模具钢材

模具钢材是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具材料是模具制造业的物质和技术基础，其中模具钢材是传统的模具材料，其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命和制造周期起着决定性的作用。近年来，国内外模具钢材的产量、生产技术、工艺装备、质量、品种等方面都取得了比较迅速的发展，国内也涌现了抚顺特钢，长城特钢，兴澄特钢，杭钢等一批优质生产企业，模具钢材的发展也推动了工业产品向高级化、个体化、高附加值化的方向发展。模具的用途很广，制造模具用材料范围很广，在模具材料中应用最广的当属模具钢材。

1.分类介绍

加工模具时用的，由于模具的用途很广，各种模具的工作条件差别很大，所以，制造模具用材料范围很广，在模具材料中应用最广的当属模具钢。从—般的碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、高速工具钢、不锈耐热钢直到适应特殊模具需要的马氏体时效钢以及粉末高速钢、粉末高合金模具钢等。模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料成型用模具钢三大类

冷作模具

冷作模具钢主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成型的模具。如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具钢的范围很广，.从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。冷作模具钢具是真空脱气精炼钢，内质纯净，机械加工性良好，切削明显提高，淬透性良好，空冷淬硬不易出现淬裂，耐磨性极为优异，韧性良好，可用作不锈钢及高硬度材料的冲裁模。

热作模具

热作模具钢主要用于制造对高温状态下的工件进行压力加工的模具。如：热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦锻模具等。常用的热作模具钢有：中高含碳量的添加Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具钢；对特殊要求的热作模具钢，有时采用高合金奥氏体耐热模具钢制造。

塑料模具

由于塑料的品种很多，对塑料制品的要求差别也很大，对制造塑料模具的材料也提出了各种不同的性 能要求。所以，不少工业发达的国家已经形成了范围很广的塑料模具用钢系列。包括碳素结构钢、渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐蚀塑料模具钢、易切塑料模具钢、整体淬硬型塑料模具钢、马氏体时效钢以及镜面抛光用塑料模具钢等。

2.使用性能

强度性能

1.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。对于同一钢种而言，在一定的硬度值范围内，硬度与变形抗力成正比；但具有同一硬度值而成分及组织不同的钢种之间，其塑性变形抗力可能有明显的差别。

2.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.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。在很多情况下，进行抗压试验和抗弯试验的条件接近于模具的实际工作条件（例如，所测得的模具钢的抗压屈服强度与冲头工作时所表现出来的变形抗力较为吻合）。抗弯试验的另一个优点是应变量的绝对值大，能较灵敏地反映出不同钢种之间以及在不同热处理和组织状态下变形抗力的差别。

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。钢的韧性、强度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此，要合理地选择钢的化学成分并且采用合理的精炼、热加工和热处理工艺，以使模具材料的耐磨性、强度和韧性达到最佳的配合。

冲击韧性系表特征材料在一次冲击过程中试样在整个断裂过程中吸收的总能量。但是很多工具是在不同工作条件下疲劳断裂的，因此，常规的冲击韧性不能全面地反映模具钢的断裂性能。小能量多次冲击断裂功或多次断裂寿命和疲劳寿命等试验技术正在被采用。

抗热疲劳

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。

也就是说，抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的那部分寿命；而裂纹扩展速率和断裂韧性，可以决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。因此，热作模具如要获得高的寿命，模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。

抗热疲劳性能的指标可以用萌生热疲劳裂纹的热循环数，也可以用经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均的深度或长度来衡量。

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。对于重载、高速磨损条件下服役的模具，要求模具钢表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，保持润滑作用，减少模具和工件之间产生粘咬、焊合等熔融磨损，又能减少模具表面进行氧化造成氧化磨损。所以模具的工作条件对钢的磨损有较大的影响。

耐磨性可用模拟的试验方法，测出相对的耐磨指数є，作为表征不同化学成分及组织状态下的耐磨性水平的参数。以呈现规定毛刺高度前的寿命，反映各种钢种的耐磨水平；试验是以Cr12MoV钢为基准（є=1）进行对比。

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”，临界载荷越高，标志着咬合抗力越强。

3.性能要求

1.退火工艺性

球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，球化率高。

2.可锻性

具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。

3.氧化、脱碳敏感性

高温加热时抗氧化怀能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。

4.切削加工性

切削用量大，刀具损耗低，加工表面粗糙度低。

5.淬透性

淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。

6.可磨削性

砂轮相对损耗小，无烧伤极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤及磨削裂纹。

7.淬硬性

淬火后具有均匀而高的表面硬度。

8.淬火变形开裂倾向

常规淬火体积变化小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工件形状不敏感。

4产品分类

冷作模具

1.分为五组：W组、O组、A组、D组、S组。 ◆ W组即水淬模具钢，有11个钢种，7个碳素模具钢，含碳量从0.7%-1.3%。 ◆ O组即油淬冷作模具钢（俗称油钢），有4个钢种，含碳量在0.85%-1.55%， ◆ A组即空淬中合金冷作模具钢，有9个钢种，含碳量从0.5%-2.25%。 ◆ D组即高碳高铬冷作模具钢，有7个钢种，含碳量0.9%-2.5%。 ◆ S组即耐冲击工具钢，有7个钢种，含碳量0.4%-0.6%。　用于冷作模具还有高速钢（HSS组）和超高速钢（SHSS组），钴基硬质合金和钢结硬质合金（HA组），粉末钢和工程陶瓷（PIM组），碳钨工具钢（F组），特殊用途工具钢（L组）。 　（2.冷作模具钢的选用 　冷作模具钢的主系列是高硬冷作类，主要用于要求高抗压和耐磨为主的模具，硬度高于HRC60-62。对于要求耐冲击、韧性高的模具，硬度低于HRC60- 62，主要用S类和部份A类和最普通的调质钢、弹簧钢、热作模具或基体钢。对于大型冲压模，如汽车外型冲压件，主要用铸铁类。简易或寿命数量少的用锌基合金或高分子复合材料。 　高速钢和超高速钢在冷作模具中的应用迅速增长。主要是有高的"抗压强度/硬度" 比值。且硬度可在HRC60-70之间选择。 　粉末模具钢有优良的耐磨寿命，硬度不大高HRC60-62，应用相当多。 　碳素工具钢在寿命10万件的冲头或软材料冲压模仍有一定的应用范围。

热作模具

美国热作模具钢分二大类：热作模具钢，和超级热强合金。 　热作模具由于在有温度的条件下工作，要求材料具有热强性和热耐磨性，为了保证模具的使用寿命模具要冷却，热冷交替模具会出现龟裂，即热疲劳裂纹，所以材料又要求有抗裂纹能力和抗热疲劳性能。 　按热强性排列的主系列进行选材: 　低合金调质模具钢（6G，6F2，6F3）→中铬热作模具钢（H11、H12、H13）→钨热作模具钢（H21，H22）。 　非标准的热作模具钢：例如热镦锻模具用时效硬化型的6H4。使用H11、H12、H13出现了不能满足热耐磨性时，可以选择6H1，6H2。 　当要求模具以热作耐磨性为主时，可以选择D2，D4→M2，M4→粉末钢。钢结硬质合金、钴基硬质合金的高温耐磨性是很高的，但其热疲劳性（即冷热抗疲劳裂纹）很差，不能在急冷急热状态下使用。

塑料模具

美国是最早在工具钢中列出塑料模具专用钢的国家，以P来表示为主，共分为五类。

渗碳型塑料模具钢：P1，P2，P3，P4，P5，P6。这类钢含碳量很低，主要是美国早期及用挤压成型制模法，要求冷塑性好，有高的挤压性能，成型后表面渗碳淬火提高表面硬度，使用寿命长。芯部超低碳可使淬火时变形量最小。

调质型塑料模具：P20，P21。塑料模具中P20的用量很大，已成为主体，大多数在预硬状态时使用。

中碳合金工具钢用于热固性塑料模。钢号有H13，而L2和S7，O1和A2也有应用。这一类的特点是： （1）基本属二次硬化金钢，500-600oC时的热强性好。 　（2）含铬较高，大气腐蚀性好。 　（3）淬透性极好，适用于大模块。

不锈钢用于耐蚀性要求高的塑料模，主要钢号有420，414L，440，416。

时效钢是经过时效处理而获得高的使用性能。有两种，一种是P21低碳Ni-A1时效钢；另一类是18Ni马氏体时效钢。后者是用于宇航工业的无碳高纯度、高强度、高韧性的材料。用于力学性能、尺寸精度、光洁度和耐蚀性都要求高的塑料模具中。

塑料模具钢的选用 :薄壁的塑料箱体，生产批量在小于10万件时，用P20，P21预硬态（HB250～300），腐蚀性较强时用414L。高寿命的普通塑料模，用P6或P20，经渗碳一淬火后硬度在HRC54-58；塑料件不太大时，可用O1，S7。腐蚀性较强时用420。非高温的热固性模用P6，P20经渗碳淬火后使用。腐蚀性强用420。高温热固性塑料模用H13和S7或渗碳钢P4。这些含铬较高有好的抗回火性和抗高温氧化性。

塑胶模具

塑胶模具钢分预硬普通塑胶模具钢,预硬优质塑胶模具钢,预硬高硬度塑胶模具钢,预硬抗腐镜面塑胶模具钢,抗腐镜面塑胶模具钢5小类塑胶模具钢质量等级分配　模具类别以美国SPI-SPE 为标准分下列各类.

一.101 类模(SPI-SPE标准1,000,000 啤或以上,长期精密生产模)

1. 需要详细模具结构图.

2. 模胚材料硬度最低为 280BN.(DME#2 钢 / 4140 钢)

3. 有胶位的内模件钢材一定要见硬至 48~50HRC.其余零件如行位,压锁,压条等亦应为硬件.

4. 顶针板要有导柱.

5. 行位要有硬片

6. 如有需求的话,上模,下模及行位要有温度控制.

7. 所有运水道,建议采用无电浸镍或用420 不锈钢做模板.这样可防止生锈及清理垃圾.

8. 需要直身锁或斜锁.

二.102 类模.(不超过一百万啤,大量生产模具.)

1. 需要详细模具结构图.

2. 模胚材料硬度最低为 280BHN.(DME#2 钢 / 4140 钢)

3. 有胶位的内模件钢材要见硬至最低 48~52HRC,其余有用的零件亦应同一处理.

4. 建议采用直身锁或斜锁.

5. 下列项目可能或不需要.视乎最终生产数量而定.建议报价时如采用下列项目要检查清楚是否需要:A. 顶针板导柱.B. 行位硬片.C. 电镀运水孔.D. 电镀模腔.

三.103 类模(少於50万啤,中量生产模.)

1. 需要详细模具结构图.

2. 模胚材料硬度最小为 165BHN.(DME #1 钢 / 1040 钢)

3. 内模钢材为 P20(28~32HRC)或高硬度(36~38HRC).

4. 其余要求视乎需要而定.

四.104 类模(少於10万啤,少量生产模)

1. 需要模具结构图.

2. 模胚材料 P20(28~32HRC)可用软钢或铝.(1040 钢)

3. 内模件可用铝,软钢或其它认可金属.

4. 其余要求视乎需要而定.

五.105 类模.(少於500 啤,首办模或试验模)

可用铝铸铁或环氧树脂或任何材料只要有足够强度可生产最少测试数量便可

5工艺性能

在模具生产成本中，材料费用一般占10%~20%，而机械加工、热处理、装配和管理费用占80%以上，所以模具的工艺性能是影响模具的生产成本和制造难易的主要因素之一。

可加工性

热加工性能，指热塑性、加工温度范围等；

冷加工性能，指切削、磨削、抛光、冷拔等加工性能。

冷作模具钢大多属于过共析钢和莱氏体钢，热加工和冷加工性能都不太好，因此必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数，以避免产生缺陷和废品。另一方面，通过提高钢的纯净度，减少有害杂质的含量，改善钢的组织状态，以改善钢的热加工和冷加工性能，从而降低模具的生产成本。

为改善模具钢的冷加工性能，自20世纪30年代开始，研究向模具钢中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或导致模具钢中碳的石墨化的元素，发展了各种易切削模具钢，以进一步改善其切削性能和磨削性能，减少刀具磨料消耗、降低成本。

淬透性

淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前的原始组织状态；淬硬性则主要取决于钢中的含碳量。对于大部分的冷作模具钢，淬硬性往往是主要的考虑因素之一。对于热作模具钢和塑料模具钢，一般模具尺寸较大，尤其是制造大型模具，其淬透性更为重要。另外，对于形状复杂容易产生热处理变形的各种模具，为了减少淬火变形，往往尽可能采用冷却能力较弱的淬火介质，如空冷、油冷或盐浴冷却，为了得到要求的硬度和淬硬层深度，就需要采用淬透性较好的模具钢。

处理变形

为了便于生产，要求模具钢淬火温度范围尽可能放宽一些，特别是当模具采用火焰加热局部淬火时，由于难于准确地测量和控制温度，就要求模具钢有更宽的淬火温度范围。

模具在热处理时，尤其是在淬火过程中，要产生体积变化、形状翘曲、畸变等，为保证模具质量，要求模具钢的热处理变形小，特别是对于形状复杂的精密模具，淬火后难以修整，对于热处理变形程度的要求更为苛刻，应该选用微变形模具钢制造。

敏感性

模具在加热过程中，如果发生氧化、脱碳现象，就会使其硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低；因此，要求模具钢的氧化、脱碳敏感性好。对于含钼量较高的模具钢，由于氧化、脱碳敏感性强，需采用特种热处理，如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。

6.常用模具

塑胶模具钢MEK 4 高耐磨高韧性之塑胶模

X13T6W (236) 高耐磨高耐腐蚀镜面模具

X13T6W(236H) 高耐磨高耐腐蚀镜面模具

热作工具钢 SMV3W 压铸模,挤压模,塑料模

ADC 3 压铸模,挤压模

塑胶模具钢 718S 塑料模之内模件

718H 塑料模之内模件

S136 耐腐蚀镜面模具

S136H 耐腐蚀镜面模具

OPTIMAX 光学级镜面不锈钢模

ELMAX 高耐磨耐腐蚀性塑料模具

CORRAX S336 高耐腐蚀性塑料模具

RAMAX 168 易切削耐腐蚀塑料模

CALMAX 635 冷作及塑胶模

热作工具钢 8407 金属压铸,挤压模

冷作工具钢 DF2 微变形耐磨油钢,冷冲压模

XW42 冷挤压成形模,精密五金模

V10 高寿命精密冲切模

塑胶模具钢 P×88 通用塑胶模,良好抛光性能

NAK55 高性能塑胶模,橡胶模

NAK80 高抛光性镜面塑胶模

S-STAR高镜面度耐腐蚀模具

S-STAR(A) 高镜面度耐腐蚀模具

热作工具钢 DH31-SUPER 金属压铸,挤压模

冷作工具钢 YK30 冲裁模,弯曲模

GOA 冷压加工,冲裁模,成形模

DC11 冷挤压成形,拉伸模

DC53 冷挤压成形,拉伸模,冲裁模

塑胶模具钢 P20HH 塑胶模

P20LQ 塑胶模

塑胶模具钢 LKM 638 一般塑胶模,模架,下模件

LKM 2311 一般塑胶模,模架,下模件

LKM 2312 一般塑胶模,模架,下模件

LKM 738 一般塑胶模,模架,下模件

LKM 738H 一般塑胶模,模架,下模件

LKM 818H 高抛光度及高要求内镶件

LKM 2711 高硬度高韧性大型塑胶模

LKM 2083 防酸性良好抛光性塑胶模

LKM 2083H 防酸性一般抛光性塑胶模

LKM 2316A 高酸性塑胶模

LKM 2316 高酸性塑胶模

LKM 2316ESR 高酸性塑胶模

热作工具钢 LKM 2344 金属压铸,挤压模

LKM 2344SUPER 金属压铸,挤压模

冷作工具钢 LKM 2510 微变形耐磨油钢

LKM 2379 微变形高耐磨油钢

LKM 2767 微变形耐磨油钢

塑胶模具钢 MUP 塑胶模

塑胶模具钢 PORCERAXII PM-35 塑胶及压铸模,透气钢

合金铍铜MOLDMAX MM40 需快速冷却的模芯,镶件

合金铜HIT75 MOD 需快速冷却的模芯,镶件

纯红铜C1100P 铜公工件

电蚀纯红铜 C1100P 铜公工件

合金铝6061-T6/T651 吹塑模,吸塑模,鞋模,发泡模

6061-T6511 吹塑模,吸塑模,鞋模,发泡模

7075-T651

合金钢7022-T651

黄牌中碳钢S50C-S55C

塑胶模具钢舞阳718

优质高速钢 SKH-9/SKH-51

粉末高速钢ASP-23/ASP-60

底碳钢A3

中碳钢45#

概况动向

1.模具钢材生产技术的发展

模具是工业发展的基石，世界各国的制造业为了降低产品成本，提高产品质量和生产效率，改善材料利用率，节约能源，广泛地采用各种模具成形：工艺代替传统的切削加工工艺。机械制造、电子工业、轻工业等工业部门的产品约有60%~80%的工件采用模具成型。很多产品的质量、尺寸精度、表面粗糙度、更新换代的速度和产品的成本，很大程度上取决于模具的质量、使用寿命和制造周期。作为主要模具材料的模具钢材则是模具制造的基础，随着模具工业的迅速发展，对模具钢材的数量、质量、品种、规格、性能等各个方面、不断地提出更高、更新的要求。国内外模具钢材的产量、生产技术、工艺装备、质量、品种等方面都取得了比较迅速的发展。

2.模具钢材产量的发展

模具钢材模具钢材的产量近20年来增长很快，领先于其他钢类，模具钢材的产量占合金工具钢的80%左右。我国模具钢材的产量早已位居世界的前列。

3.模具钢材钢种的发展

随着模具工作条件的日益苛刻，各国在原有的冷作模具钢材、热作模具钢材和塑料模具钢三大类的基础上，又相继发展了不少适应新的要求的新钢种。