模具钢的分类、性能及主要用途

   发布日期：2013-01-21  浏览次数：4 选择视力保护色:

 建国以来我国的模具钢生产发展较快，从无到有，从仿制到自行开发，短短的50年内，我国模具钢产量已跃居世界前列。绝大部分国外的标准钢号和在科研试制中的模具钢号，我国基本上均开展生产和研制工作。通过几次钢种的整顿和标准修订，已经初步形成比较完整的具有中国特色的模具钢系列在模具钢的生产技术、品种质量、科技开发以及应用工作等方面，都取得了较多的新成就。当然，由于发展时间短，与工业发达国家相比，在某些方面还存在一些问题和差距。

模具钢的分类、性能及主要用途

1 分类

2 性能要求

使用性能

工艺性能

3 模具钢的主要用途

冷作模具钢

热作模具钢

塑料模具钢

 1 分类

由于各种模具的工作条件差别很大，所以从化学成分看，模具钢的范围很广，从一般的碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、高速工具钢，直到满足特殊模具要求的奥氏体无磁模具钢、耐蚀模具钢、马氏体时效钢、高温合金、难熔合金、硬质合金及一些专用的采用粉末冶金工艺生产的高合金模具材料等。本书仅讨论常用的模具钢。

 

常用的模具钢，根据其用途和工作条件分为三大类，即冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。

模具钢使用性能

A  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，如图1-2-1所示不能充分反应模具钢的变形抗力。

（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。

 

B 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。

C 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。图1-2-2为用不同钢种制作的标准冲孔模对冷轧硅钢片进行冲孔的试验结果，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。图1-2-3是标准磨具进行耐磨性试验的结果，较好地反映工模具钢在磨粒磨损条件下的耐磨性水平。

D 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

E 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”，临界载荷愈高，标志着咬合抗力愈强。表1-1-4列出了几种工模具材料及其表面强化工艺的咬合临界载荷。

    表1-1-4 几种工模具钢及其表面强化工艺的咬合临界载荷

试验材料	W6Mo5Cr4V2	Cr12MoV	渗硫	离子 渗氮	VC 渗层	TiC 渗层	硬质 合金
咬合临界载荷/N	16	23	24	42	73	75	77

 

 

冷作模具钢

主要用于制造在冷状态（室温）条件下进行压制成形的模具，如冷冲压模具、冷拉伸模具、冷镦模具、冷挤压模具、压印模具、辊压模具等。冷作模具品种多、应用范围广，其产值占模具总产值的30%~40%。采用的钢号很多，一般采用高碳过共析钢和莱氏钢体，如碳素工具钢、低合金油淬冷作模具钢、空淬冷作模具钢、高碳高铬型冷作模具钢、高速钢、低碳高速钢和基本钢及用粉末冶金工艺生产的高合金模具材料等。常用钢号及化学成分见表1-1-1。

表1-1-1 常用冷作模具钢化学成分w/%

钢号		C	Si	Mn	Cr	W	Mo	V	其他
油淬冷作模具钢	9Mn2V	0.85~0.95	≤0.40	1.70~2.00				0.10~0.25
	CrWMn	0.90~1.05	≤0.40	0.80~1.10	0.90~1.20	1.20~1.60
	9CrWMn	0.85~0.95	≤0.40	0.90~1.20	0.50~0.80	0.50~0.80
	9SiCr	0.85~0.95	1.20~1.60	0.30~0.60	0.95~1.25
	Cr	0.95~1.10	≤0.40	≤0.40	1.30~1.70
空淬冷作模具钢	Cr5Mo1V	0.95~1.05	≤0.50	≤1.00	4.75~5.50		0.90~1.40	0.15~0.50
	Cr6WV	1.00~1.15	≤0.40	≤0.40	5.50~7.00	1.10~1.50		0.50~0.70
	Cr4W2MoV	1.12~1.25	0.40~0.70	≤0.40	3.50~4.00	1.90~2.60	0.80~1.20	0.80~1.10
	8Cr2MnWMoVS	0.75~0.85	≤0.40	1.30~1.70	2.30~2.60	0.70~1.00	0.50~0.80	0.10~0.25	S 0.10
高碳冷作模具钢	Cr12	2.00~2.30	≤0.40	≤0.40	11.50~13.00
	Cr12MoV	1.45~1.70	≤0.40	≤0.40	11.00~12.50		0.40~0.60	0.15~0.30
	Cr12Mo1V1	1.40~1.60	≤0.60	0.60	11.00~13.00		0.70~1.20	≤1.10	Co≤1.0

钢号			C	Si	Mn	Cr	W	Mo	V	其他
基体钢和低碳高速钢	6W6Mo5Cr4V		0.55~0.65	≤0.40	≤0.60	3.70~4.30	6.00~7.00	4.50~5.50	0.70~1.10
	6Cr4W3Mo2VNb		0.60~0.70	≤0.40	≤0.40	3.80~4.40	2.50~3.50	1.80~2.50	0.80~1.20	Nb 0.20~0.35
	7W7Cr4MoV		0.60~0.70	≤0.40	≤0.40	4.50~5.00	6.50~7.50	0.20~0.50	0.40~0.70
高韧性高耐磨性冷作模具钢		7Cr7Mo2V2Si	0.70~0.80	0.70~1.20	≤0.40	6.50~7.50		2.00~3.00	1.70~2.20
火焰淬火冷作模具钢		7CrSiMnMoV	0.65~0.75	0.85~1.15	0.65~1.05	0.90~1.20	0.30~0.50		0.15~0.30

 

 

热作模具钢

主要用于制造对高温状态的金属进行热成形的模具。如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热剪切模具等。这类钢含碳量一般为0.3%~0.5%，添加提高高温性能的钨、钼、铬、钒等合金元素，又分为锻造模块用钢、铬钼系热作模具钢、铬钨系热作模具钢、奥氏体型高温热作模具钢等。特殊要求的热作模具有时采用高温合金和难熔合金制造。常用热作模具钢化学成分见表1-1-2。

表1-1-2 常用热作模具钢化学成分w/%

钢号		C	Si	Mn	Cr	Mo	W	V	其他
锻压模块用钢	5CrNiMo	0.50~0.60	≤0.40	0.50~0.80	0.50~0.80	0.15~0.30			Ni 1.40~1.80
	5CrMnMo	0.50~0.60	0.25~0.60	1.20~1.60	0.60~0.90	0.15~0.30
	5NiCrMoV	0.50~0.60	0.10~0.40	0.65~0.95	1.00~1.20	0.45~0.55		0.07~0.12	Ni 1.50~1.80
	5Cr2NiMoV	0.46~0.53	0.60~0.90	0.40~0.60	1.50~2.00	0.80~1.20		0.30~0.50	Ni 0.80~1.20
钢号		C	Si	Mn	Cr	Mo	W	V	其他
铬钼系热作模具钢	4Cr5 MoSiV	0.33~0.43	0.80~1.20	0.20~0.50	4.75~5.50	1.10~1.60		0.30~0.60
	4Cr5 MoSiV1	0.32~0.45	0.80~1.20	0.20~0.50	4.75~5.50	1.10~1.75		0.80~1.20
	4Cr5 W2VSi	0.32~0.42	0.80~1.20	≤0.40	4.50~5.50		1.60~2.40	0.60~1.00
	4Cr5 MoWSiV	0.30~0.40	0.80~1.20	0.20~0.50	4.75~5.50	1.25~1.75	1.00~1.70	≤0.50
铬钨系热作模具钢	3Cr2 W8V	0.30~0.40	≤0.40	≤0.40	2.20~2.70		7.50~9.00	0.20~0.50
	4Cr3Mo3SiV	0.35~0.45	0.80~1.20	0.25~0.70	3.00~3.75	2.00~3.00		0.25~0.75
	5Cr4W5Mo2V	0.40~0.50	≤0.40	≤0.40	3.40~4.40	1.50~2.10	4.50~5.30	0.70~1.10
	5Cr4W2Mo2SiV	0.45~0.55	0.80~1.10	≤0.50	3.70~4.30	1.80~2.20	1.80~2.20	1.20~1.30
	5CrMO3SiMnVAl	0.47~0.57	0.80~1.10	0.80~1.10	3.80~4.30	2.80~3.40		0.80~1.20	Al 0.30~0.70
	3Cr3Mo3W2V	0.32~0.42	0.60~0.90	≤0.65	2.80~3.30	2.50~3.00	1.20~1.80	0.80~1.20
奥氏体型高温热作模具钢	5Mn15 Cr8Ni5 Mo3V2	0.45~0.55	≤1.00	14.50~16.00	7.50~8.50	2.50~3.00		1.50~2.00	Ni 4.50~5.50

塑料模具用钢

近40年来，随着石油化工工业的发展，塑料已成为重要的工业原材料；因此，塑料制品成形用的模具需要量迅速增长，不少工业发达国家塑料模具的产值已经超过冷作模具的产值，在模具制造业中居首位。由于不同类型的塑料制品对模具钢的性能要求有差异，因此在不少国家已经形成包括范围很广的专用塑料模具用钢系列，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、耐蚀型、易切削型、马氏体时效型塑料模具钢以及适应低表面粗糙塑料制品模具用的镜面抛光型塑料模具用钢。常用塑料模具钢的化学成分见表1-1-3。

表1-1-3 常用塑料成型模具用钢化学成分w/%

钢号		C	Si	Mn	Cr	W	Mo	V	其他
非合金塑料成型模具钢	45	0.42~0.50	0.17~0.37	0.50~0.80
	50	0.47~0.55	0.17~0.37	0.50~0.80
	55	0.52~0.60	0.17~0.30	0.50~0.80
	T8	0.75~0.84	≤0.35	≤0.40
	T10	0.95~1.04	≤0.35	≤0.40
	T12	1.15~1.24	≤0.35	≤0.40
渗碳型塑料模具钢	20Cr	0.17~0.24	0.17~0.37	0.50~0.80	0.80~1.10
	12CrNi2	0.10~0.17	0.17~0.37	0.30~0.60	0.60~0.90				Ni1.50~2.00
	12CrNi3	0.10~0.17	0.17~0.37	0.30~0.60	0.60~0.90				Ni2.75~3.25
	20Cr2Ni4	0.17~0.23	0.17~0.37	0.30~0.60	1.20~1.75				Ni3.25~3.75
	20CrMnTi	0.17~0.23	0.17~0.37	0.80~1.10	1.00~1.30				Ti0.04~0.10
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