隨著少無切削和精密成形技術(shù)在我國的快速發(fā)展，對模具材料的性能要求越來越高，一些五十年代以來長期沿用的老鋼種已不能完全滿足要求。為此，國內(nèi)一些大學(xué)、研究所、鋼廠和模具使用單位相繼開發(fā)了許多具有優(yōu)良性能的模具鋼，使國內(nèi)模具的使用壽命得到了很大提高，并使我國模具鋼的鋼種系列逐漸得到了補充和完善。 1． 冷作模具鋼的開發(fā)情況 對冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性，足夠的強度和韌性，高的疲勞壽命，良好的抗擦傷和咬合性能以及良好的工藝性能。九十年代以前，國內(nèi)常用的冷作模具鋼有：碳素工具鋼T1OA，合金工具鋼9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si；高速工具鋼 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2；軸承鋼GCr15；彈簧鋼60Si2Mn，滲碳鋼20Cr、12CrNi3A；不銹鋼3Crl3等。其中用量最大的是 C r12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和 W18Cr4V。為滿足生產(chǎn)要求，國內(nèi)先后研究開發(fā)了一系列新型冷作模具鋼。 1．1高強韌耐磨鋼 Cr12系列冷作模具鋼是較廣泛采用的鋼種系列，具有良好的淬透性和耐磨性，但共晶碳化物偏析較嚴(yán)重，韌性較差，淬火后異常變形較大。為彌補此類鋼的性能缺陷，國內(nèi)先后開發(fā)了一些高強韌耐磨鋼，如7 Cr7Mo2V2Si(代號 L D)、Cr8WmoV3Si(代號 ER5)、9 Cr6W3Mo2V2 (代號 GM)、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等。與 Cr12、Cr12MoV相比，此類鋼的碳和鉻的含量較低，改善了碳化物不均性，提高了韌性；適當(dāng)增加了 W、Mo、V等合金元素的含量，從而增強了二次硬化能力，提高了耐磨性。所以，此類鋼在具有良好的強韌性的同時，還有優(yōu)良的耐磨性和較好的綜合性能，主要用于制造承受應(yīng)力較大、要求高強韌性和耐磨損的各類冷作模具。 7Cr7Mo2V2Si，代號LD，最初是針對冷鐓模具而研制的。其碳含量低于 G．Steven推薦的"平衡碳"規(guī)律，使鋼在具有高硬度的同時，又具有較好的韌性；加入Cr、Mo、V元素，有利于二次硬化，保證鋼具有較高的硬度、強度和良好的耐磨性；加入一定量的 Si，以強化基體，提高回火穩(wěn)定性。LD鋼常用的熱處理工藝是1100～1150℃ 淬火，530～570℃ 回火，回火后硬度 HRC57～63。1100℃淬火后的組織為細針馬氏體十殘留奧氏體十剩余碳化物，晶粒度10.5級。 l100℃ 淬火、570℃回火后的組織為回火馬氏體十殘余碳化物。 LD鋼已被廣泛應(yīng)用于制造冷鍛、冷沖、冷壓、冷彎等承受沖擊、彎曲應(yīng)力較大，又要求耐磨損的各類冷作模具。 Cr8MoWV3Si，代號 ER5，在具有較高強韌性的同時，又具有突出好的耐磨性。該鋼在回火過程中彌散析出的特殊碳化物，是 ER5比 Crl2系鋼具有更高強韌性和耐磨性的重要原因。ER5鋼適用于制造承受沖擊力較大，沖擊速度較高的精密冷沖，重載冷沖以及要求高耐磨的其他冷作模具。 9Cr6W3Mo2V2，代號GM，也是以提高耐磨性為主要目的而研制的高耐磨冷作模具鋼。該鋼通過 Cr、 W、Mo、V等碳化物形成元素的合理配比，并根據(jù)"平衡碳"規(guī)律配碳，使鋼具有最佳的二次硬化能力及抗磨損能力，同時又保持了較高的強韌性和良好的冷熱加工性能，適用于制造沖裁、冷擠、冷鍛、冷剪、高強度螺栓滾絲輪等精密、高耐磨冷作模具。 1．2高速鋼基體鋼 高速鋼基體鋼具有相當(dāng)于正常淬火高速工具鋼的基本成份．并允許鋼中保留5％左右的過剩碳化物，另外再適當(dāng)增加或減少某些元素的含量。此類鋼有效地解決了高速鋼碳化物不均勻分布和韌性較差的問題，鋼的抗彎強度、韌性、塑性和疲勞抗力高于高速鋼，但耐磨性低于高速鋼，用于制造要求高強度和足夠韌性的冷擠壓、冷沖、冷鐓等模具。由于高速鋼基體鋼的紅硬性好，所以也用于制造熱作模具。國內(nèi)研制的高速鋼基體鋼有：65Cr4W3Mo2VNb（簡稱65Nb）、60Cr4Mo3Ni2WV（代號CG-2）、5Cr4Mo3SiMnVA1（代號O12A1）、65W8Cr4VTi（代號LMI）、65Cr5Mo3W2VSiTi（代號LMZ）等。 65Cr4W3Mo2VNb，其基體成份相當(dāng)于淬火后的W6Mo5Cr4V2鋼，但碳含量較一般基體鋼高，以增加碳化物量和提高耐磨性。加入0.2～0.35％ Nb，以提高鋼的強韌性和改善工藝性。65Nb用于制造冷擠壓、厚板冷沖、冷鐓等承受較大載荷的冷作模具，也可用于溫?zé)釘D壓模具。 1．3低合金冷作模具鋼 國內(nèi)開發(fā)的低合金冷作模具鋼中，有7CrSiMnMoV（代號CH）、 6CrMnNiMoVSi（代號GD）、 6CrMnNiMoVWSi（DS）、CrNiWMoV等。這些鋼的淬透性好，淬火溫度較低，熱處理變形小，價格低，具有較好的強度和韌性的配合，適用于制造精度復(fù)雜模具。 7CrSiMnMoV，代號CH，在820～1000℃淬火，可獲得HRC60以上的硬度，是一種空淬微變形鋼，可以火焰加熱空冷淬硬。該鋼的耐磨性盡管比Cr12MoV差，但比9Mn2V和T10A好；抗彎強度、抗壓強度和沖擊韌性都優(yōu)于Cr12MoV和9Mn2V；熱處理后的變形量和常用的Cr12MoV、Cr2Mn2SiWMoV、Cr4W2MoV等鋼相當(dāng)。 CH鋼具有良好的強韌性和良好的工藝性，可用于代替T10A、9Mn2V、CrWMn、GCr15、Cr12MoV等制造對強韌性要求較高的冷作模具，如沖孔凸模、中薄鋼板（2～5mm厚）的修邊落料模等。由于該鋼可以采用火焰加熱空冷淬硬，所以也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽車模具。 6CrMnNiMoVSi，代號GD，較CH鋼增加了0.85％左右的Ni，進一步強韌化了基體。該鋼的淬火溫度范圍較寬，淬透性好，也可火焰加熱空冷淬火，具有良好的強韌性。當(dāng)用于制造易崩及斷裂的冷沖模具時，模具壽命較高。 1． 4無磁高強度模具鋼 電子工業(yè)中的部分磁性元件需用無磁性的模具生產(chǎn)，7Mnl5Cr2A13V2WMo鋼的導(dǎo)磁系數(shù)很低，強度、耐磨性也良好，但切削加工比較困難。國內(nèi)開發(fā)的無磁模具鋼有18Mn12Crl8NiN（代號A18）、8Mnl5Cr18（代號WCG）、50Mnl8Cr4WN（簡稱 50Mn）等。其中50Mn具有低磁導(dǎo)率（μ＜1.1H／m），較高強度和良好的加工性能，經(jīng)1020～1070℃（水冷）固溶處理后，硬度HRC30左右。再經(jīng)過590℃士10℃時效，硬度上升至HRC35左右。 2．熱作模具鋼的開發(fā)情況 熱作模具大體分為熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模和沖裁模。5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V是熱作模具鋼中應(yīng)用量仍然較大的鋼種。5CrNiMo主要用于厚度300～400mm的大中型鍛模，5CrMnMo適用于厚度在250mm以下的小型鍛模。但當(dāng)用于更大截面或更高溫度時，這兩種鋼存在淬透性、熱穩(wěn)定性、熱疲勞性及耐磨性不夠的問題。3Cr2W8V的高溫強度較高，但鋼的熱疲勞性較差，韌性也不高，用于壓鑄模具和鋁、銅合金熱擠壓模具時，模具的使用壽命都較低。國內(nèi)在熱作模具方面先后開發(fā)了幾十種鋼。 2． l大截面熱鍛模具鋼 為彌補5CrMnMo和5CrNiMo在較大截面和較高溫度時熱穩(wěn)定性、熱疲勞性及淬透性不夠的缺陷，內(nèi)開發(fā)了45Cr2NiMoVSi（簡稱45Cr2）、5Cr2NiMoVSi（簡稱5Cr2）、3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi（代號B2） 等大截面熱鍛模具鋼。與5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2中既含有較高的Cr和Mo，又加入了少量的V，使 CCT曲線上的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)上移，低溫轉(zhuǎn)變區(qū)顯著右移，提高了鋼的淬透性。截面尺寸在500*500mm以下的模具經(jīng)970-990℃淬火，650～680℃回火后，硬度可達HRC36-44。45Cr2和5Cr2還具有二次硬化能力，它們的高溫強度較5CrNiMo鋼高50％，熱穩(wěn)定性高出100～150℃，沖擊韌性則相當(dāng)。另外，鋼的熱磨損性、熱疲勞性及抗熱裂紋擴展的能力也強于5CrNiMo。這二種鋼用于12000t以下機械壓力機模具及16t以下模鍛模具，模具的使用壽命是5CrNiMo鋼制造的同種模具壽命的數(shù)倍。 2．2中小熱鍛模具鋼 中小熱鍛模具的表面溫度可達600℃以上，5CrMnMo和5CrNiMo的高溫性能顯然不能滿足要求。3Cr2WSV鋼的高溫強度較高，但韌性及熱疲勞性能較差。為此，國內(nèi)較早開發(fā)了2Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2MnVB（代號ER8）等3％Cr-3％Mo和3％Cr-2％Mo型的中碳鉻系高強度熱作模具鋼，其中3Cr3Mo3VNb是根據(jù)形成合金碳化物所需的碳量對2Cr3Mo3VNb做進一步成份調(diào)整而來的。這二種鋼中加人了3％左右的Mo，既能提高鋼的淬透性和防止出現(xiàn)回火脆性，又能提高鋼的熱穩(wěn)定性。加人V和Nb則可起到細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性作用。因此，鋼的淬透性高，淬火加熱溫度范圍寬，過熱敏感性低，具有高溫強度高、熱穩(wěn)定性好、塑性韌性好、冷熱疲勞性能好、熱磨損性能好等優(yōu)點，用于制造不銹鋼（2Crl3）等熱鍛模，軸承凹模和輥鍛模，都取得了良好的使用效果。 4Cr3Mo3W4VNb，代號GR，除Cr、Mo、V和Nb外，又加入了4％W，所以鋼的高溫強度和熱穩(wěn)定性得到了進一步提高，是中碳鉻系熱作模具鋼中高溫強度較高，熱穩(wěn)定性較好的鋼種。該鋼還具有良好的冷熱疲勞性能，該鋼適用于制造工作溫度600-700C℃的淺型腔中小鍛模，也可用于銅合金熱擠壓模具。 除以上 30Cr-30Mo型熱作模具鋼外，國內(nèi)先后開發(fā)的5％Cr系中碳中合金熱作模具鋼已較大量用于熱鍛模具，如4Cr5MoVSi、 4Cr5MoV1Si等，其中4Cr5MoV1Si具有優(yōu)異的韌性和良好的冷熱疲勞性能，適用于制造工作溫度在600℃以下，對韌性和塑性要求較高的模具。如用4Cr5MoV1Si代替5CrNiMo、 5CrMnMo制造汽車連桿、曲軸鍛模，模具的使用壽命得到了明顯提高；用于制造鋁合金壓鑄模具和鋁型材擠壓模具，模具的使用壽命較高。另外，該鋼還可作塑料模具鋼使用。目前，4Cr5MoV1Si鋼的優(yōu)良性能已在國內(nèi)得到了廣泛認(rèn)可，應(yīng)用量已較大。許多大學(xué)、研究院所和鋼廠不惜花重金對該鋼做研究和生產(chǎn)質(zhì)量改進工作，并就此打出了自己的優(yōu)質(zhì)品牌。 2．3壓鑄模具鋼 在有色金屬壓鑄中，3Cr2W8V曾是應(yīng)用廣泛的模具鋼，5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2Mo等中碳低合金鋼也作為鋁鋅合金壓鑄模具鋼使用。3Cr2W8V的冷熱疲勞性能較差，模具的使用壽命不高。國內(nèi)為此先后開發(fā)了幾個新型模具鋼，如4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4）和4Cr5Mo2MnVSi（代號Y10）等。 4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4），最初就是針對銅合金壓鑄模具而研制的。該鋼通過合理的成份配比，使其在達到高的熱強性及熱穩(wěn)定性的同時，又保持了良好的韌性和塑性，抗冷熱疲勞性能明顯優(yōu)于3Cr2W8V，模具的使用壽命較3Cr2W8V制造的模具的使用壽命有明顯提高。該鋼也可用于制造熱擠壓和中小熱鍛模具。 4Cr5Mo2MnVSi（代號Y10），是針對鋁合金壓鑄模具而研制的，與3Cr2W8V鋼相比，該鋼具有抗冷熱疲勞性能好、熱處理變形小、抗鋁溶損性能好等優(yōu)點，模具的使用壽命普遍比3Cr2W8V鋼制造的模具的使用壽命提高一倍以上。該鋼還可用于制造工作溫度在600℃以下的中小熱鍛等模具。 2．4銅、鋁型材熱擠壓模具鋼 銅合金熱擠壓模的穿孔針、底模等長時與高溫銅坯接觸，模具的使用工況較苛刻。用3Cr2W8V或4Cr5MoV1Si鋼制作此類模具，模具的使用壽命一直較低。國內(nèi)曾試圖采用奧氏體熱作模具鋼來解決此類模具壽命低的問題，但因鋼的冷熱疲勞性能較差而仍未得到圓滿解決。在此背景下，國內(nèi)有關(guān)大學(xué)、研究院所和鋼廠先后推出了可以提高此類模具使用壽命的鋼種，如4Cr3Mo2NiVNbB（代號 HD）、4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4）等。HD鋼較一般中碳3％Cr～2％Mo或3％Cr～3％Mo型熱作模具鋼又增加了1％左右的 Ni，進一步提高了鋼的韌性和塑性。在相同硬度（HRC43）下，其斷裂韌性比3Cr2W8V鋼高30％。用HD鋼制造的銅合金管材擠壓底模和穿孔針的使用壽命較3Cr2W8V鋼提高一倍左右，并在軸承環(huán)熱擠沖頭和凹模、汽門擠壓底模上也有成功應(yīng)用的例子。用Y4鋼制造銅合金擠壓模底模和穿孔針頂頭，模具的使用壽命也比3Cr2W8V鋼制造的模具穩(wěn)定地提高一倍以上。 鋁型材熱擠壓模平模和組合模對韌性的要求較高，4Cr5MoV1Si是首選的模具材料，已被大量推廣應(yīng)用。 2．5高溫玻璃模具鋼 玻璃制品模具要求模具材料具有優(yōu)良的抗高溫氧化性能和冷熱疲勞性能，良好的耐芒硝腐蝕性能，足夠高的強度，良好的拋光性能，并要易于脫模。此類模具常用鑄鐵、合金鑄鐵或3Crl3不銹鋼制造，鋼的性能遠滿足不了實際需要。為此，國內(nèi)開發(fā)了代號為GY的高溫玻璃模具鋼。該鋼是Si-Cr-Mo系預(yù)硬鋼，具有良好的冷熱疲勞性能，優(yōu)異的抗氧化性能，優(yōu)良的抗熱觸性能和較高的玻璃粘附溫度。該鋼在預(yù)硬后（HRC35左右）加工，加工性能良好，尤其適用于制造玻璃熔化或成型溫度較高、表面質(zhì)量要求高的玻璃制品模具。 3．塑料模具鋼的開發(fā)情況 塑料模具鋼是國內(nèi)發(fā)展得較滯后，到目前為止仍未成完整系列的鋼種。在九十年代之前，國內(nèi)常用的塑料模具鋼仍然是0.4～0.6％碳的碳素結(jié)構(gòu)鋼，如45#和40Cr，另外再以T10A、Gcrl5、CrWMn、5CrNiMO、 5CrMnMo、Cr12、Crl2MoV等作補充。國內(nèi)先后開發(fā)了十余種新型塑料模具鋼。 3．l預(yù)硬化型塑料模具鋼 為避免大、中型精密塑料模具熱處理后變形，保證模具的精度和使用性能，相繼研制開發(fā)了預(yù)硬化型塑料模具鋼。此類鋼一般是中碳低合金鋼，在調(diào)質(zhì)（HRC3O-40）后切削加工成型，然后直接投入使用，主要用于制造復(fù)雜、精密和長壽命的大、中型塑料模具。 3Cr2Mo是國內(nèi)較早開發(fā)的塑料模具鋼，與AISIP20相當(dāng)，目前已在許多鋼廠生產(chǎn)。在使用時，一般先進行預(yù)硬處理，即先850～880℃淬火， 580～640℃回火，預(yù)硬至HRC28～35的硬度，然后再進行切削加工。該鋼適用于制造大、中型精密塑料模具，如電視機、洗衣機殼體等塑料模具，并已獲得較大量應(yīng)用。另外，也可用于制造鋅合金壓鑄模具。除3Cr2Mo外，國內(nèi)先后開發(fā)的5CrNiMnMoVSCa（簡稱5 NiSCa）、8Cr2MnWMoVS（簡稱8Cr2）、40CrMnVBSCa（簡稱P20BSCa）、Y55CrNiMnMoV（代號SM1）等是易切削型預(yù)硬塑料模具鋼，在這些鋼中加人了S、Ca、 Pb、Se等元素以改善預(yù)硬鋼的加工性能。如 5NiSCa鋼預(yù)硬硬度為HRC39時，磨削力比HRC25的40Cr的磨削力還小。此類鋼不僅適用于制造大、中型精密注塑模具，還可用于制造精密冷作模具。 3．2時效硬化型塑料模具鋼 根據(jù)制造高精度、復(fù)雜塑料模具的需要，國內(nèi)先后開發(fā)的幾種時效硬化型塑料模具鋼，如10Ni3MnCuAl（代號PMS）、25CrNi3MoAl、Y20CrNi3AlMnMo（代號SM2）、 06Ni6CrMoVTiAl（簡稱06）等。此類鋼一般含較低的碳，含Ni、Al、Ti、Cu、MO等合金元素，在固溶后硬度較低（一般HRC ≤ 32），可以被較容易地切削加工，加工后再時效處理，以獲得所需要的使用性能。由于時效溫度低，時效后模具變形很小，所以適用于制造高精度、復(fù)雜的熱塑性模具。 10Ni3MnCuAl，代號PMS，經(jīng)850士 20℃固溶后，硬度為 HRC30～33。經(jīng) 500℃左右時效后，彌散析出硬化相Al3Ni，基體硬度隨之上升至HRC38～43。該鋼具有優(yōu)良鏡面加工性能，模具表面粗糙度可達Ra0.05μm，適用于制造要求高鏡面、高精度的各種熱塑性塑料制品模具，如光學(xué)儀器：鏡片模具，磁帶內(nèi)外殼和電話機、石英鐘、車輛燈具等塑料殼體模具。 Y20CrNi3AlMnMo，代號M2，含0.1％左右的S，切削加工性能得到了改善，是一種易切削型號時效硬化塑料模具鋼。 3．3耐蝕塑料模具鋼 當(dāng)較大批量地生產(chǎn)聚氯乙稀、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品時，模具需耐氟、氯等鹵族元素氣體的腐蝕，為此需在模具表面鍍鉻或直接采用耐腐蝕鋼。 國內(nèi)開發(fā)的耐腐蝕塑料模具鋼OCrl6Ni4Cu3Nb（代號PCR）屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，在1050℃固溶（空冷）后得到單一的板條馬氏體組織，硬度為HRC32～35，經(jīng)480℃左右時效后，析出彌散強化相CuNi，硬度上升到HRC39～44。該鋼在含有氟、氯等離子的腐蝕性介質(zhì)中的耐蝕性明顯優(yōu)于17一4PH（OCrl7Ni4Cu4），適用于制造含氯、氟或混入阻燃劑的熱塑性塑料的注射模具。 3．4非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼 非調(diào)質(zhì)鋼在鍛、軋后即可達到預(yù)硬，不需再進行調(diào)質(zhì)處理。為改善切削加工性能，有些鋼中還添加了適量的 P、S和 Ca。國內(nèi)對非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼的開發(fā)較晚，25CrMnVTiSCaRE（代號FT）、2Cr2MnMoVS和2Mn2CrVCaS即是近幾年開發(fā)的新鋼種。鍛、軋空冷后，F(xiàn)T鋼Φ100mm圓鋼的硬度可以達到HRC30～35。 4．國內(nèi)模具鋼開發(fā)與應(yīng)用中存在或需要解決的主要問題 目前，我國模具新鋼種的推廣應(yīng)用工作還存一些需要解決的問題： （l）缺乏有關(guān)指導(dǎo)性強、實用的技術(shù)資料，給用戶合理選擇和使用新鋼種帶來了困難。 （2）除4Cr5MoV1Si、3Cr2Mo等個別鋼種已獲較大量應(yīng)用外，一些性能優(yōu)良的鋼種的生產(chǎn)和應(yīng)用量仍太少。 （3）鋼的質(zhì)量不夠穩(wěn)定。直接影響了鋼的性能的發(fā)揮和新鋼種的推廣應(yīng)用。不斷提高鋼的純凈度、致密度、均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性，仍是今后長期努力的方向。 （4）規(guī)格單一，絕大部分是黑皮圓鋼，用戶不得不另行改鍛。品種規(guī)格多樣化、產(chǎn)品精品化是今后需要盡快解決的問題之一。 （5）尚待開發(fā)具有特殊性能的鋼種，進一步完善鋼種系列，如開發(fā)粉末冶金模具鋼，補充完善塑料模具鋼系列，建立陶瓷、耐火磚、地磚等成形模具用鋼等。 （6）產(chǎn)銷渠道不暢通，用戶甚至不知道從何處購買所需的新鋼種