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國內外模具鋼發展趨勢及使用現狀分析
國內外模具鋼發展趨勢及使用現狀分析
概述
      隨著機械制造業的發展，模具工業得到了迅速發展，推動了模具鋼的發展。模具工業的高要求，對模具材料的性能和使用壽命等提出了更高的要求。因此世界各國的模具鋼生產企業及研發機構，不斷開發模具鋼新材料和采用新的生產技術，以適應模具工業的發展。世界各國的工具，鋼生產標準中，如美國的ASTMA681、日本的JIS4404、英國的BS4659、前蘇聯的ΓOCT5950，德國的DIN17350和中國的GB1299等，未把模具鋼作為單獨系列而列入合金鋼中，但隨著模具鋼的迅速發展，各國的模具鋼的主要生產廠，都形成了自己的模具鋼標準系列。
   世界上習慣把模具鋼按用途歸為三大類（按照模具材料使用的條件）：冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼。下面按塑料模具鋼、熱作模具鋼、冷作模具鋼來介紹模具鋼品種的發展。
     1、冷作模具鋼                    國內外模具鋼發展趨勢及使用現狀分析
     冷作模具鋼主要用于沖壓、下料、成型、彎曲、冷擠壓、冷拉、粉末冶金模具等，要求具有高硬度、高耐磨性和足夠的韌性。一般分為，通用型和特殊型兩大類。如美國通用型的冷作模具鋼通常包括01，A2，D2，D3這4個鋼種，各國通用型的冷作合金模具鋼鋼號對照，見表4。日本JIS標準中能用作冷作模具鋼的主要有SK系，包括SK系碳素工具鋼，合金工具鋼SKD系8個，SKHMO系高速鋼9個，共24個鋼號。我國GB/T1299-2000合金工具鋼標準**納入11個鋼種，形成較完善的系列。
   隨著加工技術、被加工材料及對模具需求的變化，原有的基本系列不能滿足需要，日本鋼廠以及歐洲主要的工模具鋼生產廠開發出特殊用途的冷作模具鋼，并逐漸形成了各自的冷作模具鋼系列，這些冷作模具鋼的開發，也是冷作模具鋼的發展方向。
      1.1低合金空淬冷作模具鋼  
     隨著熱處理技術的發展，特別是真空淬火技術在模具行業的廣泛應用，為了減小淬火變形，國內外開發了一些低合金空淬微變形鋼，該類鋼要求具有良好的淬透性，熱處理變形小，強韌性好，并且有一定的耐磨性能。而標準的高合金冷作模具鋼（如D2、A2）雖然淬透性好，但合金含量高，成本昂貴。因此，國內外開發了一些低合金微變形鋼，該類鋼一般含有提高淬透性的合金元素Cr，Mn合金元素，合金元素的總含量一般<5%，適用于制造生產批量不大的精密復雜模具。具有代表性的鋼種美國的A6，日立金屬公司的ACD37，大同特殊鋼公司的G04，愛知制鋼公司的AKS3等。我國GD鋼，經900℃淬火和200℃回火后，能保持一定量的殘余奧氏體，具有較好的強韌性和尺寸穩定性，可用于制作易崩刃斷裂的冷沖模具，有較高的使用壽命。
       1.2火焰淬火模具鋼
     為了縮短模具制造周期，簡化熱處理工藝，節約能源，降低模具的制造成本。日本發展了一些火焰淬火要：求的專用冷作模具鋼。比較典型的如愛知制鋼的SX105V（7CrSiMnMoV）、SX4（Cr8），日立金屬的HMD5，HMD1，大同特殊鋼公司的G05鋼等，我國研制開發了7Cr7SiMnMoV。這類鋼可以在模具加工完后，采用氧乙炔噴槍或其他加熱器，對模具的刃部或其它部分進行加熱后空冷淬火，一般淬火后可以直接使用。由于工藝簡單，在日本獲得廣泛使用。該類鋼代表性的鋼種是7CrSiMnMoV，具有良好的淬透性，在φ80mm的鋼材經油淬火時距表面30mm處的硬度可達到60HRC，心部與表面硬度差值為3HRC，火焰淬火時，經180~200℃預熱，用噴槍加熱至900-1000℃淬火，硬度可達到60HRC以上，可得到1.5mm以上的淬硬層。    
       1.3高韌性、高耐磨性冷作模具鋼
     為了提高冷作模具鋼的韌性并使鋼的耐磨性降低不是很多，國外一些模具鋼生產的主要企業，相繼開發了一系列的高韌性、高耐磨性兼備的冷作模具鋼。這類鋼一般含碳量約為1％，含Cr8%，加入Mo、V、Si等合金元素，其碳化物細小、分布均勻、韌性遠高于Cr12類型鋼，而耐磨性則與之相近。它們的硬度、抗彎強度、疲勞強度和斷裂韌性高，抗回火穩定性也高于Crl2型模具鋼，適合于高速沖床和多工位沖床。70年代，美國釩合金公司首先開發出VascoDie（8Cr8Mo2V2Si），該類鋼發展較快，美國CRUCIBLE公司開發的CRU-WEAR鋼、Timken的Lescowear，BOHLER的K340鋼、日本山陽特殊鋼的QCM8，大同特鋼的DC53、愛知制鋼公司的SX5（Cr8MoV），TCD等鋼。我國也研制開發了LD鋼、GM鋼，ER5鋼等。該類鋼代表性的鋼種是低V含量日本的DC53和高V含量的CRU-WEAR，DC53經1020-1040℃淬火，空冷后硬度可達到62-63HRC，一般使用可在低溫回火（180~200℃）和高溫回火（500~550℃）使用，其韌性可比D2高1倍，疲勞性能比D2高20%;CRU-WEAR鍛軋后，退火經850-870℃奧氏體化，小于30℃/小時冷卻到650℃出爐，硬度可達到225-255HB，可在1020~1120℃范圍選擇淬火溫度，硬度可達到63HRC，根據使用條件在480~570℃回火，具有明顯的二次硬化效應，耐磨性、韌性優于D2。
      1.4基體鋼
     高速鋼以其優良的耐磨性和紅硬性，國外已經廣泛地用于制造高性能、高壽命的冷作模具，如日本通用標準的高速鋼SKH51(W6Mo5Cr4V2）等。為了適應模具的要求，往往通過降低淬火溫度、淬火硬度或降低高速鋼中的含碳量，以提高其韌性。
     基體鋼是從高速鋼發展而來的，其化學成分相當于高速鋼淬火后的基體成分。所以淬火后的殘余碳化物數量少，分布均勻，使鋼的韌性較高速鋼有很大的改善。美國和日本在70年代初研究過牌號為VascoMA，VascoMatrix1和MOD2的基體鋼。*近研制，開發了DRM1、DRM2，DRM3等。一般用于要求韌性較高而抗回火穩定性較好的冷作模具。我國也研制一些基體鋼，如65Nb(65Cr4W3Mo2VNb）、65W8Cr4VTi、65Cr5Mo3W2VSiTi等鋼。該類鋼具有良好的強韌性，廣泛制作冷擠壓、厚板冷沖、滾絲輪、壓印模、冷鐓模等，和可用做溫擠壓模具。
       1.5粉末冶金模具鋼
    常規工藝生產的萊氏體型高合金冷作模具鋼，特別是大截面材，共晶碳化物粗大，分布不均勻，嚴重地降低了鋼的韌性、磨削性和等向性。
      近些年來，國外工模具鋼生產的主要特鋼企業都集中力量開發了一系列的粉末冶金高速鋼和高合金模具鋼，使該類鋼得到迅速發展。粉末冶金生產工模具鋼已經成為國外的重點發展方向，美國CRUCIBLE廠已具備年產12000噸的生產能力，奧地利BOHLER廠僅2002年生產粉末工具鋼（主要是高速鋼和冷作模具鋼）1800噸。采用粉末冶金工藝由于霧化鋼粉冷速快，形成的碳化物細小均勻，顯著地提高了模具材料的韌性、可磨削性和等向性。由于這種特殊的工藝生產，碳化物的細小均勻，可加工性和磨削性能的改善，可使鋼中添加更高的碳含量和釩含量，從而發展了一系列的新鋼種。如日本大同的DEX系列(DEX40，DEX60，DEX80等），日立金屬的HAP系列，不二越的FAX系列，UDDEHOLM的VANADIS系列，法國Erasteel的ASP系列，美國CRUCIBLE公司的粉末冶金工模具鋼發展較快，形成CPMlV，CPM3V，CPMlOV，CPM15V等一系列的粉末冶金鋼，其耐磨性和韌性比普通工藝制造的工模具鋼有明顯提高。
      2、熱作模具鋼                       國內外模具鋼發展趨勢及使用現狀分析
       熱作模具鋼主要用于熱鍛模具、壓鑄模具、熱擠壓模具、超塑成型等溫鍛造模具等。要求熱作模具鋼在工作溫度下具有較高的強韌性、耐磨性、高溫硬度、抗冷熱疲勞性能、抗氧化性和耐蝕性。美國標準中通用型熱作模具鋼主要有4個鋼號，即：L6，H10、H21、H13。
     熱作模具鋼是在高溫條件下使用，一般在500-700℃之間工作，而且在壓鑄時與液態金屬相接觸，使用條件比塑料模具和冷作模具更苛刻。近些年來，國外生產模具鋼的主導企業十分重視熱作模具鋼的開發。我國產常用的熱作模具鋼有四個品種，主要是5CrNiMo，5CrMnMo，H13，3Cr2W8V。
　　2.1高淬透性鍛模用鋼
     該類鋼一般為中碳（0.3-0.6%）低合金鋼，5CrMnMo、5CrNiMn是通用型的熱鍛模模具用鋼。但由于合金元素含量較低，淬透性較差，熱穩定性也不高，并且鋼中不含V，晶粒容易粗大，模具的使用壽命低。為了適應大截面鍛錘和鍛造壓力機的要求，需要較高淬透性和回火穩定性的鍛模鋼，各國均開發了新鋼種。如前蘇聯的4xM2φЧ、5X2MHV，UDDEHGLMToughteM鋼，日本大同特殊鋼的GF78，三菱制鋼開發的HD14（5CrNiMoV），高周波鋼業公司開發的KTVN（5CrNi3MoV）等。西方國家常用的是55NiCrMoV6。80年代以后，我國研制了類似的鋼號5CrNiMoV鋼，提高了5Cr-Nilllo鋼中的Cr，Ni，Mo的含量，并添加V，顯著提高了鋼的淬透性、淬硬性、高溫強度和抗回火穩定性，400mmx400mm截面可以完全淬透，淬火后表面與心部硬度都保持在56-60HRC，而同一尺寸的5CrNiMo的心部硬度只有32-41HRC：5CrNiMoV鋼的模塊淬火經600℃回火，硬度可以保持在41.5-44HRC，5CrNiMo的淬火模塊，經500℃回火2小時，硬度只有32-35HRC，抗回火穩定性比5Cr-NiMo高100℃，使用壽命顯著高于5CrNiMo.5Cr2NiMoVSi鋼與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的模塊可以淬透，并且具有二次硬化效應，熱穩定性比5CrNiMo更高，適合制造大型鍛模。
       2.2高強韌性熱作模具鋼
      該類熱作模具鋼的使用量大、面廣，典型的鋼種是美國AISIH13鋼。近些年來，國外主要的模具鋼生產廠開發了大量的新鋼種。如瑞典UDDEHOLM的QR090SUPEREME，HOTVAR，*近又研究了低Si上等熱作模具鋼DIEVAR，提高了高溫強度、回火穩定性和韌性、抗熱裂性等。美國的CARPENTER工藝公司開發了Extendo-Die，提高了H13鋼中的Cr;Mo含量，從而提高了模具的使用壽命。美國的CRUCIBLE公司開發了CRU161，WR95等新鋼種。德國TEW通過調整X40CrMoV51鋼的C，Cr，Mo，V含量，推出了X35CrMoV511。日本的大同特殊鋼公司的DH21等新鋼種。另外，為了提高鋼的紅硬性和回火穩定性，在鋼中增加一定量的Co，如美國的H19，英國的BH10A，日本的MCZ，WDK，大同特殊鋼的DH41DH71，日立金屬的YHD45等。
      為了滿足高負荷、長壽命的鍛造壓力機用鍛模的要求，發展了沉淀硬化型熱作模具鋼，這類鋼一般含碳量較低（<0.3%），加入一定量的沉淀硬化元素Ni，Mo，Al等。模具熱處理工藝采用淬火和較低溫度回火（<500℃），得到高韌性的板條馬氏體組織，在模具使用過程中，型腔表面與高溫工件接觸而升溫到550℃左右，由于金屬間化合物和碳化物的彌散析出而增加硬度5-8HRC。典型的鋼種如：日立金屬的YHD26，大同特殊鋼的DH67（3Ni3Mo3V）等。
      2.3高溫熱作模具鋼
     當工作溫度≥700℃時，一般的模具鋼的強度急劇下降，為了滿足工作溫度≥700℃時的模具要求，國外發展了一些新型的熱作模具材料。對700~800℃的模具，發展了CrMn系和NiCrMn系高溫模具鋼，如日立金屬的5Mn15CrlOV2，大同特殊鋼的5Mn18NNi8Cr，8Mo2V2鋼等。在800℃下抗拉強度可大于600MPa。但該類鋼導熱性較差，熱膨脹系數大，熱疲勞性能差。7Mn15Cr2Al3V2WMo鋼是我國研制的無磁鋼，應用較多，一般固溶溫度為1170~1180℃。固溶處理后的組織為奧氏體和少量的碳化物，固溶處理后硬度為20-22HRC左右。常用的時效溫度一般為650-700℃，時效后的硬度可以達到47HRC左右，可用于高溫熱作模具、磁性材料的壓制成型用模具，具有較高的耐磨性。
   當工作溫度>800℃時，一般用Fe基或Ni基高溫合金制造。*近由于超塑恒溫成型工藝的發展，有些高溫合金的超塑性的溫度高達1100℃。日立金屬公司開發一種叫“Nimowal”的Ni基合金。表13中列出了一些奧氏體熱作模具鋼的化學成分。
       2.4馬氏體時效鋼
     通過馬氏體的強化機制可在750℃的高溫下，保持相當的紅硬性，其特點是在微量的碳加18~25%Ni，在添加AI，Ti，Co，Mo等元素。美國Lokomo公司和CRUCIBLE公司開發的該類鋼與18Ni相近。Thy-r-othrm2799是一種新型的馬氏體時效鋼（Ni12Mo8Co8Ti），具有較高的熱穩定性，BOHLER的W700也屬此類。
   此外，還有高溫耐蝕模具鋼、如大同特殊鋼開發的DH42，日立金屬開發的YHD45等；粉末冶金耐熱模具鋼，如德國的X40Cr-MoV51，X5NiCrTi2625，美國VASCO的MA等。 
      3、塑料模具鋼                     國內外模具鋼發展趨勢及使用現狀分析
      隨著塑料應用范圍的擴大及種類的增加，塑料制品的多樣化和模具加工技術的快速發展，對塑料模具的質量也要求更高，塑料模具鋼的品種也在擴大，質量水平也在不斷的提高，用量占模具鋼的總量的50%以上，2004年我國塑料模具鋼的產量已達到31.4萬噸。因此，在模具鋼中占有十分重要的地位。日本的塑料模具鋼，無論在產量還是質量水平，占有**地位。日本的主要模具鋼生產企業都有本企業的塑料模具鋼的鋼種系列。如日立金屬公司的塑料模具鋼包括16個鋼號，大同特殊鋼公司有14個鋼號，日本高周波鋼業公司有14個鋼號。奧地利BOHLER公司有12個鋼號。UDDEHLM有10個鋼號。美國ASTM-A681-87中規定的典型的塑料模具鋼（P系列）的鋼號為7個，但主要生產模具鋼的企業Crucible公司和CarpenterTechnology公司遠不止這些鋼號。我國的GB/T1299-2000中只有兩個鋼號。塑料模具用鋼根據化學成分、熱處理及使用性能等特征，分為以下幾類。
       3.1非合金型塑料模具鋼
     主要用于制造要求不高，生產批量不大的通用塑料模具鋼，一般采用中碳結構鋼，如S50C、S55C等，在退火態或軋制狀態或正火狀態下使用。但近些年來，為了改善切削性能，開發了易切削鋼種。
      3.2預硬化塑料模具鋼
     該類是用量較大的塑料模具鋼，一般采用中碳合金結構鋼，在冶金廠一般處理到HRC28-40，在預淬硬的條件下交貨，用戶可直接加工使用。一般是在美國P20（3Cr2Mo）鋼的基礎上發展起來的，該鋼是使用*廣泛的預硬化塑料模具鋼。如BOHLER的M200，TEW的1.2311、1.2312等。718是瑞典生產的改型P20，由于合金元素Ni的加入，比P20鋼具有更高的淬透性，熱處理后大截面的模塊保持高的硬度均勻性。在我國主要是引進P20(3Cr2Mo)，718(3Cr2MnNiMo)鋼，并納入GB/T1299-2000標準中。
     為了改善切削性能，加入易切削元素，形成易切削預硬化塑料模具鋼，國外開發的易切削塑料模具鋼主要是S系，也有S-Se系的，部分經過Ca處理。如日立、金屬的HPM2和大同特殊鋼的PDS5等。我國研制了一些含硫易切削預硬化塑料模具鋼，如5NiSCa，8Cr2MnWMoVS、P20BSCa等。
     近些年來，非調質鋼用作于預硬化塑料模具鋼，該類鋼通過合理的化學成分的配比，不經過調質處理，鍛、軋空冷后可實現預硬化，節約能源和生產成本，并有利于環保，縮短生產周期，具有良好的應用前景。
       3.3時效硬化塑料模具鋼
     該類鋼一般含碳量較低，通過加入一定數量的Ni、A1、Ti、Mo、Cu等元素，在熱處理時，通過時效處理，析出金屬間化合物，使模具硬度上升到HRC40以上。時效處理變形小，可以在加工后進行時效處理。如大同特殊鋼公司的NAK55，NAK80，BOHLER的M261，日立金屬的HPM1、HPM50等。該類鋼種由于含有相當數量的Ni、Cr，Mn元素，奧氏體穩定性好；在時效過程中，由于從基體中彌散析出Ni3Al和富Cu相而得到強化。另一類高合金的馬氏體時效鋼是從高強鋼發展來的，如18Ni、大同特殊鋼的MASIC(OONil8Co9Mo5Ti）、日立的YAG等，韌性好，鏡面加工性能好。但由于這類鋼一般采用特種冶煉工藝，并含有較貴重的合金元素，成本高，使用范圍受到限制。目前國內外普遍應用較多的就是10Ni3MnCuAl鋼，其基本成分與日本大同特殊鋼的NAK80相當，該鋼一般采用850~900℃淬火固溶處理后，空冷后經510℃回火，硬度達到42-44HRC，Rp0.2為839Mpa，Rm為1017MPa，斷面收縮率為15.4%，延伸率為55.1%，較有良好的綜合力學性能。
      3.4耐蝕塑料模具鋼
     用于制造腐蝕性較強的塑料成型模具（如聚氯乙烯及阻燃塑料），要求該類鋼具有一定的硬度、強度和耐磨性能。一般用13~18%Cr型馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼。根據碳含量的不同，可以分為低碳鎳鉻型耐蝕鋼（代表性的鋼種1Cr17N12）、中碳高鉻型耐蝕鋼（代表性的鋼種4Crl3）、高碳高鉻型耐蝕鋼（代表性的鋼種9Cr18Mo）。國外各主要的模具鋼的生產廠通過改良，發展一些類似的新鋼種。如BOHLER的M300，M310，M314等鋼種、美國的CRUCIBLE公司的420MOD，UDDEHOLMTOOLINGAB公司的STAVEX等。各類耐蝕塑料模具鋼的化學成分見表3。相對于其它類型的塑料模具鋼，我國顯得比較落后，主要使用的2-4Crl3，近些年來引進了3Cr17Mo比4Crl3具有更好的耐蝕性能，研究開發了5Cr17MoV鋼，該鋼具有良好的綜合使用性能。
       3.5整體淬火高硬度塑料模具鋼
     壓制復合強化塑料的模具，要求有較高的耐磨性，多采用整體淬硬塑料模具鋼。一般借用冷作模具鋼（如SKD11，SKD12等）和熱作模具鋼（如SKD61等）。但近年來，為了改善韌性和抗回火穩定性及組織均勻性以及切削性能，國外模具鋼生產的主要企業發展一些新的鋼種，如日立金屬的HPM31，FDAC、高周波的KD21和大同特殊鋼的PD613、DH2F等鋼種。
       3.6其它類型的塑料鋼
     除了上述提到的幾類塑料模具鋼以外，還有無磁塑料模具鋼和高可焊性塑料模具鋼等類型。無磁模具鋼，為了壓制磁性塑料制品，國外發展了一些加釩的高錳奧氏體組織的無磁模具鋼，通過VC的沉淀硬化作用，可以使鋼的硬度達到HRC40以上。如日立金屬的HPM75。我國也研制了一些無磁鋼，也可用作熱作模具鋼。高可焊性塑料模具鋼是一般用于要求采用堆焊工藝可修復的材料，為了簡化焊接工藝，國外發展一些專用鋼種，焊前可不預熱，焊后可不后熱，尤其是日本，大同特殊鋼公司發展的PXZ和PX5鋼。
      4、模具鋼的質量性能**化            國內外模具鋼發展趨勢及使用現狀分析
      近一、二十年來，為了提高模具的質量和使用壽命，工業發達國家把提高模具材料的質量和性能放在重要的位置，主要措施如下：
       4.1高純凈度模具鋼 
     鋼的純凈度提高到一定水平，不但可以改進鋼的原有性能，而且可以賦予鋼的新性能。日本大同特殊鋼公司把SKD61(4Cr5MoSiV1）鋼中硫、磷含量從0.03%降到0.01%以下，沖擊韌性提高一倍以上；日立金屬公司把SKD61鋼中的磷含量從0.03%降到0.001%，鋼中的沖擊韌性從40J/cm2提高到130J/cm2；德國蒂森把2344(H13)電渣中的磷含量降低到≤0.003%且細晶化，鋼的疲勞性能明顯提高。將鋼中的氧含量降低，也可以顯著改善鋼的韌性，國外有些特殊鋼廠將模具鋼的氧含量規定為≤15x10-6。提高模具鋼的純凈度。可以降低鋼中的夾雜物的含量，從而有效的提高鋼的拋光性能和改善表面粗糙度，這對于**的塑料模具鋼尤為重要。因此，日本山陽特殊鋼公可規定高純凈度的模具鋼中的［0］≤l0x10-6，[S］≤50x10-6。
       4.2高等向性能模具鋼  
     模具大部分是多向受力，因此提高鋼的等向性能，改善鋼的橫向韌性和塑性，使其與縱向性能接近，就可以大幅度提高模具的使用壽命。近二十年來，國外不少特殊鋼廠都采用不同工藝措施致力于開發高等向性能的模具鋼，并且各自命名一些商業牌號。要獲得高等向性能的模具鋼，就必須得保證鋼材的組織、成分均勻化；高溫擴散退火、超細晶處理和軟化處理等是重要的生產工藝，目的在于消除鋼中的一次碳化物、改善偏析，使二次碳化物呈球狀均勻分布在鐵素體基體上，從而顯著提高鋼的橫向沖擊韌性。另外，在冶煉和熱加工等環節，也必須采用一些相應的措施。高等向性能的模具鋼橫向沖擊韌性可以達到縱向性能的80%-98%，有效地提高模具的使用壽命。
國內外模具鋼發展趨勢及使用現狀分析