许多高效压力加工设备，锻锤逐渐被压力机替代。原用模具钢的性能常不能满足服役条件对性能的高要求，影响了模具的使用寿命和压力加工新工艺新设备的推广应用。七十年代末，精密及大型工程塑料制品的使用日益广泛，对塑料模具用钢的需求量急剧增加，对塑料模具钢的性能也提出了新的要求，而我国当时尚无塑料模具专用钢。

六十年代以来，在国家有关部委的支持下，中国科技工作者结合国情，开发出不少新模具钢，其中一些使用性能优异、工艺性能也比较好的新钢种受到模具制造和使用单位的欢迎。在此期间也引进了一些国外通用的钢号，其中有些钢号通过生产试用，取得良好的效果。对一些使用效果较好的冷作模具钢和热作模具钢，有关部门还分别组织了性能对比试验研究，提出了选择和应用的建议。为满足高耐磨、长寿命模具的需要，五十年代末，我国硬质合金有了迅速的发展，同时也开发了多种钢结硬质合金，用做模具取得良好的效果。

本文分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、硬质合金和钢结硬质合金、模具热处理、展望和建议六部份论述。

冷作模具钢

目前我国常用的冷作模具钢仍是低合金工具钢crwmn和高碳高铬工具钢cr12mov及cr12这些老的钢号。crwmn钢有适当的淬透性和耐磨性，热处理变形小，但crwmn钢锻后需较严格地控制冷速，并采用适当的热处理，使碳化物呈均匀细小的粒状，分布于基体上，否则易形成网状碳化物，导致模具在使用中的崩刃和开裂。高碳高铬工具钢有高的耐磨性，但其碳化物偏析较严重，导致变形的方向性和强韧性的降低。通过反复镦拨可在一定程度上改善其偏析程度。

1981年，我国引入国际通用的高碳高铬工具钢d2(cr12mo1v1)。和cr12mov钢相比，d2钢的碳化物偏析较之cr12mov略有改善，强度与韧性稍有提高，d2钢制作的模具，其使用寿命亦有不同程度的提高。高速钢（主要是w6mo5cr4v2和w18cr4v）有更高的耐磨性和强度，常用于制作模具，但其韧性不能满足复杂大型和受冲击负荷大的模具的需要。

为了改善这类钢的强韧性，我国开发了一些新的冷作模具钢，如：

1 低合金冷作模具钢

这类钢的主要特点是工艺性好，淬火温度低，热处理变形小，强韧性好，并具有适当的耐磨性。如gd(6crmnnimovsi)、7crsimnmov（简称ch）、ds钢等。gd钢用于制作易崩刃、断裂的冷冲模具有高的使用寿命。ch钢的成分与日本的sx105v钢相同，是一种火焰淬火钢，常用于制做汽车等生产线上用的模具零件，火焰淬火时加热模具刃口切料面，硬化层下又有一个高韧性的基体做衬垫，从而使模具获得较高的使用寿命。ds钢是一种冲击冷作模具钢，其冲击韧性显著优于常用的高韧性刀片用工具钢6crw2si。

2 基体钢

基体钢一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢。美国、日本在七十年代初即研究过牌号为vasco ma、vasco matrix i和mod2的基体钢，相当于m2和m36高速钢的基体，但未得到广泛的使用。我国研制了一些基体钢，如65cr4w3mo2vnb（简称65nb）、65w8cr4vti（简称lm1）65cr5mo3w2vsiti（简称lm2）钢等。 这些基体钢的主要特点是其含碳量稍高于基体的含碳量，以增加一次碳化物量和提高耐磨性，还加入少量的强碳化物形成元素铌或钛，以形成比较稳定的碳化物，阻止淬火加热时晶粒的长大并改善钢的工艺性能。这类基体钢已较广泛地用于制作冷挤压、厚板冷冲、冷镦等模具，特别适于难变形材料用的大型复杂模具，还可用做黑色金属的温热挤压模具。

3 韧性较高的耐磨冷作模具钢

为了改善cr12型冷作模具钢的碳化物偏析，提高其韧性，并进一步增加钢的耐磨性，我国做了大量的研究工作，开发出不少新的钢种，如 ld、er5和gm钢等。在这些钢中，适当降低了铬含量以改善碳化物偏析，增加钨、钼和钒的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性。与cr12型冷作模具钢比较，这类钢的碳化物偏析有所改善，有较高的韧性。这类钢比cr12型冷作模具钢有更好的耐磨性，因而制做的模具有更高的寿命，更适于高速冲床和多工位冲床的使用。

热作模具钢

我国常用的热作模具钢为5crmnmo、5crnimo和3cr2w8v钢。

5crnimo钢主要用做大中型锻模。但其淬透性不够高，回火稳定性也不高，其性能不能满足大截面锻模对性能的要求。3cr2w8v钢广泛用做黑色和有色金属热挤压模和cu、al合金的压铸模。这种钢的热稳定性高，使用温度达650℃，但钨系热作模具钢的导热性低、冷热疲劳性差。

我国在八十年代初引进国外通用的铬系热作模具钢h13 (4cr5mosiv1)，h13钢有良好的冷热疲劳性，在使用温度不超过600℃时，代替3cr2w8v钢，模具寿命有大幅度提高，因此h13钢迅速得到推广应用，其产量已超过3cr2w8v钢。

为适应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热稳定性方面更高的要求，我国研制了不少的新热作模具钢，主要有：

1 热锻模具钢

国内在八十年代，针对5crnimo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的需要和使用温度不超过500℃的问题，对国内外用钢做过大量的分析对比和研究。研究工作表明，国外同类钢5crnimov中的cr、ni、mo含量均高于国产5crnimo钢，并含有少量的v，因而其淬透性和回火稳定性均高于国产5crnimo钢，并建议选用5crnimov钢，用于制做大型、复杂的重载荷锤锻模。

国内还开发了大截面热锻模具钢5cr2nimovsi和45cr2nimovsi钢，已获得较广泛的应用。与5crnimo钢相比，这些钢中的碳含量稍低，提高了cr和mo的含量并加入适当的v和si，因之有高的淬透性和热稳定性。45cr2nimovsi钢中的碳和硅，较之5cr2nimovsi钢，稍有降低，更适宜于做锤锻模。这种钢用于制造4000t以上机械压力机锻模和3t以上锻锤模，使用寿命较5crnimo和5crnimov提高0.5~1.5倍。3cr2mowvni钢也是我国开发的一种热锻模用钢，有高的使用寿命。

2 热挤压用模具钢

h13已是国内外广泛使用的热作模具钢，在使用温度不超过600?c时，有良好的冷热疲劳性能，用做热挤压模和铝合金压铸模，有比较高的使用寿命。但h13钢有较大的尺寸效应， 国外采用炉外精练、高温扩散退火、等向锻造等工艺，以改善其尺寸效应，减小cr和mo的成分偏析，国内多采用电渣重熔等工艺。

我国研制了许多强韧性好、热稳定性高的热挤压用热作模具钢。一些钢是在国外钼系3cr3mo3v钢和铬系h13钢的基础上发展起来，并在合金化方面有一定特色，如hmi(3cr3mo3w2v)、 tm(4cr3mo2wmnvnb) 、y4(4cr3mo2mnvb)、y10(4cr5mo2siv1)、hd2(4cr3mo2vninbb)、012al(5cr4mo3simnval) 等钢。这些钢在保持较好的强韧性条件下，具有高的其热稳定性，分别用于制做热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等，有良好的使用效果。

我国有关部门曾组织一些研究单位和使用单位，选择了27种国内外应用和新研制成功的热作模具钢，对其基本力学性能、工艺性能和使用性能进行测试和对比，并提出了各类热作模具的选材准则。

塑料模具钢

塑料成形用模具产值已在模具工业总产值中占首位。中国过去无专用塑料模具用钢。近年在引进国外塑料模具用钢的同时，自行研制和开发出一些新的塑料模具专用钢。

1 预硬型塑料模具钢

这类钢在钢厂经过充分锻打后制成模块，预先热处理至要求的硬度（一般预硬至30~35rhc）后，供使用单位制模。 p20（即3cr2mo）是国外使用Zui广泛的预硬塑料模具钢，已列入我国合金工具钢标准，八十年代以来已在我国一些工厂广泛采用。718是瑞典生产的改型p20钢，较p20有更高的淬透性，调质后可在大截面尺寸保持硬度均匀一致，亦在我国得到较广泛地使用。

2 易切削预硬钢

为了改善预硬塑料模具钢的被切削性能，可加入易切削元素。美国、日本、德国都发展了一些易切削预硬钢。国外易切削预硬钢主要是s系，也有s-se系、ca系。但se价格较贵。s系易切削钢的各向异性较大，在截面增大时，硫化物的偏析比较严重。

我国研制了一些含硫易切削预硬塑料模具钢，如8cr2mnwmovs（8cr2s）和s-ca复合易切削塑料模具钢5crnimnmovsca（5nisca）。 5nisca钢采用了s-ca复合易切削系和喷射冶金技术，改善了硫化物的形态、分布和钢的各向异性,在大截面中硫化物的分布仍比较均匀。5nisca钢有高的淬透性和镜面抛光性，模具硬度为35~45hrc时，可顺利进行各种加工。

3 非调质塑料模具钢

这种钢不经调度处理，锻、轧后可达到预硬硬度，有利于节约能源、降低成本、缩短生产周期。我国开发的这类钢有：中碳锰硼系空冷贝氏体钢、可用于制作塑料模和橡胶模；非调质塑料模具钢2mn2crvtiscare(ft),钢中加入s、ca、re做为易切削元素，比s-ca复合系易切削钢有更好的切削性能；低碳mnmovb系非调质贝氏体型大截面塑料模具钢（b30），钢中加入s、ca作为易切削元素，工业试生产表明400mm厚板坯热轧后空冷，硬度沿截面分布较均匀。

4 时效硬化钢

我国开发了几种低镍时效硬化钢，这些钢经调质后进行机械加工，再经时效，通过析出金属间化合物提高硬度，热处理后变形很小。时效硬化钢适于制作高精度塑料模具、透明塑料用模具等。

这类钢有25crni3moal、10ni3mn2alcu（pms）和06ni6crmovtial等钢。这些钢经调质后，硬度为20~30hrc，可进行机械加工，再经时效，硬度可达38~42hrc、。

5 耐蚀塑料模具钢

塑料制品在以化学性腐蚀塑料为原料时，模具需具有防腐蚀性能，一般采用耐蚀钢制造模具，此时还要求有较好的耐磨性。常用的钢种为4cr13(420)、9cr18、17-4ph。pcr(0cr16ni4cu3nb)是我国开发的一种耐蚀塑料模具钢，有较好的综合力学性能良好的抗蚀性。

硬质合金和钢结硬质合金

硬质合金是用粉末冶金方法制造的一类复合材料。硬质合金的硬度很高、耐磨性好，有高的弹性模量和高的使用工作温度。用于制作某些模具，模具使用寿命可提高数倍、数十倍以上。但硬质合金较脆，抗弯强度和韧性较差，且不能进行机械加工。硬质合金作为模具材料，主要用于拉丝模具、受冲击力不大的冷挤和冷冲模具等。目前,我国已可生产各类牌号的硬质合金，基本上可以满足的需要。

为了满足制造集成电路板钻孔用的微型钻头、计算机用的点阵打印针、精密工模具等的需要，近年来，各国都研制出一些微晶（wc晶粒小于1微米）和超细晶粒硬质合金（wc晶粒小于0.6微米）,传统的硬质合金中，wc晶粒尺寸为1.3～1.5微米。超细晶粒硬质合金弥补了常规硬质合金的许多不足，扩大了其应用范围，在制造耐磨耐冲击工模等方面取得了良好的效果。我国一些研究单位和硬质合金厂已研制出多种牌号的微晶硬质合金和超细晶粒硬质合金。开发高性能超细晶粒硬质合金目前仍是硬质合金研究的热点。

钢结硬质合金是以碳化物为硬质相，钢作粘接相形成的复合材料。钢结硬质合金有良好的耐磨性，其强度和韧性一般高于硬质合金，并具有可热处理性、可切削加工性、可锻性和可焊性这样一些工艺性能。模具是钢结硬质合金的主要应用领域。我国于60年代开始研制这种材料，已研制成多种牌号的钢结硬质合金，用作模具的钢结硬质合金，硬质相主要用