模具鋼材
模具鋼材是用來制造冷沖模、熱鍛模壓鑄模等模具的鋼種。模具材料是模具制造業的物質和技術基礎，其中模具鋼材是傳統的模具材料，其品種、規格、質量對模具的性能、使用壽命和制造周期起著決定性的作用。近年來，國內外模具鋼材的產量、生產技術、工藝裝備、質量、品種等方面都取得了比較迅速的發展，國內也涌現了撫順特鋼，長城特鋼，興澄特鋼，杭鋼等一批優質生產企業，模具鋼材的發展也推動了工業產品向高級化、個體化、高附加值化的方向發展。模具的用途很廣，制造模具用材料范圍很廣，在模具材料中應用最廣的當屬模具鋼材。
1.分類介紹
加工模具時用的，由于模具的用途很廣，各種模具的工作條件差別很大，所以，制造模具用材料范圍很廣，在模具材料中應用最廣的當屬模具鋼。從—般的碳素結構鋼、碳素工具鋼、合金結構鋼、合金工具鋼、彈簧鋼、高速工具鋼、不銹耐熱鋼直到適應特殊模具需要的馬氏體時效鋼以及粉末高速鋼、粉末高合金模具鋼等。模具鋼按用途一般可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料成型用模具鋼三大類
冷作模具
冷作模具鋼主要用于制造對冷狀態下的工件進行壓制成型的模具。如：冷沖裁模具、冷沖壓模具、冷拉深模具、壓印模具、冷擠壓模具、螺紋壓制模具和粉末壓制模具等。冷作模具鋼的范圍很廣，.從各種碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼到粉末高速工具鋼和粉末高合金模具鋼。冷作模具鋼具是真空脫氣精煉鋼，內質純凈，機械加工性良好，切削明顯提高，淬透性良好，空冷淬硬不易出現淬裂，耐磨性極為優異，韌性良好，可用作不銹鋼及高硬度材料的沖裁模。
熱作模具
熱作模具鋼主要用于制造對高溫狀態下的工件進行壓力加工的模具。如：熱鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱鐓鍛模具等。常用的熱作模具鋼有：中高含碳量的添加Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具鋼；對特殊要求的熱作模具鋼，有時采用高合金奧氏體耐熱模具鋼制造。
塑料模具
由于塑料的品種很多，對塑料制品的要求差別也很大，對制造塑料模具的材料也提出了各種不同的性 能要求。所以，不少工業發達的國家已經形成了范圍很廣的塑料模具用鋼系列。包括碳素結構鋼、滲碳型塑料模具鋼、預硬型塑料模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、耐蝕塑料模具鋼、易切塑料模具鋼、整體淬硬型塑料模具鋼、馬氏體時效鋼以及鏡面拋光用塑料模具鋼等。
2.使用性能
強度性能
1.硬度是模具鋼的主要技術指標，模具在高應力的作用下欲保持其形狀尺寸不變，必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般硬度保持在HRC60左右，熱作模具鋼根據其工作條件，一般要求保持在HRC40~55范圍。對于同一鋼種而言，在一定的硬度值范圍內，硬度與變形抗力成正比；但具有同一硬度值而成分及組織不同的鋼種之間，其塑性變形抗力可能有明顯的差別。
2.紅硬性 在高溫狀態下工作的熱作模具，要求保持其組織和性能的穩定，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱為紅硬性。碳素工具鋼、低合金工具鋼通常能在180~250℃的溫度范圍內保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃的溫度范圍內保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學成分和熱處理工藝。
3.抗壓屈服強度和抗壓彎曲強度 模具在使用過程中經常受到強度較高的壓力和彎曲的作用，因此要求模具材料應具有一定的抗壓強度和抗彎強度。在很多情況下，進行抗壓試驗和抗彎試驗的條件接近于模具的實際工作條件（例如，所測得的模具鋼的抗壓屈服強度與沖頭工作時所表現出來的變形抗力較為吻合）。抗彎試驗的另一個優點是應變量的絕對值大，能較靈敏地反映出不同鋼種之間以及在不同熱處理和組織狀態下變形抗力的差別。
韌性
在工作過程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、崩刃等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。
模具鋼的化學成分，晶粒度，純凈度，碳化物和夾雜物等的數量、形貌、尺寸大小及分布情況，以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素都對鋼的韌性帶來很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對于其橫向韌性的影響更為明顯。鋼的韌性、強度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此，要合理地選擇鋼的化學成分并且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，以使模具材料的耐磨性、強度和韌性達到最佳的配合。
沖擊韌性系表特征材料在一次沖擊過程中試樣在整個斷裂過程中吸收的總能量。但是很多工具是在不同工作條件下疲勞斷裂的，因此，常規的沖擊韌性不能全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次沖擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽命等試驗技術正在被采用。
抗熱疲勞
熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化之外，還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用，因此，評價熱作模具鋼的斷裂抗力應重視材料的熱機械疲勞斷裂性能。熱機械疲勞是一種綜合性能的指標，它包括熱疲勞性能、機械疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性三個方面。
熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命，抗熱疲勞性能高的材料，萌生熱疲勞裂紋的熱循環次數較多；機械疲勞裂紋擴展速率反映材料在熱疲勞裂紋萌生之后，在鍛壓力的作用下裂紋向內部擴展時，每一應力循環的擴展量；斷裂韌性反映材料對已存在的裂紋發生失穩擴展的抗力。斷裂韌性高的材料，其中的裂紋如要發生失穩擴展，必須在裂紋尖端具有足夠高的應力強度因子，也就是必須有較大的裂紋長度。在應力恒定的前提下，在一種模具中已經存在一條疲勞裂紋，如果模具材料的斷裂韌性值較高，則裂紋必須擴展得更深，才能發生失穩擴展。
也就是說，抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命；而裂紋擴展速率和斷裂韌性，可以決定當裂紋萌生后發生亞臨界擴展的那部分壽命。因此，熱作模具如要獲得高的壽命，模具材料應具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴展速率和高的斷裂韌性值。
抗熱疲勞性能的指標可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環數，也可以用經過一定的熱循環后所出現的疲勞裂紋的條數及平均的深度或長度來衡量。
耐磨性
決定模具使用壽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當大的壓應力和摩擦力，要求模具能夠在強烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨損主要是機械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類型。為了改善模具鋼的耐磨性，就要既保持模具鋼具有高的硬度，又要保證鋼中碳化物或其他硬化相的組成、形貌和分布比較合理。對于重載、高速磨損條件下服役的模具，要求模具鋼表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，保持潤滑作用，減少模具和工件之間產生粘咬、焊合等熔融磨損，又能減少模具表面進行氧化造成氧化磨損。所以模具的工作條件對鋼的磨損有較大的影響。
耐磨性可用模擬的試驗方法，測出相對的耐磨指數?，作為表征不同化學成分及組織狀態下的耐磨性水平的參數。以呈現規定毛刺高度前的壽命，反映各種鋼種的耐磨水平；試驗是以Cr12MoV鋼為基準（?=1）進行對比。
咬合抗力
咬合抗力實際就是發生“冷焊”時的抵抗力。該性能對于模具材料較為重要。試驗時通常在干摩擦條件下，把被試驗的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料（如奧氏體鋼）進行恒速對偶摩擦運動，以一定的速度逐漸增大載荷，此時，轉矩也相應增大，該載荷稱為“咬合臨界載荷”，臨界載荷越高，標志著咬合抗力越強。
3.性能要求
1.退火工藝性
球化退火溫度范圍寬，退火硬度低且波動范圍小，球化率高。
2.可鍛性
具有較低的熱鍛變形抗力，塑性好，鍛造溫度范圍寬，鍛裂冷裂及析出網狀碳化物傾向低。
3.氧化、脫碳敏感性
高溫加熱時抗氧化懷能好，脫碳速度慢，對加熱介質不敏感，產生麻點傾向小。
4.切削加工性
切削用量大，刀具損耗低，加工表面粗糙度低。
5.淬透性
淬火后能獲得較深的淬硬層，采用緩和的淬火介質就能淬硬。
6.可磨削性
砂輪相對損耗小，無燒傷極限磨削用量大，對砂輪質量及冷卻條件不敏感，不易發生磨傷及磨削裂紋。
7.淬硬性
淬火后具有均勻而高的表面硬度。
8.淬火變形開裂傾向
常規淬火體積變化小，形狀翹曲、畸變輕微，異常變形傾向低。常規淬火開裂敏感性低，對淬火溫度及工件形狀不敏感。
4產品分類
冷作模具
1.分為五組：W組、O組、A組、D組、S組。 ◆ W組即水淬模具鋼，有11個鋼種，7個碳素模具鋼，含碳量從0.7%-1.3%。 ◆ O組即油淬冷作模具鋼（俗稱油鋼），有4個鋼種，含碳量在0.85%-1.55%， ◆ A組即空淬中合金冷作模具鋼，有9個鋼種，含碳量從0.5%-2.25%。 ◆ D組即高碳高鉻冷作模具鋼，有7個鋼種，含碳量0.9%-2.5%。 ◆ S組即耐沖擊工具鋼，有7個鋼種，含碳量0.4%-0.6%。 用于冷作模具還有高速鋼（HSS組）和超高速鋼（SHSS組），鈷基硬質合金和鋼結硬質合金（HA組），粉末鋼和工程陶瓷（PIM組），碳鎢工具鋼（F組），特殊用途工具鋼（L組）。 （2.冷作模具鋼的選用 冷作模具鋼的主系列是高硬冷作類，主要用于要求高抗壓和耐磨為主的模具，硬度高于HRC60-62。對于要求耐沖擊、韌性高的模具，硬度低于HRC60- 62，主要用S類和部份A類和最普通的調質鋼、彈簧鋼、熱作模具或基體鋼。對于大型沖壓模，如汽車外型沖壓件，主要用鑄鐵類。簡易或壽命數量少的用鋅基合金或高分子復合材料。 高速鋼和超高速鋼在冷作模具中的應用迅速增長。主要是有高的"抗壓強度/硬度" 比值。且硬度可在HRC60-70之間選擇。 粉末模具鋼有優良的耐磨壽命，硬度不大高HRC60-62，應用相當多。 碳素工具鋼在壽命10萬件的沖頭或軟材料沖壓模仍有一定的應用范圍。
熱作模具
美國熱作模具鋼分二大類：熱作模具鋼，和超級熱強合金。 熱作模具由于在有溫度的條件下工作，要求材料具有熱強性和熱耐磨性，為了保證模具的使用壽命模具要冷卻，熱冷交替模具會出現龜裂，即熱疲勞裂紋，所以材料又要求有抗裂紋能力和抗熱疲勞性能。 按熱強性排列的主系列進行選材: 低合金調質模具鋼（6G，6F2，6F3）→中鉻熱作模具鋼（H11、H12、H13）→鎢熱作模具鋼（H21，H22）。 非標準的熱作模具鋼：例如熱鐓鍛模具用時效硬化型的6H4。使用H11、H12、H13出現了不能滿足熱耐磨性時，可以選擇6H1，6H2。 當要求模具以熱作耐磨性為主時，可以選擇D2，D4→M2，M4→粉末鋼。鋼結硬質合金、鈷基硬質合金的高溫耐磨性是很高的，但其熱疲勞性（即冷熱抗疲勞裂紋）很差，不能在急冷急熱狀態下使用。
塑料模具
美國是最早在工具鋼中列出塑料模具專用鋼的國家，以P來表示為主，共分為五類。
滲碳型塑料模具鋼：P1，P2，P3，P4，P5，P6。這類鋼含碳量很低，主要是美國早期及用擠壓成型制模法，要求冷塑性好，有高的擠壓性能，成型后表面滲碳淬火提高表面硬度，使用壽命長。芯部超低碳可使淬火時變形量最小。
調質型塑料模具：P20，P21。塑料模具中P20的用量很大，已成為主體，大多數在預硬狀態時使用。
中碳合金工具鋼用于熱固性塑料模。鋼號有H13，而L2和S7，O1和A2也有應用。這一類的特點是： （1）基本屬二次硬化金鋼，500-600oC時的熱強性好。 （2）含鉻較高，大氣腐蝕性好。 （3）淬透性極好，適用于大模塊。
不銹鋼用于耐蝕性要求高的塑料模，主要鋼號有420，414L，440，416。
時效鋼是經過時效處理而獲得高的使用性能。有兩種，一種是P21低碳Ni-A1時效鋼；另一類是18Ni馬氏體時效鋼。后者是用于宇航工業的無碳高純度、高強度、高韌性的材料。用于力學性能、尺寸精度、光潔度和耐蝕性都要求高的塑料模具中。
塑料模具鋼的選用 :薄壁的塑料箱體，生產批量在小于10萬件時，用P20，P21預硬態（HB250～300），腐蝕性較強時用414L。高壽命的普通塑料模，用P6或P20，經滲碳一淬火后硬度在HRC54-58；塑料件不太大時，可用O1，S7。腐蝕性較強時用420。非高溫的熱固性模用P6，P20經滲碳淬火后使用。腐蝕性強用420。高溫熱固性塑料模用H13和S7或滲碳鋼P4。這些含鉻較高有好的抗回火性和抗高溫氧化性。
塑膠模具
塑膠模具鋼分預硬普通塑膠模具鋼,預硬優質塑膠模具鋼,預硬高硬度塑膠模具鋼,預硬抗腐鏡面塑膠模具鋼,抗腐鏡面塑膠模具鋼5小類塑膠模具鋼質量等級分配 模具類別以美國SPI-SPE 為標準分下列各類.
一.101 類模(SPI-SPE標準1,000,000 啤或以上,長期精密生產模)
1. 需要詳細模具結構圖.
2. 模胚材料硬度最低為 280BN.(DME#2 鋼 / 4140 鋼)
3. 有膠位的內模件鋼材一定要見硬至 48~50HRC.其余零件如行位,壓鎖,壓條等亦應為硬件.
4. 頂針板要有導柱.
5. 行位要有硬片
6. 如有需求的話,上模,下模及行位要有溫度控制.
7. 所有運水道,建議采用無電浸鎳或用420 不銹鋼做模板.這樣可防止生銹及清理垃圾.
8. 需要直身鎖或斜鎖.
二.102 類模.(不超過一百萬啤,大量生產模具.)
1. 需要詳細模具結構圖.
2. 模胚材料硬度最低為 280BHN.(DME#2 鋼 / 4140 鋼)
3. 有膠位的內模件鋼材要見硬至最低 48~52HRC,其余有用的零件亦應同一處理.
4. 建議采用直身鎖或斜鎖.
5. 下列項目可能或不需要.視乎最終生產數量而定.建議報價時如采用下列項目要檢查清楚是否需要:A. 頂針板導柱.B. 行位硬片.C. 電鍍運水孔.D. 電鍍模腔.
三.103 類模(少於50萬啤,中量生產模.)
1. 需要詳細模具結構圖.
2. 模胚材料硬度最小為 165BHN.(DME #1 鋼 / 1040 鋼)
3. 內模鋼材為 P20(28~32HRC)或高硬度(36~38HRC).
4. 其余要求視乎需要而定.
四.104 類模(少於10萬啤,少量生產模)
1. 需要模具結構圖.
2. 模胚材料 P20(28~32HRC)可用軟鋼或鋁.(1040 鋼)
3. 內模件可用鋁,軟鋼或其它認可金屬.
4. 其余要求視乎需要而定.
五.105 類模.(少於500 啤,首辦模或試驗模)
可用鋁鑄鐵或環氧樹脂或任何材料只要有足夠強度可生產最少測試數量便可
5工藝性能
在模具生產成本中，材料費用一般占10%~20%，而機械加工、熱處理、裝配和管理費用占80%以上，所以模具的工藝性能是影響模具的生產成本和制造難易的主要因素之一。
可加工性
熱加工性能，指熱塑性、加工溫度范圍等；
冷加工性能，指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。
冷作模具鋼大多屬于過共析鋼和萊氏體鋼，熱加工和冷加工性能都不太好，因此必須嚴格控制熱加工和冷加工的工藝參數，以避免產生缺陷和廢品。另一方面，通過提高鋼的純凈度，減少有害雜質的含量，改善鋼的組織狀態，以改善鋼的熱加工和冷加工性能，從而降低模具的生產成本。
為改善模具鋼的冷加工性能，自20世紀30年代開始，研究向模具鋼中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或導致模具鋼中碳的石墨化的元素，發展了各種易切削模具鋼，以進一步改善其切削性能和磨削性能，減少刀具磨料消耗、降低成本。
淬透性
淬透性主要取決于鋼的化學成分和淬火前的原始組織狀態；淬硬性則主要取決于鋼中的含碳量。對于大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素之一。對于熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是制造大型模具，其淬透性更為重要。另外，對于形狀復雜容易產生熱處理變形的各種模具，為了減少淬火變形，往往盡可能采用冷卻能力較弱的淬火介質，如空冷、油冷或鹽浴冷卻，為了得到要求的硬度和淬硬層深度，就需要采用淬透性較好的模具鋼。
處理變形
為了便于生產，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些，特別是當模具采用火焰加熱局部淬火時，由于難于準確地測量和控制溫度，就要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。
模具在熱處理時，尤其是在淬火過程中，要產生體積變化、形狀翹曲、畸變等，為保證模具質量，要求模具鋼的熱處理變形小，特別是對于形狀復雜的精密模具，淬火后難以修整，對于熱處理變形程度的要求更為苛刻，應該選用微變形模具鋼制造。
敏感性
模具在加熱過程中，如果發生氧化、脫碳現象，就會使其硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低；因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對于含鉬量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強，需采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。
6.常用模具
塑膠模具鋼MEK 4 高耐磨高韌性之塑膠模
X13T6W (236) 高耐磨高耐腐蝕鏡面模具
X13T6W(236H) 高耐磨高耐腐蝕鏡面模具
熱作工具鋼 SMV3W 壓鑄模,擠壓模,塑料模
ADC 3 壓鑄模,擠壓模
塑膠模具鋼 718S 塑料模之內模件
718H 塑料模之內模件
S136 耐腐蝕鏡面模具
S136H 耐腐蝕鏡面模具
OPTIMAX 光學級鏡面不銹鋼模
ELMAX 高耐磨耐腐蝕性塑料模具
CORRAX S336 高耐腐蝕性塑料模具
RAMAX 168 易切削耐腐蝕塑料模
CALMAX 635 冷作及塑膠模
熱作工具鋼 8407 金屬壓鑄,擠壓模
冷作工具鋼 DF2 微變形耐磨油鋼,冷沖壓模
XW42 冷擠壓成形模,精密五金模
V10 高壽命精密沖切模
塑膠模具鋼 P×88 通用塑膠模,良好拋光性能
NAK55 高性能塑膠模,橡膠模
NAK80 高拋光性鏡面塑膠模
S-STAR高鏡面度耐腐蝕模具
S-STAR(A) 高鏡面度耐腐蝕模具
熱作工具鋼 DH31-SUPER 金屬壓鑄,擠壓模
冷作工具鋼 YK30 沖裁模,彎曲模
GOA 冷壓加工,沖裁模,成形模
DC11 冷擠壓成形,拉伸模
DC53 冷擠壓成形,拉伸模,沖裁模
塑膠模具鋼 P20HH 塑膠模
P20LQ 塑膠模
塑膠模具鋼 LKM 638 一般塑膠模,模架,下模件
LKM 2311 一般塑膠模,模架,下模件
LKM 2312 一般塑膠模,模架,下模件
LKM 738 一般塑膠模,模架,下模件
LKM 738H 一般塑膠模,模架,下模件
LKM 818H 高拋光度及高要求內鑲件
LKM 2711 高硬度高韌性大型塑膠模
LKM 2083 防酸性良好拋光性塑膠模
LKM 2083H 防酸性一般拋光性塑膠模
LKM 2316A 高酸性塑膠模
LKM 2316 高酸性塑膠模
LKM 2316ESR 高酸性塑膠模
熱作工具鋼 LKM 2344 金屬壓鑄,擠壓模
LKM 2344SUPER 金屬壓鑄,擠壓模
冷作工具鋼 LKM 2510 微變形耐磨油鋼
LKM 2379 微變形高耐磨油鋼
LKM 2767 微變形耐磨油鋼
塑膠模具鋼 MUP 塑膠模
塑膠模具鋼 PORCERAXII PM-35 塑膠及壓鑄模,透氣鋼
合金鈹銅MOLDMAX MM40 需快速冷卻的模芯,鑲件
合金銅HIT75 MOD 需快速冷卻的模芯,鑲件
純紅銅C1100P 銅公工件
電蝕純紅銅 C1100P 銅公工件
合金鋁6061-T6/T651 吹塑模,吸塑模,鞋模,發泡模
6061-T6511 吹塑模,吸塑模,鞋模,發泡模
7075-T651
合金鋼7022-T651
黃牌中碳鋼S50C-S55C
塑膠模具鋼舞陽718
優質高速鋼 SKH-9/SKH-51
粉末高速鋼ASP-23/ASP-60
底碳鋼A3
中碳鋼45#
概況動向
1.模具鋼材生產技術的發展
模具是工業發展的基石，世界各國的制造業為了降低產品成本，提高產品質量和生產效率，改善材料利用率，節約能源，廣泛地采用各種模具成形：工藝代替傳統的切削加工工藝。機械制造、電子工業、輕工業等工業部門的產品約有60%~80%的工件采用模具成型。很多產品的質量、尺寸精度、表面粗糙度、更新換代的速度和產品的成本，很大程度上取決于模具的質量、使用壽命和制造周期。作為主要模具材料的模具鋼材則是模具制造的基礎，隨著模具工業的迅速發展，對模具鋼材的數量、質量、品種、規格、性能等各個方面、不斷地提出更高、更新的要求。國內外模具鋼材的產量、生產技術、工藝裝備、質量、品種等方面都取得了比較迅速的發展。
2.模具鋼材產量的發展
模具鋼材模具鋼材的產量近20年來增長很快，領先于其他鋼類，模具鋼材的產量占合金工具鋼的80%左右。我國模具鋼材的產量早已位居世界的前列。
3.模具鋼材鋼種的發展
隨著模具工作條件的日益苛刻，各國在原有的冷作模具鋼材、熱作模具鋼材和塑料模具鋼三大類的基礎上，又相繼發展了不少適應新的要求的新鋼種。