模具钢工艺性能与用途

模具钢模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本、而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。简介模具钢大致可分为（冷作模具钢）、（热作模具钢）和（塑料模具钢）3类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。由于这类用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢的性能要求也不同。冷作模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具有钢，按其所制造具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳合金钢，碳质量分数在0.80%以上，铬是这类钢的重要合金元素，其质量分数通常不大于5%。但对于一些耐磨性要求很高，淬火后变形很小模具用钢，最高铬质量分数可达13%，并且为了形成大量碳化物，钢中碳质量分数也很高，最高可达2.0%~2.3%。冷作模具钢的碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常用的钢类有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。热作模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型，包括热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。热变形模具在工作中除要承受巨大的机械应力外，还要承受反复受热和冷却的做用，而引起很大的热应力。热作模具钢除应具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性外，还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性，此外还要求具有较高的淬透性，以保证整个截面具有一致的力学性能。对于压铸模用钢，还应具有表面层经反复受热和冷却不产生裂纹，以及经受液态金属流的冲击和侵蚀的性能。这类钢一般属于中碳合金钢，碳质量分数在0.30%~0.60%，属于亚共析钢，也有一部分钢由于加入较多的合金元素（如钨、钼、钒等）而成为共析或过共析钢。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。塑料模具包括热塑性塑料模具和热固性塑料模具。塑料模具用钢要求具有一定的强度、硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性等性能。此外，还要求具有良好的工艺性，如热处理变小、加工性能好、耐蚀性好、研磨和抛光性能好、补焊性能好、粗糙度高、导热性好和工作条件尺寸和形状稳定等。一般情况下，注射成形或挤压成形模具可选用热作模具钢；热固性成形和要求高耐磨、高强度的模具可选用冷作模具钢。分类美国按模具服役条件将模具钢分为三大类，美国金属学会工具钢委员会列出了：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。其中，冷作模具钢又分出12小类，热作模具钢9小类，塑料模具钢2小类。每个小类的选材又取决于三个主要因素：◆尺寸大小和形状的复杂性，◆被加工的材料，◆耐久性要求或设计寿命。1.冷作模具钢（1）分为五组：W组、O组、A组、D组、S组。◆W组即水淬工具钢，有11个钢种，7个碳素工具钢，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。2.热作模具钢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。3.塑料模具钢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。目前塑料模具中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。模具钢工艺性能可加工性——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，减少磨料消耗、降低成本。淬透性和淬硬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。淬火温度和热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。智氧化逼、脱娇碳敏彻感性往段模具银在加治热过动程中基，如滋果发浇生痕氧化浪、脱忽碳现拜象，进就会裤使其决硬度奋、耐浪磨性招、使折用性竖能和棵使用蚕寿命侵降低屿；因充此，发要求分模具温钢的是氧化爹、脱回碳敏淘感性栗好。毛对于截含钼枝量较梅高的魄模具客钢，屿由于融氧化告、脱艇碳敏氧感性改强，洁需采辱用特早种热控处理锐，如行真空峰热处态理、军可控崖气氛完热处道理、泡盐浴事热处案理等愧。蚊其他屑因素乘省在选摧择模供具钢购时，岔除了遣必须朗考虑右使用翁性能斥和工晃艺性请能之遣外，性还必撕须考孕虑模嘱具钢册的通拘用性猴和钢枣材的迁价格奇。模环具钢桨一般典用量正不大主，为符了便荷于备虽料，粘应尽携可能剂地考拳虑钢稻的通围用性追，尽遍量利纲用大枣量生罗产的毕通用粱型模屠具钢茎，以双便于蚂采购垦、备还料和毕材料毫管理渔。另择外还乞必须矛从经睡济上值进行碌综合出分析忙，考小虑模春具的堤制造瓣费用易、工嚷件的漏生产解批量科和分旺摊到鸟每粪一个甘工件先上的叔模具狂费用赤。从敲技术侵、经竖济方告面全让面分网析，软以最星终选犯定合摸理的板模具恰材料南。晓万性能显要求1.强度性能（1）硬度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HR0~55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。2.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。3.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，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钢为基准进行对比。4.抗热疲劳能力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，还受到高温钓及周拢期性封的急贺冷急鞋热的汤作用梦，因智此，采评价奶热作示模具歪钢的乐断裂神抗力别应重孕视材瑞料的贫热机菠械疲建劳断秘裂性篮能。涛热机侨械疲渔劳是弃一种尺综合岛性能从的指险标，首它包速括热焰疲劳问性能弊、机缠械疲糕劳裂粉纹扩致展速和率和侮断裂梳韧性用三个滥方面灶。怨理僚热疲衫劳性狭能反绝映材斤料在猎热疲炊劳裂副纹萌泛生之芽前的诞工作欢寿命祖，抗勇热疲访劳性须能高界的材广料，斩萌生器热疲期劳裂哑纹的剥热循舱环次性数较姓多刷；机腔械疲纺劳裂佛纹扩路展速最率反撤映材痛料在透热疲背劳裂费纹萌巨生之举后，歉在锻锄压力蝴的作享用下恭裂纹贿向内办部扩艺展时赏，每拘一应川力循忠环的葬扩展旦量；威断裂盆韧性突反映毁材料允对已逐存在桐的裂袍纹发运生失浪稳扩捷展的链抗力五。断位裂韧盐性高叔的材亮料，饶其中溉的裂雄纹如姐要发帮生失闲稳扩子展，盈必须培在裂小纹尖么端具代有日足够潜高的趟应力掉强度循因子坛，也盲就是膛必须藏有较未大的碰裂纹若长度凯。在吴应力盯恒定沸的前灰提下穷，在正一种牛模具矮中已昂经存篮在一妨条疲要劳裂滔纹，弱如果辟模具胜材料睛的断场裂韧树性值蔽较高牙，则茫裂纹慈必须瓜扩展谱得更担深，其才能铃发生杨失稳照扩展怎。尖吹择也就议是说宅，抗养热疲始劳性税能决殃定了箩疲劳扣裂纹钟萌生碍前的仁那部舰分寿划命；觉而裂山纹扩如展速蒙率和架断裂久韧性获，可萍以决些定当练裂纹旗萌生泰后发汉生测亚临德界扩丈展的强那部裤分寿欧命。叼因此什，热找作模聚具如距要获毫得高掩的寿省命，复模具斜材料铸应具择备高尤的抗食热疲届劳性想能、捆低的还裂纹停扩展茎速率卸和高柜的断乖裂韧顶性值汇。材价秋抗热漆疲劳录性能属的指究标可那以用甘萌生压热疲绞劳裂炊纹的获热循封环数真，也愈可以俭用经榜过一劝定的陷热循洽环后会所出领现的紧疲劳省裂肿纹的缓条数成及平牛均的学深度折或长恩度来债衡量复。曲青5.捎咬合慰抗力泽棕蚁咬合榆抗力孙实际极就是开发茄生镇“禾冷焊墓”侍时的誉抵抗险力。薄该性漫能对党于模欣具材趴料较击为重叠要。渴试验脏时通揪常在丑干摩彻擦条贩件下桃，把竟被试觉验的迷工具政钢试佣样与炊具有览咬合止倾向秤的材存料（祖如欢奥氏请体往钢）抗进行虽恒速静对偶印摩擦堵运动真，以忙一定贤的速贝度逐陵渐增敢大载渣荷，侄此时锤，转奥矩也们相应嚼增大清，该珍载荷掠称铜为产“捞咬合超临界鸦载桥荷匠”延，临宏界载桨荷愈乌高，杏标志满着咬弃合抗笛力愈革强。禁订在模千具生喂产成肚本中甚，材停料费甩用一运般够占穗10罢%~访20誉%超，而桌机械春加工骆、热家处理熄、装膀配和揪管理刚费用掘占受80柏%喉以上敢，所超以模熟具材络料的呢工艺骨性能广是影颤响模款具的丧生产睡成本困和制例造难纠易的保主要恼因素倒之一犹。庭倾1.丛可加兔工性奥防（树1旁）热观加工砖性能塘，指循热塑顷性、陷加工迹温度番范围惰等；烈惜（轰2作）冷巩加工税性能籍，指伏切削定、磨浆削、天抛光阿、冷划拔等饰加工颂性能薄。贝尺赞冷作徐模具轿钢大岸多属笨于过静共析健钢和氧莱氏鲁体钢镰，热赚加工逮和冷食加工肚性能预都不私太好腥，因会此必唇须严驱格控换制热轿加工悠和冷鞠加工决的工聚艺参秆数，近以避筐免产泛生缺编陷和渔废品汁。另决一方确面，促通甩过提炭高钢榜的纯漂净度栽，减爽少有河害杂符质的当含量虑，改垦善钢备的组捕织状橡态，捧以改虹善钢敏的热邪加工否和冷款加工巩性能勒，从粥而降狼低模隙具的讲生产纱成本杠。唱扔尚为改计善模容具钢围的冷远加工盐性能瓶，驱自按2筒0咐世窗纪娱3太0祖年代赤开始枯，研扣究向庭模具结钢中筑加栋入丽S草、渠P陈b订、骆C吨a已、急T塔e垒等易储切削舰加工用元缺素或艺导致石模具防钢中牛碳的洁石墨致化的星元素攻，发碰展了警各种滚易切那削模乎具钢弄，以番进一嚷步改谷善其鼠切削雕性能回和磨免削性肠能，冶减少揭磨料堆消耗慨、降斤低成怀本。挽累2.调淬透膜性和粗淬硬纵性宰熊淬透哀性主痛要取雪决于奏钢的朋化学盘成分尸和淬核火前猾的原围始组叫织状队态；帽淬硬卖性则坐主要钟取决姥于钢湾中的磁含碳据量。子对于笨大部酬分的杠冷作比模具想钢，漏淬硬锦性往莫往是脖主要垮的考齐虑因返素之般一。卧对济于热侧作模浊具钢霜和塑许料模嘱具钢灵，一罚般模垦具尺本寸较轧大，网尤其将是制础造大吵型模浪具，衣其淬缸透性膊更为捕重要蒜。另帜外，轧对于遵形状侄复杂蔽容易餐产生愁热处纵理变晴形的乔各种匠模具瞎，为蓝了减墓少淬盗火变运形，己往往注尽可值能采校用冷捉却能严力较努弱的露淬火两介质鼓，如摇空冷面、油牛冷或杨盐浴枝冷却郑，为晋了得奸到要店求尼的硬清度和亏淬硬晃层深换度，稠就需丑要采葬用淬迫透性灭较好胁的模和具钢按。银菠怜鲁3.茂淬火岁温度认和热隆处理汗变形唯凭饼既为了堤便于乖生产捏，要测求模扶具钢奔淬火严温度忍范围甚尽可慎能放艰宽一李些，撤特别鹿是当胸模具螺采用秒火焰唯加热乘局部刮淬火浅时，李由于泄难于销准确碌地测敌量和稳控制姐温度虚，就绕要求粉模具组钢有渴更宽差的淬倡火温据度范替围。输棕三模具着在热填处理撑时，务尤其坟是在菊淬火嫩过程东中，峡要产要生体淘积变畅化、锁形状到翘曲石、畸胁变等认，为松保证炊模具爆质量奇，要遵求模延具钢庙的热寸处理递变形箩小，腰特别程是对发于形挥状复还杂的扒精密诚模具偿，淬蚁火后射难以厘修整尖，对免于热钳处理肚变形府程度禁的要踢求更烟为苛电刻，绪应该怜选用组微变幅形模找具钢议制造填。诚柏4.英氧化振、脱绞碳敏罗感性德既欧模具锣在加拆热过虚程中口，如傻果发司生氧钢化、御脱碳墓现象屋，就狱会使缎其硬绳度、降耐磨适性、膛使用蚕性能门和使腥用寿挎命降乓低；壤因此插，要寨求模龙具钢妙的氧善化、颜脱碳挺敏感拆性好萍。对椅于含枯钼量切较高禽的模旺具钢颗，由攻于氧甩化、涝脱摆碳敏栗感性跑强，避需采勿用特管种热盘处理泛，如灵真空广热处筹理、计可控梁气氛上热处征理、睁盐浴预热处徒理等志。壁绳5雨.注其他悄因素洗绘欺罚梨在选雅择模雕具茶钢时世，除疾了必