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| 模具鋼 |
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模具鋼是用來製造冷沖模、熱鍛模、壓鑄模等模具的鋼種。模具是機械製造、無線電儀表、電機、電器等工業部門中製造零件的主要加工工具。模具的質量直接影響着壓力加工工藝的質量、產品的精度產量和生產成本，而模具的質量與使用壽命除了靠合理的結構設計和加工精度外，主要受模具材料和熱處理的影響。
基本內容
中文名：模具鋼
分為：冷軋模具鋼、熱軋模具鋼
分二大類：熱軋模具鋼，和超級熱強合金
外文名：Mold Steel/Mould Steel
主要因素：尺寸大小和形狀的複雜性
簡介
模具鋼大致可分為：冷軋模具鋼、熱軋模具鋼和塑料模具鋼三類，用於鍛造、衝壓、切型、壓鑄等。由於各種模具用途不同，工作條件複雜，因此對模具用鋼，按其所製造模具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。由於這類用途不同，工作條件複雜，因此對模具用鋼的性能要求也不同。
冷軋模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲模、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具用鋼，按其所製造具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性、足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用於這類用途的合金工具用鋼一般屬於高碳合金鋼，碳質量分數在0.80%以上，鉻是這類鋼的重要合金元素，其質量分數通常不大於5%。但對於一些耐磨性要求很高，淬火後變形很小模具用鋼，最高鉻質量分數可達13%，並且為了形成大量碳化物，鋼中碳質量分數也很高，最高可達2.0%~2.3%。冷作模具鋼的碳含量較高，其組織大部分屬於過共析鋼或萊氏體鋼。常用的鋼類有高碳低合金鋼、高碳高鉻鋼、鉻鉬鋼、中碳鉻鎢釧鋼等。
熱軋模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型，包括熱鍛模、壓力機鍛模、衝壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具在工作中除要承受巨大的機械應力外，還要承受反覆受熱和冷卻的作用，而引起很大的熱應力。熱作模具鋼除應具有高的硬度、強度、紅硬性、耐磨性和韌性外，還應具有良好的高溫強度、熱疲勞穩定性、導熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個截面具有一致的力學性能。對於壓鑄模用鋼，還應具有表面層經反覆受熱和冷卻不產生裂紋，以及經受液態金屬流的衝擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬於中碳合金鋼，碳質量分數在0.30%~0.60%，屬於亞共析鋼，也有一部分鋼由於加入較多的合金元素（如鎢、鉬、釩等）而成為共析或過共析鋼。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。
塑料模具包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐蝕性等性能。此外，還要求具有良好的工藝性，如熱處理變形小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度高、導熱性好和工作條件尺寸和形狀穩定等。一般情況下，注射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼；熱固性成形和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。
分類
美國按模具服役條件將模具鋼分為四大類，美國金屬學會工具鋼委員會列出了：冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼、塑膠模具鋼等四大類。其中，冷作模具鋼又分出12小類，熱作模具鋼9小類，塑料模具鋼2小類，塑膠模具鋼5小類。每個小類的選材又取決於三個主要因素：
◆ 尺寸大小和形狀的複雜性，
◆ 被加工的材料，
◆ 耐久性要求或設計壽命。
冷作模具鋼
（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組即耐衝擊工具鋼，有7個鋼種，含碳量0.4%-0.6%。
用於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）冷軋模具鋼的選用
冷軋模具鋼的主系列是高硬冷作類，主要用於要求高抗壓和耐磨為主的模具，硬度高於HRC60-62。對於要求耐衝擊、韌性高的模具，硬度低於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。對於大型衝壓模，如汽車外型衝壓件，主要用鑄鐵類。簡易或壽命數量少的用鋅基合金或高分子複合材料。
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衝壓模仍有一定的應用範圍。
熱軋模具鋼
美國熱軋模具鋼分二大類：熱軋模具鋼，和超級熱強合金。
熱軋模具由於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。
塑料模具鋼
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，成型後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。
◆ 中碳合金工具鋼用於熱固性塑料模。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，適用於大模塊。
◆不鏽鋼用於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。後者是用於宇航工業的無碳高純度、高強度、高韌性的材料。用於力學性能、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，生產批量在小於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，經滲碳一淬火後硬度在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經滲碳淬火後使用。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。
塑膠模具鋼
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，預硬抗腐鏡麵塑膠模具鋼，抗腐鏡麵塑膠模具鋼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。其餘零件如行位，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，建議採用無電浸鎳或用420 不鏽鋼做模板。這樣可防止生鏽及清理垃圾。
8、需要直身鎖或斜鎖。
二、102類模。 （不超過1，000，000 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，其餘有用的零件亦應同一處理。
4、建議採用直身鎖或斜鎖。
5、下列項目可能或不需要。視乎最終生產數量而定。建議報價時如採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500，000 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、其餘要求視乎需要而定。
四、104類模（少於100，000 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、其餘要求視乎需要而定。
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。
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，所以模具材料的工藝性能是影響模具的生產成本和製造難易的主要因素之一。
可加工性
——熱加工性能，指熱塑性、加工溫度範圍等；——冷加工性能，指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。
冷作模具鋼大多屬於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，通過提高鋼的純淨度，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。
淬透性和淬硬性
淬透性主要取決於鋼的化學成分和淬火前的原始組織狀態；淬硬性則主要取決於鋼中的含碳量。對於大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素之一。對於熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是製造大型模具，其淬透性更為重要。另外，對於形狀複雜容易產生熱處理變形的各種模具，為了減少淬火變形，往往儘可能採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，就需要採用淬透性較好的模具鋼。
淬火溫度和熱處理變形
為了便於生產，要求模具鋼淬火溫度範圍儘可能放寬一些，特別是當模具採用火焰加熱局部淬火時，由於難於準確地測量和控制溫度，就要求模具鋼有更寬的淬火溫度範圍。
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，特別是對於形狀複雜的精密模具，淬火後難以修整，對於熱處理變形程度的要求更為苛刻，應該選用微變形模具鋼製造。
氧化脫碳敏感性
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。對於含鉬量較高的模具鋼，由於氧化、脫碳敏感性強，需採用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。
其他因素
在選擇模具鋼時，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具鋼的通用性和鋼材的價格。模具鋼一般用量不大，為了便於備料，應儘可能地考慮鋼的通用性，儘量利用大量生產的通用型模具鋼，以便於採購、備料和材料管理。另外還必須從經濟上進行綜合分析，考慮模具的製造費用、工件的生產批量和分攤到每一個工件上的模具費用。從技術、經濟方面全面分析，以最終選定合理的模具材料。
性能要求
1強度性能
（1）硬度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範圍。對於同一鋼種而言，在一定的硬度值範圍內，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℃的溫度範圍內保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃的溫度範圍內保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決於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於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。
2韌性
在工作過程中，模具承受着衝擊載荷，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，純淨度，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後得到的金相組織等因素都對鋼的韌性帶來很大的影響。特別是鋼的純淨度和熱加工變形情況對於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並且採用合理的精煉、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。
衝擊韌性系表特徵材料在一次衝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，常規的衝擊韌性不能全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次衝擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽命等試驗技術正在被採用。
3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。對於重載、高速磨損條件下服役的模具，要求模具鋼表面能形成薄而緻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，作為表徵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鋼為基準進行對比。
4抗熱疲勞能力
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後，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。在應力恆定的前提下，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後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後所出現的疲勞裂紋的條數及平均的深度或長度來衡量。
5咬合抗力
咬合抗力實際就是發生「冷焊」時的抵抗力。該性能對於模具材料較為重要。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）進行恆速對偶摩擦運動，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」，臨界載荷愈高，標誌着咬合抗力愈強。[1]