模具钢的应用

模具钢的应用
1模具钢的发展机遇
1.1模具在先进制造业中的作用与地位
模具是先进制造业生产中极其重要的特殊基础工艺装备，其生产过程集精密制造、计算机技术、智能控制和绿色制造为一体，既是高新技术载体，又是高新技术产品。

由于使用模具批量生产制件具有高生产效率、高一致性、低的耗能耗材，以及有较高的精度和复杂程度，因此已越来越被国民经济各工业生产部门所重视，被广泛用于机械、电子、汽车、信息、航空、航天、轻工、军工、交通、建材、医疗、生物、能源等制造领域，在我国经济发展、国防现代化和高端服务中起到了十分重要的支撑作用，也为我国经济运行中的节能降耗作出了重要贡献。

工业要发展，模具须先行，没有高水平的模具就没有高水平的工业产品。

现在，模具工业水平已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，也是一个国家的工业产品保持国际竞争力的重要保证之一。

1.2 模具钢市场发展前景
模具钢是模具产业最重要的技术和物质基础，其品种、规格、性能、质量对模具的性能、使用寿命、制造周期以及工业产品的更新换代速度和产品向高级化、多样化、个性化、再附加值化方向发展有着重要意义，因而模具钢的水平和发展一直受到各国的重视。

近十几年来国产模具产值每年平均递增15%，高于我国GDP的
增长速度。

由于模具制造业的迅速发展，拉动了国产模具钢的消费，使国产模具钢市场始终处于供需两旺的状态，形势喜人。

图1是历年来我国模具产值，自2005年以来，我国模具产值已居世界第三位，图2是我国主要钢厂模具钢的产量，显然国产模具钢的产量也是逐年增加（不包括民营企业产量）。

图1历年来我国模具产值
图2 我国主要钢厂模具钢的产量
必须指出，在二十多年前，中国的模具在世界上默默无闻，而如今已是世人注目，图3是历年来我国进出口模具金额的变化。

显然，自2008年开始，我国进出口模具金额已趋于平衡，而2010年开始由逆差变为顺差；2011年进口总金额为22.35亿美元，而出口总金额达
30.05亿美元，即出口顺差为7.7亿美元，按当年出口冲压模具平均每吨价格为10263美元估算，需应用30万吨的钢材。

出口模具金额迅速的增加，是我国模具钢生产厂很值得注意的市场发展动向，它既增加模具钢的需求量，又将促进国产模具钢质量的提高。

图3 我国进出口模具金额的变化
1.3 骨干企业生产模具钢硬件条件基本具备
近十几年来，为适应我国模具工业的发展，生产高档模具钢产品，我国生产模具钢的骨干企业如东北特钢，上钢五厂，长城特钢和大冶钢厂等均做了大量的技术装备改造工作，东北特钢，上钢五厂还引进了具有国际先进水平的模具钢生产设备和技术。

如今，这些企业在冶炼、热加工等主机设备方面与国际一流的模具钢专业生产厂如瑞典的乌德霍姆、日本日立等已经不相上下，他们还投资建立模具钢热处理生产线和加工中心，为生产高品质模具钢产品提供了可靠的硬件条件。

2挑战
2.1 钢材质量和性能较低、不稳定，模具使用寿命低
根据对国内外模具钢的对比研究发现，国外模具钢的品质主要体现在：纯净、均匀、组织细小、尺寸精确。

纯净系指硫、磷及夹杂物含量低，较我国精品系的优质钢还低一个数量级。

均匀系指高的横/纵冲击韧性比，模块内外硬度差小于1HRC。

组织细小系指碳化物细小、圆整。

尺寸精确系指所供模块或材料的尺寸精确均以精品级的模具钢供货。

上述诸方面的差距造成我国冷作模具钢在与进口钢同样强度下韧性不足，耐磨性低下；而热作模具钢的高温强度和热疲劳性能都低，使国产模具钢的模具寿命较进口钢的模具寿命明显的低。

如H13钢的对比研究表明，与进口H13钢相比，国产H13钢大型模块的夹杂物、一次碳化物较多；退火组织中碳化物有明显沿晶界分布现象；国产H13钢模块心部横向的冲击韧性只有纵向的0.2~0.3，与进口H13钢的0.6~0.8相比存在显著差距；进口H13钢中硫、磷含量均较国产H13钢低一个数量级，如表1所示。

这样的模具钢制作的模具寿命自然低于进口钢制作的模具寿命。

实际生产证实，一般国产H13钢的压铸模具寿命为3~5万模次，而进口的优质H13钢压铸寿命可达20万模次。

表1 国产H13（4Cr5MoSiV1）钢与进口H13（8407S）钢化学成分对比（%）牌号 C Si Mn P S Ni Cr Cu Mo W Ti V 4Cr5MoSiV1 0.42 0.98 0.30 0.018 0.005 0.07 4.93 0.06 1.4 0.02 0.01 0.87 8407S 0.40 1.02 0.41 0.009 0.0005 - 5.14 - 1.46 - - 0.93
2.2 高性能模具钢新品种少
分析我国模具钢市场可以发现，销路较好的模具钢大概有十几种，即Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、CrWMn、5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo，这些典型模具钢种，大部分是我国上世纪50年代袭用国外钢号，其中有几个是上世纪80年代引进的。

虽经过20~30年的生产，其质量仍不够稳定。

与国外同类钢相比更是存在较大的差距，尤其是高品质、大型的长寿命模具用钢，我国仍要依赖进口。

据不完全统计，我国每年需花几十亿人民币从瑞典、日本、法国、德国等国家进口各类模具钢多达10万吨。

面对激烈的市场竞争，国外许多钢厂每年向市场推出一个或几个新的模具钢，通过产品的更新换代，以巩固在市场竞争中的领先地位。

以H13钢系列为例，瑞典UDDEHOLM公司近十年来已经经过五次更新换代。

与国外形成鲜明对比的是，我国近二十多年来，模具钢的品质开发基本上处于停滞状态。

我国模具钢不仅品种少、规格不全，而且质量和售后服务不好，因此缺乏市场竞争力。

自进入WTO以来，模具钢已取消进口配额，因此国外各厂商都看好中国市场，纷纷在我国建立分销和代销点，使我国钢铁公司失去模具钢中的高端市场，也就失去利润或者说附加值最高的一块市场，这对我国钢铁行业和模具制造业的发展极为不利，故迫切需要尽快解决。

3对策
3.1 提高模具钢质量
近一、二十年来，为了提高模具钢的质量和使用寿命，工业发达国家把提高模具材料的质量和性能放在重要的位置，主要措施如下。

高纯净度模具钢
钢的纯净度提高到一定水平，不但可以改进钢的原有性能，而且可以赋予钢新的性能。

日本大同特殊钢公司把SKD61（4Cr5MoSiV1）钢中硫、磷的质量分数从0.03%降到0.01%以下，冲击韧性提高1倍以上；日立金属公司把SKD61钢中的磷的质量分数从0.03%降到0.001%，钢的冲击韧性从40J/cm2提高到130J/cm2；德国蒂森把2344（4Cr5MoSiV1）电渣钢中的磷的质量分数降低到≤0.003%且细晶化，钢的疲劳性能明显提高。

将钢中的氧的质量分数降低，也可以显著改善钢的韧性，国外有些特殊钢厂将模具钢的氧的质量分数规定为≤15×10-6。

为了提高模具钢的纯净度，国外普遍采用二次精炼工艺，主要用真空炉外精炼、电渣重熔、真空自耗等手段生产模具钢，以提高钢的纯净度，降低钢中有害夹杂物含量，表2列出4Cr5MoSiV1电渣钢与电弧炉钢非金属夹杂物的检验结果。

由于钢中非金属夹杂物含量降低，尤其是脆性非金属夹杂物含量降低，有效地提高钢的抛光性能和改善表面粗糙度，这对于高档的塑料模具更重要。

因此日本山阳特钢公司规定高纯净度模具钢中的氧的质量分数≤10×10-6，硫的质量分数≤50×10-6。

表2 4Cr5MoSiV1电渣钢与电弧炉钢非金属夹杂物级别的比较
模具大部分是多向受力，因此提高钢的等向性能，改善钢的横向韧性和塑性，使其与纵向性能接近，就可以大幅度提高模具的使用寿命。

近20年来，国外不少特殊钢厂都采用不同的工艺措施致力于开发高等向性能的模具钢，并且各自命名一些商业牌号。

要获得高等向性能的模具钢，目前国外采用真空炉外精炼或电渣重熔、高温扩散退火和大锻造比的等向锻造工艺结合，减少了大截面模块表面和心部横向和纵向性能的差异。

以生产高等向性能的4Cr5MoSiV1模具钢为例，主要的生产工序如下∶采用电渣重熔，除了提高钢的纯净度，降低钢中非金属夹杂物之外，还可以使钢中的枝晶间距变小，结晶结构改变。

另一个重要生产工序是对钢锭或者钢坯进行高温扩散退火，使钢中原先颗粒尺寸较小的一次碳化物完全溶解，并在随后冷却过程中析出球状的碳化物；而原先条状粗大的一次碳化物则通过高温扩散溶解一部分，使其变小和球化。

经过高温扩散退火的钢材，晶粒粗大，需进行超细化处理，常用两种工艺∶一种是离线工艺——即模块或锻件锻后重新加热至1050~1100℃并保温一定时间，出炉后采用快速水冷，再立即进行软
化退火处理。

另一种是在线工艺——即利用锻件的锻后余热进行反复的水淬——空冷之后，再立即进行软化回火处理，这样可获得球状碳化物均匀分布在铁素体基体上的组织，从而显著地提高钢的横向冲击韧性，从表3可以看出经过高温扩散退火加软化处理的4Cr5MoSiV1钢退火态的横向冲击功为101J，其淬火态冲击功为24.2J，其冲击功均较未进行高温均匀化处理的试样冲击功高1倍以上。

在热加工工序，采用多向锻造或交叉轧制技术，并配合大压下量可进一步改善钢的碳化物分布。

高等向性能的4Cr5MoSiV1模具钢的横向冲击功可达纵向冲击功的80%~90%，有效地提高模具的使用寿命。

表3 热处理工艺对4Cr5MoSiV1钢横向冲击韧性的影响
3.2 加速发展塑料模具钢系列
半个世纪以来，塑料工业发展迅速，产量急增，1960年，世界塑料总产量仅670万t，到2001年已达到16450万t，如今，塑料已经和钢铁、木材、水泥一起构成现代社会的四大基础材料，是农业、工业、交通运输业、能源、信息产业、宇宙空间和海洋开发等领域不可缺少的重要的材料之一。

中国塑料工业经50年发展历程，取得了很大成就，已跨进了世界塑料大国的行列，2001年，我国塑料制品已经超过2000万t，仅次于美国，居世界第二位。

所以塑料模具钢的需求量急增，而且模块越来越大，由于塑料品种不同，性能各异，而
且根据塑料制品的尺寸，形状复杂程度、精度、表面粗糙度和生产批量等各方面的不同情况，对塑料模具钢提出不同的要求，因此，工业发达国家的塑料模具钢已发展成为一个专用系列，其中包括碳素塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、易切削型塑料模具钢、耐蚀型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、非调质型塑料模具钢、高耐磨型塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢和无磁模具钢等。

我国塑料模具钢的研制和开发起步较晚，在GB/T 1299-2000标准中，合金塑料模具钢只有2个钢号。

即3Cr2Mo(P20)和3Cr2MnNiMo(718)，在品种方面是不能满足生产需要。

从模具技术发展而言，我国塑料模具是模具行业中发展速度最快，市场化程度最高以及技术水平与国外最接近的模具种类。

所以，塑料模具钢是个值得注意、有发展前途的模具钢新领域，其中，预硬型、耐蚀型和时效硬化型塑料模具钢的发展更值得注意。

近几年来，我国出口模具的产品中，塑料橡胶模具所占的比例最大，约占出口总量的65%，以2012年为例，进出口模具平均单价比为4.8:1，而国产冲压模具进出口模具平均单价比为1.99:1，这说明塑模钢的品种、质量有待进一步提高，以缩短与国际先进水平的差距，提高在国际市场的竞争能力。

3.3 开发和推广高性能模具钢新品种
当前国产模具钢生产基本上停留在国内外十几个通用的钢号，近二十多年来，国内对优质、高寿命模具新钢种的开发和推广工作基本上处于停滞状态，即使是20世纪70~80年代，面对模具钢市场对高
性能模具钢的迫切需求，国内也开发和引进不少适合国情的新钢种，满足了模具较高力学性能、特殊工艺性能和特殊使用性能的要求，解决了模具使用中的一些难题，大幅度地提高模具使用寿命；但由于推广不力，技术指导不够或使用不当，新钢种没有得到广泛的应用，年用量仅相当于国内模具钢总量的2.0%~2.5%。

综观国外著名模具钢生产企业，它们除了生产国际通用的模具钢牌号之外，还推出自己企业的王牌产品，每年或者隔几年就向市场推出它们独特的新钢种、新牌号，这是我国要创造模具钢的民族品牌值得借鉴的经验。

3.4 关于修订合金工模具钢技术标准问题
产品标准既是产品制造过程的工作依据，也是客户验收产品的依据，标准本身的水平象征产品的水平，也是企业参与市场竞争的有力砝码。

半个多世纪以来，我国工模具钢标准先后进行了六次修订，每次修订对国产工模具钢的生产水平、质量提高和使用水平的提高都上了一个新台阶。

近20多年来，我国模具工业迅速发展，为国产模具钢的发展提供一个很好、很大的平台，但是我国模具钢的品种、规格、质量、性能等与市场的需求还是有一定的差距，所以此次GB/T 1299标准的修改是很有必要，也是很及时的。

对于模具行业而言，这是一件大事，有关企业必须充分重视和支持。

必须指出，在国外工业发达国家的企业，只是把国际标准作为最低的标准，而在这些企业真正贯彻或执行的是比国际标准更高的“企
业标准”或“内控标准”。

因此我国模具钢的国家标准应尽量向国际标准靠拢，同时，模具钢主要生产厂应制订比国标更高的“企业标准”或“内控标准”，只有这样，才能促进我国模具钢水平进一步提高，改变国产模具钢质量较低和不稳定的现象。

3.5 发展粉末冶金模具钢
近几十年来，由于粉末冶金技术的迅速发展，采用粉末冶金生产工艺不仅可以解决传统铸锻冶金工艺存在的碳化物组织质量问题，还开辟了一条铸锻工艺难以生产或不能生产超高钒或超高合金含量的工模具钢新品种，这已成为该领域生产高质量、高性能产品的重要发展方向之一。

粉末冶金工模具钢的生产工艺，是将要求成分的钢液用高压惰性气体将液态金属流雾化，快速凝固后得到细小的钢粉，可以完全避免一般模具钢铸锭时缓慢凝固产生的宏观偏析和粗大的碳化物，得到常规铸锻工艺不可能得到的均匀细小的组织。

特别是对于莱氏体型高碳高合金冷作模具钢和高速钢，采用粉末冶金工艺生产可以使钢中的碳化物粒度减小到1um左右，可以完全消除常规铸锻工艺生产的莱氏体型工模具钢达几十微米的大颗粒碳化物和网状、带状碳化物。

用粉末冶金生产的钢粉，经过筛分后，将要求粒度合格的钢粉封入抽真空的钢桶内，采用冷等静压和热等静压方法将粉末压实烧结成接近理论密度的坯料，再经锻造、轧制成材；或将粉末喷射成形或采用高速压制成形等方法，制成近终形的产品。

与用常规铸锻冶金工艺生产的工模具钢相比，粉末冶金工模具的
特性如下∶
（1）可磨削性好，特别是对于可磨削性能差的高钒工模具钢，由于碳化物的细化，可磨削性显著改善。

（2）韧性好，由于粉末冶金工模具钢的组织均匀细小，显著地改善了钢的韧性、抗弯强度等性能指标。

（3）等向性能好，由于粉末冶金工模具钢组织均匀，基本上不会出现各向异性，与常规铸锻冶金工艺生产的工模具钢比较，横向性能得到显著改善。

（4）热处理工艺性能好，由于碳化物颗粒直径细小，淬火时保温时间可大为缩短（比常规铸锻冶金工艺生产的工模具钢缩短1/2~1/3）。

由于组织均匀，淬火变形量小，也降低了出现淬火裂纹的可能性。

由于粉末冶金工艺的突出优点，近二十年来粉末冶金工模具钢的产量、品种都发展很快，不仅用于生产一些标准钢号的工模具钢，而且发展了一些用常规铸锻工艺方法难以生产的专用高碳、高合金粉末冶金工模具钢钢号。

表4列出国外粉末冶金工模具钢的代表性钢号。

这些钢号含钒量都很高，尤其是一些高钒高碳工模具钢，如CPM10V、CPM9V、ASP6V等，由于钢中有大量弥散的高硬度的MC型碳化物，其耐磨性能介于一般高合金冷作模具钢、一般高速工具钢和耐磨的硬质合金之间，粉末冶金工模具钢的韧性好，制成的工模具使用寿命可以与一些硬质合金工模具相近。

粉末冶金高合金工模具有较好的切削加工性能和耐磨性能，多用于制造一些要求耐磨性高、形状比较复杂
的、高精度的、工作条件苛刻的长寿命工模具。

我国粉末冶金工模具钢正处于起步阶段，这与一个工模具大国是不相称的。

发展国产粉末冶金工模具钢应该引起有关方面的重视。