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国内外模具钢发展趋势及使用现状分析
国内外模具钢发展趋势及使用现状分析
概述
      随着机械制造业的发展，模具工业得到了迅速发展，推动了模具钢的发展。模具工业的高要求，对模具材料的性能和使用寿命等提出了更高的要求。因此世界各国的模具钢生产企业及研发机构，不断开发模具钢新材料和采用新的生产技术，以适应模具工业的发展。世界各国的工具，钢生产标准中，如美国的ASTMA681、日本的JIS4404、英国的BS4659、前苏联的ΓOCT5950，德国的DIN17350和中国的GB1299等，未把模具钢作为单独系列而列入合金钢中，但随着模具钢的迅速发展，各国的模具钢的主要生产厂，都形成了自己的模具钢标准系列。
   世界上习惯把模具钢按用途归为三大类（按照模具材料使用的条件）：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。下面按塑料模具钢、热作模具钢、冷作模具钢来介绍模具钢品种的发展。
     1、冷作模具钢                    国内外模具钢发展趋势及使用现状分析
     冷作模具钢主要用于冲压、下料、成型、弯曲、冷挤压、冷拉、粉末冶金模具等，要求具有高硬度、高耐磨性和足够的韧性。一般分为，通用型和特殊型两大类。如美国通用型的冷作模具钢通常包括01，A2，D2，D3这4个钢种，各国通用型的冷作合金模具钢钢号对照，见表4。日本JIS标准中能用作冷作模具钢的主要有SK系，包括SK系碳素工具钢，合金工具钢SKD系8个，SKHMO系高速钢9个，共24个钢号。我国GB/T1299-2000合金工具钢标准**纳入11个钢种，形成较完善的系列。
   随着加工技术、被加工材料及对模具需求的变化，原有的基本系列不能满足需要，日本钢厂以及欧洲主要的工模具钢生产厂开发出特殊用途的冷作模具钢，并逐渐形成了各自的冷作模具钢系列，这些冷作模具钢的开发，也是冷作模具钢的发展方向。
      1.1低合金空淬冷作模具钢  
     随着热处理技术的发展，特别是真空淬火技术在模具行业的广泛应用，为了减小淬火变形，国内外开发了一些低合金空淬微变形钢，该类钢要求具有良好的淬透性，热处理变形小，强韧性好，并且有一定的耐磨性能。而标准的高合金冷作模具钢（如D2、A2）虽然淬透性好，但合金含量高，成本昂贵。因此，国内外开发了一些低合金微变形钢，该类钢一般含有提高淬透性的合金元素Cr，Mn合金元素，合金元素的总含量一般<5%，适用于制造生产批量不大的精密复杂模具。具有代表性的钢种美国的A6，日立金属公司的ACD37，大同特殊钢公司的G04，爱知制钢公司的AKS3等。我国GD钢，经900℃淬火和200℃回火后，能保持一定量的残余奥氏体，具有较好的强韧性和尺寸稳定性，可用于制作易崩刃断裂的冷冲模具，有较高的使用寿命。
       1.2火焰淬火模具钢
     为了缩短模具制造周期，简化热处理工艺，节约能源，降低模具的制造成本。日本发展了一些火焰淬火要：求的专用冷作模具钢。比较典型的如爱知制钢的SX105V（7CrSiMnMoV）、SX4（Cr8），日立金属的HMD5，HMD1，大同特殊钢公司的G05钢等，我国研制开发了7Cr7SiMnMoV。这类钢可以在模具加工完后，采用氧乙炔喷枪或其他加热器，对模具的刃部或其它部分进行加热后空冷淬火，一般淬火后可以直接使用。由于工艺简单，在日本获得广泛使用。该类钢代表性的钢种是7CrSiMnMoV，具有良好的淬透性，在φ80mm的钢材经油淬火时距表面30mm处的硬度可达到60HRC，心部与表面硬度差值为3HRC，火焰淬火时，经180~200℃预热，用喷枪加热至900-1000℃淬火，硬度可达到60HRC以上，可得到1.5mm以上的淬硬层。    
       1.3高韧性、高耐磨性冷作模具钢
     为了提高冷作模具钢的韧性并使钢的耐磨性降低不是很多，国外一些模具钢生产的主要企业，相继开发了一系列的高韧性、高耐磨性兼备的冷作模具钢。这类钢一般含碳量约为1％，含Cr8%，加入Mo、V、Si等合金元素，其碳化物细小、分布均匀、韧性远高于Cr12类型钢，而耐磨性则与之相近。它们的硬度、抗弯强度、疲劳强度和断裂韧性高，抗回火稳定性也高于Crl2型模具钢，适合于高速冲床和多工位冲床。70年代，美国钒合金公司首先开发出VascoDie（8Cr8Mo2V2Si），该类钢发展较快，美国CRUCIBLE公司开发的CRU-WEAR钢、Timken的Lescowear，BOHLER的K340钢、日本山阳特殊钢的QCM8，大同特钢的DC53、爱知制钢公司的SX5（Cr8MoV），TCD等钢。我国也研制开发了LD钢、GM钢，ER5钢等。该类钢代表性的钢种是低V含量日本的DC53和高V含量的CRU-WEAR，DC53经1020-1040℃淬火，空冷后硬度可达到62-63HRC，一般使用可在低温回火（180~200℃）和高温回火（500~550℃）使用，其韧性可比D2高1倍，疲劳性能比D2高20%;CRU-WEAR锻轧后，退火经850-870℃奥氏体化，小于30℃/小时冷却到650℃出炉，硬度可达到225-255HB，可在1020~1120℃范围选择淬火温度，硬度可达到63HRC，根据使用条件在480~570℃回火，具有明显的二次硬化效应，耐磨性、韧性优于D2。
      1.4基体钢
     高速钢以其优良的耐磨性和红硬性，国外已经广泛地用于制造高性能、高寿命的冷作模具，如日本通用标准的高速钢SKH51(W6Mo5Cr4V2）等。为了适应模具的要求，往往通过降低淬火温度、淬火硬度或降低高速钢中的含碳量，以提高其韧性。
     基体钢是从高速钢发展而来的，其化学成分相当于高速钢淬火后的基体成分。所以淬火后的残余碳化物数量少，分布均匀，使钢的韧性较高速钢有很大的改善。美国和日本在70年代初研究过牌号为VascoMA，VascoMatrix1和MOD2的基体钢。*近研制，开发了DRM1、DRM2，DRM3等。一般用于要求韧性较高而抗回火稳定性较好的冷作模具。我国也研制一些基体钢，如65Nb(65Cr4W3Mo2VNb）、65W8Cr4VTi、65Cr5Mo3W2VSiTi等钢。该类钢具有良好的强韧性，广泛制作冷挤压、厚板冷冲、滚丝轮、压印模、冷镦模等，和可用做温挤压模具。
       1.5粉末冶金模具钢
    常规工艺生产的莱氏体型高合金冷作模具钢，特别是大截面材，共晶碳化物粗大，分布不均匀，严重地降低了钢的韧性、磨削性和等向性。
      近些年来，国外工模具钢生产的主要特钢企业都集中力量开发了一系列的粉末冶金高速钢和高合金模具钢，使该类钢得到迅速发展。粉末冶金生产工模具钢已经成为国外的重点发展方向，美国CRUCIBLE厂已具备年产12000吨的生产能力，奥地利BOHLER厂仅2002年生产粉末工具钢（主要是高速钢和冷作模具钢）1800吨。采用粉末冶金工艺由于雾化钢粉冷速快，形成的碳化物细小均匀，显著地提高了模具材料的韧性、可磨削性和等向性。由于这种特殊的工艺生产，碳化物的细小均匀，可加工性和磨削性能的改善，可使钢中添加更高的碳含量和钒含量，从而发展了一系列的新钢种。如日本大同的DEX系列(DEX40，DEX60，DEX80等），日立金属的HAP系列，不二越的FAX系列，UDDEHOLM的VANADIS系列，法国Erasteel的ASP系列，美国CRUCIBLE公司的粉末冶金工模具钢发展较快，形成CPMlV，CPM3V，CPMlOV，CPM15V等一系列的粉末冶金钢，其耐磨性和韧性比普通工艺制造的工模具钢有明显提高。
      2、热作模具钢                       国内外模具钢发展趋势及使用现状分析
       热作模具钢主要用于热锻模具、压铸模具、热挤压模具、超塑成型等温锻造模具等。要求热作模具钢在工作温度下具有较高的强韧性、耐磨性、高温硬度、抗冷热疲劳性能、抗氧化性和耐蚀性。美国标准中通用型热作模具钢主要有4个钢号，即：L6，H10、H21、H13。
     热作模具钢是在高温条件下使用，一般在500-700℃之间工作，而且在压铸时与液态金属相接触，使用条件比塑料模具和冷作模具更苛刻。近些年来，国外生产模具钢的主导企业十分重视热作模具钢的开发。我国产常用的热作模具钢有四个品种，主要是5CrNiMo，5CrMnMo，H13，3Cr2W8V。
　　2.1高淬透性锻模用钢
     该类钢一般为中碳（0.3-0.6%）低合金钢，5CrMnMo、5CrNiMn是通用型的热锻模模具用钢。但由于合金元素含量较低，淬透性较差，热稳定性也不高，并且钢中不含V，晶粒容易粗大，模具的使用寿命低。为了适应大截面锻锤和锻造压力机的要求，需要较高淬透性和回火稳定性的锻模钢，各国均开发了新钢种。如前苏联的4xM2φЧ、5X2MHV，UDDEHGLMToughteM钢，日本大同特殊钢的GF78，三菱制钢开发的HD14（5CrNiMoV），高周波钢业公司开发的KTVN（5CrNi3MoV）等。西方国家常用的是55NiCrMoV6。80年代以后，我国研制了类似的钢号5CrNiMoV钢，提高了5Cr-Nilllo钢中的Cr，Ni，Mo的含量，并添加V，显著提高了钢的淬透性、淬硬性、高温强度和抗回火稳定性，400mmx400mm截面可以完全淬透，淬火后表面与心部硬度都保持在56-60HRC，而同一尺寸的5CrNiMo的心部硬度只有32-41HRC：5CrNiMoV钢的模块淬火经600℃回火，硬度可以保持在41.5-44HRC，5CrNiMo的淬火模块，经500℃回火2小时，硬度只有32-35HRC，抗回火稳定性比5Cr-NiMo高100℃，使用寿命显著高于5CrNiMo.5Cr2NiMoVSi钢与5CrNiMo相比，由于具有更高的合金元素的含量，因此，具有更高的淬透性，其截面500mmx500mm的模块可以淬透，并且具有二次硬化效应，热稳定性比5CrNiMo更高，适合制造大型锻模。
       2.2高强韧性热作模具钢
      该类热作模具钢的使用量大、面广，典型的钢种是美国AISIH13钢。近些年来，国外主要的模具钢生产厂开发了大量的新钢种。如瑞典UDDEHOLM的QR090SUPEREME，HOTVAR，*近又研究了低Si上等热作模具钢DIEVAR，提高了高温强度、回火稳定性和韧性、抗热裂性等。美国的CARPENTER工艺公司开发了Extendo-Die，提高了H13钢中的Cr;Mo含量，从而提高了模具的使用寿命。美国的CRUCIBLE公司开发了CRU161，WR95等新钢种。德国TEW通过调整X40CrMoV51钢的C，Cr，Mo，V含量，推出了X35CrMoV511。日本的大同特殊钢公司的DH21等新钢种。另外，为了提高钢的红硬性和回火稳定性，在钢中增加一定量的Co，如美国的H19，英国的BH10A，日本的MCZ，WDK，大同特殊钢的DH41DH71，日立金属的YHD45等。
      为了满足高负荷、长寿命的锻造压力机用锻模的要求，发展了沉淀硬化型热作模具钢，这类钢一般含碳量较低（<0.3%），加入一定量的沉淀硬化元素Ni，Mo，Al等。模具热处理工艺采用淬火和较低温度回火（<500℃），得到高韧性的板条马氏体组织，在模具使用过程中，型腔表面与高温工件接触而升温到550℃左右，由于金属间化合物和碳化物的弥散析出而增加硬度5-8HRC。典型的钢种如：日立金属的YHD26，大同特殊钢的DH67（3Ni3Mo3V）等。
      2.3高温热作模具钢
     当工作温度≥700℃时，一般的模具钢的强度急剧下降，为了满足工作温度≥700℃时的模具要求，国外发展了一些新型的热作模具材料。对700~800℃的模具，发展了CrMn系和NiCrMn系高温模具钢，如日立金属的5Mn15CrlOV2，大同特殊钢的5Mn18NNi8Cr，8Mo2V2钢等。在800℃下抗拉强度可大于600MPa。但该类钢导热性较差，热膨胀系数大，热疲劳性能差。7Mn15Cr2Al3V2WMo钢是我国研制的无磁钢，应用较多，一般固溶温度为1170~1180℃。固溶处理后的组织为奥氏体和少量的碳化物，固溶处理后硬度为20-22HRC左右。常用的时效温度一般为650-700℃，时效后的硬度可以达到47HRC左右，可用于高温热作模具、磁性材料的压制成型用模具，具有较高的耐磨性。
   当工作温度>800℃时，一般用Fe基或Ni基高温合金制造。*近由于超塑恒温成型工艺的发展，有些高温合金的超塑性的温度高达1100℃。日立金属公司开发一种叫“Nimowal”的Ni基合金。表13中列出了一些奥氏体热作模具钢的化学成分。
       2.4马氏体时效钢
     通过马氏体的强化机制可在750℃的高温下，保持相当的红硬性，其特点是在微量的碳加18~25%Ni，在添加AI，Ti，Co，Mo等元素。美国Lokomo公司和CRUCIBLE公司开发的该类钢与18Ni相近。Thy-r-othrm2799是一种新型的马氏体时效钢（Ni12Mo8Co8Ti），具有较高的热稳定性，BOHLER的W700也属此类。
   此外，还有高温耐蚀模具钢、如大同特殊钢开发的DH42，日立金属开发的YHD45等；粉末冶金耐热模具钢，如德国的X40Cr-MoV51，X5NiCrTi2625，美国VASCO的MA等。 
      3、塑料模具钢                     国内外模具钢发展趋势及使用现状分析
      随着塑料应用范围的扩大及种类的增加，塑料制品的多样化和模具加工技术的快速发展，对塑料模具的质量也要求更高，塑料模具钢的品种也在扩大，质量水平也在不断的提高，用量占模具钢的总量的50%以上，2004年我国塑料模具钢的产量已达到31.4万吨。因此，在模具钢中占有十分重要的地位。日本的塑料模具钢，无论在产量还是质量水平，占有**地位。日本的主要模具钢生产企业都有本企业的塑料模具钢的钢种系列。如日立金属公司的塑料模具钢包括16个钢号，大同特殊钢公司有14个钢号，日本高周波钢业公司有14个钢号。奥地利BOHLER公司有12个钢号。UDDEHLM有10个钢号。美国ASTM-A681-87中规定的典型的塑料模具钢（P系列）的钢号为7个，但主要生产模具钢的企业Crucible公司和CarpenterTechnology公司远不止这些钢号。我国的GB/T1299-2000中只有两个钢号。塑料模具用钢根据化学成分、热处理及使用性能等特征，分为以下几类。
       3.1非合金型塑料模具钢
     主要用于制造要求不高，生产批量不大的通用塑料模具钢，一般采用中碳结构钢，如S50C、S55C等，在退火态或轧制状态或正火状态下使用。但近些年来，为了改善切削性能，开发了易切削钢种。
      3.2预硬化塑料模具钢
     该类是用量较大的塑料模具钢，一般采用中碳合金结构钢，在冶金厂一般处理到HRC28-40，在预淬硬的条件下交货，用户可直接加工使用。一般是在美国P20（3Cr2Mo）钢的基础上发展起来的，该钢是使用*广泛的预硬化塑料模具钢。如BOHLER的M200，TEW的1.2311、1.2312等。718是瑞典生产的改型P20，由于合金元素Ni的加入，比P20钢具有更高的淬透性，热处理后大截面的模块保持高的硬度均匀性。在我国主要是引进P20(3Cr2Mo)，718(3Cr2MnNiMo)钢，并纳入GB/T1299-2000标准中。
     为了改善切削性能，加入易切削元素，形成易切削预硬化塑料模具钢，国外开发的易切削塑料模具钢主要是S系，也有S-Se系的，部分经过Ca处理。如日立、金属的HPM2和大同特殊钢的PDS5等。我国研制了一些含硫易切削预硬化塑料模具钢，如5NiSCa，8Cr2MnWMoVS、P20BSCa等。
     近些年来，非调质钢用作于预硬化塑料模具钢，该类钢通过合理的化学成分的配比，不经过调质处理，锻、轧空冷后可实现预硬化，节约能源和生产成本，并有利于环保，缩短生产周期，具有良好的应用前景。
       3.3时效硬化塑料模具钢
     该类钢一般含碳量较低，通过加入一定数量的Ni、A1、Ti、Mo、Cu等元素，在热处理时，通过时效处理，析出金属间化合物，使模具硬度上升到HRC40以上。时效处理变形小，可以在加工后进行时效处理。如大同特殊钢公司的NAK55，NAK80，BOHLER的M261，日立金属的HPM1、HPM50等。该类钢种由于含有相当数量的Ni、Cr，Mn元素，奥氏体稳定性好；在时效过程中，由于从基体中弥散析出Ni3Al和富Cu相而得到强化。另一类高合金的马氏体时效钢是从高强钢发展来的，如18Ni、大同特殊钢的MASIC(OONil8Co9Mo5Ti）、日立的YAG等，韧性好，镜面加工性能好。但由于这类钢一般采用特种冶炼工艺，并含有较贵重的合金元素，成本高，使用范围受到限制。目前国内外普遍应用较多的就是10Ni3MnCuAl钢，其基本成分与日本大同特殊钢的NAK80相当，该钢一般采用850~900℃淬火固溶处理后，空冷后经510℃回火，硬度达到42-44HRC，Rp0.2为839Mpa，Rm为1017MPa，断面收缩率为15.4%，延伸率为55.1%，较有良好的综合力学性能。
      3.4耐蚀塑料模具钢
     用于制造腐蚀性较强的塑料成型模具（如聚氯乙烯及阻燃塑料），要求该类钢具有一定的硬度、强度和耐磨性能。一般用13~18%Cr型马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。根据碳含量的不同，可以分为低碳镍铬型耐蚀钢（代表性的钢种1Cr17N12）、中碳高铬型耐蚀钢（代表性的钢种4Crl3）、高碳高铬型耐蚀钢（代表性的钢种9Cr18Mo）。国外各主要的模具钢的生产厂通过改良，发展一些类似的新钢种。如BOHLER的M300，M310，M314等钢种、美国的CRUCIBLE公司的420MOD，UDDEHOLMTOOLINGAB公司的STAVEX等。各类耐蚀塑料模具钢的化学成分见表3。相对于其它类型的塑料模具钢，我国显得比较落后，主要使用的2-4Crl3，近些年来引进了3Cr17Mo比4Crl3具有更好的耐蚀性能，研究开发了5Cr17MoV钢，该钢具有良好的综合使用性能。
       3.5整体淬火高硬度塑料模具钢
     压制复合强化塑料的模具，要求有较高的耐磨性，多采用整体淬硬塑料模具钢。一般借用冷作模具钢（如SKD11，SKD12等）和热作模具钢（如SKD61等）。但近年来，为了改善韧性和抗回火稳定性及组织均匀性以及切削性能，国外模具钢生产的主要企业发展一些新的钢种，如日立金属的HPM31，FDAC、高周波的KD21和大同特殊钢的PD613、DH2F等钢种。
       3.6其它类型的塑料钢
     除了上述提到的几类塑料模具钢以外，还有无磁塑料模具钢和高可焊性塑料模具钢等类型。无磁模具钢，为了压制磁性塑料制品，国外发展了一些加钒的高锰奥氏体组织的无磁模具钢，通过VC的沉淀硬化作用，可以使钢的硬度达到HRC40以上。如日立金属的HPM75。我国也研制了一些无磁钢，也可用作热作模具钢。高可焊性塑料模具钢是一般用于要求采用堆焊工艺可修复的材料，为了简化焊接工艺，国外发展一些专用钢种，焊前可不预热，焊后可不后热，尤其是日本，大同特殊钢公司发展的PXZ和PX5钢。
      4、模具钢的质量性能**化            国内外模具钢发展趋势及使用现状分析
      近一、二十年来，为了提高模具的质量和使用寿命，工业发达国家把提高模具材料的质量和性能放在重要的位置，主要措施如下：
       4.1高纯净度模具钢 
     钢的纯净度提高到一定水平，不但可以改进钢的原有性能，而且可以赋予钢的新性能。日本大同特殊钢公司把SKD61(4Cr5MoSiV1）钢中硫、磷含量从0.03%降到0.01%以下，冲击韧性提高一倍以上；日立金属公司把SKD61钢中的磷含量从0.03%降到0.001%，钢中的冲击韧性从40J/cm2提高到130J/cm2；德国蒂森把2344(H13)电渣中的磷含量降低到≤0.003%且细晶化，钢的疲劳性能明显提高。将钢中的氧含量降低，也可以显著改善钢的韧性，国外有些特殊钢厂将模具钢的氧含量规定为≤15x10-6。提高模具钢的纯净度。可以降低钢中的夹杂物的含量，从而有效的提高钢的抛光性能和改善表面粗糙度，这对于**的塑料模具钢尤为重要。因此，日本山阳特殊钢公可规定高纯净度的模具钢中的［0］≤l0x10-6，[S］≤50x10-6。
       4.2高等向性能模具钢  
     模具大部分是多向受力，因此提高钢的等向性能，改善钢的横向韧性和塑性，使其与纵向性能接近，就可以大幅度提高模具的使用寿命。近二十年来，国外不少特殊钢厂都采用不同工艺措施致力于开发高等向性能的模具钢，并且各自命名一些商业牌号。要获得高等向性能的模具钢，就必须得保证钢材的组织、成分均匀化；高温扩散退火、超细晶处理和软化处理等是重要的生产工艺，目的在于消除钢中的一次碳化物、改善偏析，使二次碳化物呈球状均匀分布在铁素体基体上，从而显著提高钢的横向冲击韧性。另外，在冶炼和热加工等环节，也必须采用一些相应的措施。高等向性能的模具钢横向冲击韧性可以达到纵向性能的80%-98%，有效地提高模具的使用寿命。
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