冷作模具钢的发展概况

  1 前言

   近20年来，为提高生产效率和材料和用率，降低产品成本、缩短生产周期，国内外制造业广泛地采用精密冲压、冷挤压、冷辊压、冷镦、冷拔等冷作模具成形工艺代替传统的切削加工工艺并且部分地取代原用的热加工工艺，所以冷作模具制造业和冷作模具钢的生产技术取得了迅速的发展。

    如生产一个型号的汽车平均需要冷作模具2200套，其中大中型模具即达300多套，汽车换型周期一般为6-10年，换型时80%左右的模具要重新更换[1]。

新产品和新工艺技术的发展，促进了模具制造业的迅速发展，一些先进工业模具制造业的产值从80年代就陆续超过了机床制造业的产值。

    1996年我国模具生产的厂点已起过17000家，从业人员近50万人，1996年模具产值已达160亿人民币，但不少大型、精密、复杂、长寿命模具仍需从国外进口，1996年进口模具用外汇即达9.18亿美元，我国已成为上进口模具多的[1]。

    我国模具钢的发展也很快，我国主要特殊钢厂合金工具钢（其中模具钢约占80%）1997年钢产量为14.2万T，其中高合金工具钢钢材的产量为7.25万T，我国模具钢的产是已居的前列[2]。

    模具钢一般可以分为冷作模具钢、热作模具钢的塑料模具用钢三大类，其中冷作模具钢一直占较大的份额，近年来塑料模具的生产发展很快，但是塑料模具中相当大的部分是采用碳素结构钢（如45、55钢）制造的，所以在合金模具钢的产量中，冷作模具钢的产量仍居位。

随着产品批量的迅速增加，工艺技术的不断发展，冷作模具的服役条件日益苛刻，对冷作模具钢的性能、质量和品种也不断地提出更新、更高的要求。为了适应这些要求，近20年来，国内外不少生产科研部门积地研究开发具有多种优异特性且适应各种要求的新型冷作模具钢，并在产品质量，生产工艺，工艺装备等方面取得了迅速的进展，本文将对这些方面进行综述和分析，并对我国冷作模具钢今持的发展提出一些看法和建议。

    2 冷作模具钢品种的发展

   冷作模具钢主国用于制造冲裁、冲压、挤压、冷镦、剪切、辊压、压印和冷拔等模具。一般都要求有较高的耐磨性，硬度、一定的韧性、红硬性和较好的工艺性能。对生产批量小、要求不太高的小型冷作模具，可以采用碳素工具钢制造；要求红硬性、耐磨性很高的模具往往用高速成钢或硬功夫质合金、钢结硬质合金镶块制造，本文将重点论述合金模具钢，这部分模具钢又可以分为通有型冷作模具和特殊用途冷作模具钢两大类。

    2.1 通用型冷作模具钢

    国内外通用型冷作模具钢一般可以分为3类，这些模具钢应用很广，占总产量的80%以上。

    2.1.1 低合金油淬模具钢

    这类钢以美国ASTM A681标准中的01和02钢为代表，我国的相应钢号为CrWMn、9CrWMn和9Mn2V，这类钢合金含量低、价格低，淬透性、耐磨性和红硬性都高于碳素工具钢，可以采用油淬火。可以用于制造一般要求的冷作模具。

    我国用量较多的标准钢号CrWMn钢，由于碳含量偏高，较大截面钢材锻持冷却容易生成较严重的网状碳化物，容易给以后的生产、使用造成问题，应通过研究对成分进行适当的调整。

    2.1.2 中合金空淬冷作模具钢

    以美国ASTM A681标准中的A2钢为代表，我国命名为Cr5Mo1V，这类钢既有比前一类钢高的耐磨性、红硬性，又具有较好的韧性、淬透性，可以空冷淬火，减少热处理变形，是上应用比较广泛的冷作模具钢，用于制造耐磨性较高又要受一定的冲击载荷的冷作模具，使用效果较好，建议推广应用。

    2.1.3 高合金Cr12型冷作模具钢

    代表性的钢呈为美国ASTM A681中的D3和D2，我国相应钢号为Cr12和Cr12Mo1V1，Cr12MoV，其中Cr12 钢号是我国当前用量大的冷作模具钢。这类钢由于碳和铬的含量很高，钢中存在较多高硬度的合金碳化物，所以其耐磨性是三类钢中高的，也具有一定的纸硬性和较好的淬透性，但是这类钢的韧性较差，特别是大截面钢材，由于碳化物不均匀性严重，很容易存在粗大的网状或带状化物，降低钢的韧性。这类钢的热塑性也较差，锻造温度范围窄，热加工性能和切削加工性能不好，主要用于制造高耐磨而冲击载荷较低的冷作模具。

    在以上三个钢号中CR12Mo1V1（D2）钢的钼、钒、含量较高，耐麻性、红硬度更好一些，我国由于纳标时间不长，用量不大，建议推广应用。

    2.2 特殊用途冷作模具钢

    2.2.1 火焰淬火冷作模具钢

    采用火焰加热局部淬火工艺与整体淬火工艺比较，可以简化热处理工艺、避免或减少热处理变形，从而缩短生产周期，节约能源，降低成本，且由于模具只是刃口部分或其他需要淬硬的部分被硬化了，其他部分仍保持低硬度高韧性的退火状态，提高了模具承受冲压载荷的能力。国外从70年代就陆结开发了一些门适应火焰淬火工艺的冷作模具钢，采用这种钢制成的模具在完成机械加工以后，一般采用氧一乙炔火焰喷枪对模具的刃部或其他需要淬硬的部位进行局部加热后空冷淬火工艺的冷淬火，一般淬火后变形很小，可以直接使用。由于加热主要是用火焰喷枪手工加热，加热温度不容易进行地测量和控制，所以这类钢的一个特点是淬火温度范围比较宽，淬透性较好，以适应火焰加热空冷淬火的要求，代表性钢号如日本爱知制钢公司的低合金钢SX105V和铬含量为8%左右的SX4(Cr8)、SX5（Cr8Mo）[4]，日鹿金属公司的HMD1（Cr8）、SX5（Cr8MoV）[4]，日立金属公司的HMD1（Cr3SiMnMoV）、HMD5（7CrSiMnMov）；我国研制的7CrSiMnMov钢已经广泛地用于汽车制造业并取得了较好的使用效果[5]。

    2.2.2 低合金空淬微变形钢

    一些形状复杂的精密冷作模具，希望淬火后变形很小，以减少修磨量，一般的通用型高合金模具钢如Cr12、Cr12MoV等，虽然可以空冷淬火但合金含量高，生产工艺复杂，价格高。近年来国内外发展了一些低合金的空淬微变形冷作模具钢，合金含量低，淬透性好，较大截面的模具也能空冷淬硬，淬火变形小，如美国ASTM A681中的标准钢号A4（Mn2CrMo）、A6（7Mn2CrMo），日本大同特殊钢公司的G04钢，日立金属公司的ACD37钢[7]。

    但这类钢由于淬透性高，可以在退火冷却不当时，退炎状态硬度偏高，影响其切削加工性能。我国自己研制的Cr2MnMoWVS钢，既具有优秀的淬透性，直径为100mm的工件可以空冷淬透，淬火变形小，一般轴向<0.09%，径向<0.15%。可以适应制作精密冷作模具具的要求；又同时具有良好的切削加工性，当硬度高达HRC 30-40时，仍可用一般高速钢刀具顺利地进行切削加工，所以也可以作为预硬型精宇航局塑料模具钢使用[5]。

    2.2.3 低碳高速钢和基体钢

    高速钢具有优秀的耐磨性和红硬性，也经常用于制造高耐磨、长寿命的冷作模具，但是通用高速钢的韧性较差，当用于制造成冲击载荷较高的冷作模具时，可能会产生崩刃、折断等事故，便模具早期失效，为适应冷作模具的需要，国内外发展了韧性较高的低碳高速成钢和基体钢。

    低碳高带钢是将通用高速钢的碳含量降至0.5-0.6%，减少高速钢的一次碳化物数量，便碳化物细小、均匀，以改善钢的韧性，代表性的钢号如美国ASTM A681中的H26（5W18Cr4V）、H42（6W6Mo5Cr4V2）和我国的6W6Mo5Cr4V等。

    基体钢的成分是根据高速钢淬火后基体组织的成分为基础设计的，所以基体钢淬火后的过剩碳化物数量更少，而且细小、而且细小、均匀、钢的韧性得到进一步改善，代表性钢号如美国VASCO公司的VASCO钢（5Cr4W3Mo2V）[7]，日本日立金属公司的YXR3、YXR4，大同特殊钢公司的MH85钢以及我国的6Cr4W3Mo2VNb等。

    上述两类钢虽然韧性昨到一定程度的改善，但是随着碳化物数量的减少，其耐磨性和红硬性也有所降低，多用于制造冲击载荷较大的冷冲压、冷镦和冷挤压模具。

    2.2.4 高韧性、高耐磨性冷作模具钢

    高合金Cr12型冷作模具钢和高速钢的耐磨性很好但韧性较差，低碳高速钢和基体钢的韧性改善了，但是耐磨性又有所下降，为了适应既要求高耐磨性，又具有一定韧性的冷作模具的要求，近20年来国内外发展了一些同时具有较好的耐磨性和韧性的冷作模具钢，如70年代美国VASCO公司开发的VASCO Die（8Cr8Mo2V2Si）、VASCO Wear（Cr8Mo2V2WSi）[8]，80年代日本日立金属公司的SLD8，大同特殊钢公司的DC53，我国研制的LD（7Cr7Mo2VSi）钢、GM钢（9Cr6W3Mo2V2）等都属于这类钢[5、8]。

    这类钢的碳、铬含量低于Cr12型高合金冷作模具钢，复加了Mo、W、V、Si、Ti等元素，碳化物细小均匀（平均尺寸Cr12型钢碳化物的1/3左右），碳化物组成中MC和M6C碳化物较多，在淬火硬度相同时，其冲击韧性、抗弯强度、疲苏强度和红硬性都优于高合金Cr12型冷作模具钢。三类钢的力学性能对比见表1[9]。

          表1 GM钢与W6Mo5Cr4V2、Cr12MoV钢的力学性能对比

钢号	热处理工艺	抗弯强度/MPa	挠度/mm	冲击韧性/J?cm-2 U型缺口	HRC
GM	1080℃淬油 540℃回火2次	4808	4.80	28.1	65.4
W6Mo5Cr4V2	1190℃淬油 560℃回火3次	3210	2.14	19.6	66.5
Cr12MoV	1040℃淬油 200℃回火	2775	3.30	27.4	62.3

 在有些的合金工具钢标准中门对热轧扁钢、锻造扁钢和中厚板的技术条件分别做了很详细的规定。

    3.2 精料化

    国外钢厂大量提供经过各种机械加工的没有氧化皮和脱碳层的精料，在发达相应的模具钢标准中有的也分别对粗车削棒材、冷拉棒材、无心磨削棒材、冷拉方钢、扁钢的技术要求做了具体的规定。

    ASTM还门颁布了经过机械加工的合金工具扁钢及方钢门标准ASTM A685，对200多种规格经过机械加工的模具钢方扁钢的技术条件做了详细的规定。国外有的模具钢生产厂供应精料的比例已经达到60%左右。

    3.3 制品化

    国外一些主要生产工模具钢的企业大力开展产品的深度加工，大批量的生产经过精加工甚至淬回火处理的精密模块和制品，如日本大同特殊钢公司门成立了精密模具分公司（大同PDM公司），能够提供10种冷作模具钢钢号的近1000种规格经过精加工或淬回火精加工状态的模块和多种规格的标准模架和标准件。

    模具厂可以根据需要选购所需的模块和模架，仅对刃口或型腔部分进行加工以后即可组装交货。所以模具制造厂的制造周期很短，生产效率很高，还能够更好地推动模具的标准化、系列化，设计制造过程的CAD/CAM化，另外由于模块和模架都是集中、大批量制造的，所以制造费用低。冶金企业产品的附加值和利润也可以有所提高。

    4 冷作模具钢质量和性能的提高

    4.1 提高模具钢的纯净度

    降低冷作模具钢有害杂质的含量，提高钢的纯净度，是改善冷作模具钢性能的有力措施，国内外的主要模具钢生产厂都分别采用各种精炼工艺以生产高纯净度的冷作模具钢，并分别对钢中有害杂质的含量，规定了比有关标准更为严格的内部技术条件。

如日本日立金属公司规定其冷作模具钢硫含量的上限为0.01%。日本山阳特殊钢公司规定其高纯度模具钢的氧含量小于10-5，硫含量≤0.005%。

    4.2 改善钢的均匀度和等向性

    采用一般工艺生产的冷作模具钢均匀性、等向性差，近20年来各主要模具钢生产厂都努力采用电渣重熔和多向变形的加热工工艺改善冷作模具钢材的均匀性和等向性。

国内由于受装备等条件的限制，大部分冷作模具钢还只能采用一般工艺生产，当用户生产高性能的模具时，往往是特冶金厂供应的钢材再进行反复镦粗拔长改锻、改善其均匀性和等向性，以满足模具的要求，当然这样做是很不经济的。

    5 冷作模具钢生产工艺和工艺装备的发展

    5.1 冶炼工艺和装备的发展

    为了适应模具钢多品种、小批量生产的特点，国内外多采用出钢量为10-40t的中小型电弧炉冶炼冷作模具钢。为了提高钢的纯净度并对化学成分和浇注温度进行微调，多采用各种相应的炉外精炼和真空处理工艺技术。对于要求更高的模具钢则采用电渣重熔工艺以进一步改善其纯净度、均匀性、等向性和致密度。为了提高电渣重熔工艺的生产效率和收得率，国外有的企业开发了电渣连铸设备，在电渣炉上配备连续抽锭、铸锭切断和提升设备，可以提高设备利用率、收得率、降低电耗，效果较好[13]。

    由于冷作模具钢的特点，目前大都采用铸锭工艺生产，国外已经开始采用连铸工艺生产低合金冷作模具钢连铸坯和用连铸法生产高合金冷作模具钢电渣重熔用电，对高合金冷作模具钢铸坯的生产则处在试验阶段。考虑到冷作模具钢大截面材较多，为了保证一定的锻压比，好采用大截面立式连铸机。

    5.2 锻造和轧制

    为改善冷作模具钢的均匀性和等向性，国外特钢企业多采用多向锻造和多向轧制工艺生产冷作模具钢，为了提高钢材的尺寸精度和成材率，对大截面冷作模具钢多采用快锻水压机和精锻机生产高精度锻材，对于中小截面冷作模具钢钢材，则采用在连轧机后配备精密定径机组生产多规格的高精度轧材。

    为适应多种规格、小批量的冷作模具的扁钢的生产，国内外有几家模具生产厂近年来先后配备了用的计算机控制的平方布置的可逆式连轧机组，生产高精度的模具钢扁钢、方钢。

为减少高温加热时钢坯的脱碳，国外有的企业对冷作模具钢热轧钢坯的高温阶段加热采用电感应快速加热技术。

    5.3 钢材的热处理

    国外冶金厂广泛地采用大型、连续式可控气氛热处理进行模具钢的热处理，一般多采用可以控制碳势的吸热式可控气氛或氮气加富化气氛，采用氧探头或红外线传感器用计算机进行炉内气氛碳势的自动控制，使炉内气氛的碳势与该温度下热处理的钢的成分相平衡，以保证处理的钢材既不脱碳、也不渗碳，并能对轻微脱碳的钢材进行复碳。

   近20年来，真空热处理技术和装备发展很快，国内外已经广泛地用于冷作模具和制品的淬、回火处理。国外有的模具生产厂已经采用大型的室式和井式真空热处理炉进行模具钢棒材和盘圆的热处理，由于真空热处理处理的钢材和零件的质量好，材料消耗少，而且容易控制，已经逐渐得到广泛的应用。

    5.4 冷作模具钢的深度加工

    为增加钢材的附加值和经济效益，国外主要模具钢生产厂都配备设备完善、技术先进的精料、制品工厂，甚至门成立精密模具公司，分别配备了率的无心剥皮车床、无心磨床、连续式冷拔机、盘料刮皮机、辊光机、倒角机、精密矫直机、数控加工中心、精密数控机床、电加工机床、可控气氛及真空淬回火设备及无损检测设备，以大量供应高质量的冷作模具钢精料和经过精加工或淬回火处理的模块、模架和各种模具标准件。通过以上的工艺装备形成从冶炼到产品深度加工的比较完整的技术先进的模具钢生产线，以提高企业的对市场的适应能力和竞争能力。

   6 对我国冷作模具钢发展的建议

    我国冷作模具钢的生产技术在近30年来取得了很大的进展，冷作模具钢的产量已居的前列，绝大部分国外的标准钢号和研究开发中的钢号，我国已经开展了生产和研制工作，特别是近10多年通过科委和冶金部组织的“六五”“七五”重点科技攻关工作对引进的通用型高合金冷作模具钢Cr12Mo1V1(D2)，进行了比较系统的研究试制工作，试制的D2钢材的质量已经基本上达到进口钢材的实物水平，这不但为高质量D2钢钢材的生产取得了经验，且为其他冷作模具钢的质量赶上先进水平也积累了经验并指出了方向。

    但由于我国发展较晚，我国冷作模具钢在品种、规格、生产技术、工艺装备和材料应用等方面都存在较多的问题，主要表现有以下几个问题。

   （1）品种规格不全

    国产冷作模具钢钢材中，90%以上是黑皮圆棒材、扁材、板材、精料和制品很少，模具制造厂不得不采用自由锻锤把圆钢改锻成扁钢、板料，加工余量很大，成材率很低，生产效率低，制造周期长，造成很大的浪费。

   （2）生产工艺和装备落后

    近20年来虽然部分特殊钢厂分别配套了一些精炼设备，快锻水压机，精锻机和高精度的轧钢设备以及可控气氛热处理设备，但都不配套，不能形成技术先进的比较完善的生产线，特别是后部工序如热处理设备、深度加工和检测手段落后，模具钢的生产效率、产品质量、产品和品种和尺寸精度与先进比较还存在较大的差距。

   （3）钢种系列不完整，使用不合理

    上认为性能较好的Cr5Mo1V(A2)钢和Cr12Mo1V1(D2)钢，虽然已经纳入标准，但生产和使用量都很小，目前国内大量使用的仍是Cr12、Cr12MoV、CrWMn三个老钢号。

很多新研制的钢号如7CrSiMnMoV火焰淬火模具钢和几种高耐磨、高韧性冷作模具钢等，都需要加强进一步的研究试制工作，争取较大范围的推广应用，逐步纳入标准。

   （4）没有业化生产

    我国冷作模具钢的生产分散在10多家特殊钢厂生产，产量大的不过年产万t左右，产量小的只有几百t。所以没有一条较完整的模具钢生产线和科研开发基地。

   （5）销售渠道不畅，不能实行优质优价

    我国冷作模具钢的销售渠道很散，特别是近几年来，由于钢材市场供过于求，有的出口模具价格只为市场价格的1/3到1/4。由于不能很好地执行优质优价，也影响优质模具钢材的生产。

    鉴于以上情况，对今后我国模具钢的生产技术提出几点建议。

    6.1 扩大冷作模具钢的品、规格

    充分发挥现有设备特别是几套引进设备的能力，大力发展冷作模具的扁钢、板材的生产，使扁钢和厚板在冷作模具钢钢材产量中占30-40%。

    扩大精料的生产，根据需要创造条件提供剥皮钢材、冷拔钢材、银亮钢材的生产，逐步开展经过机加工和淬回火的冷作模具钢模块和制品的生产，提高产品的附加值，更好地为模具工业服务。

    6.2 完善钢种系列，合理使用钢材

    根据模具工业发展的需要，不断地完善钢种系列，推广应用性能较好的通用型冷作模具钢如Cr5Mo1V、Cr12Mo1V1等；积开展一些特殊用途冷作模具钢的研究、试制生产和推广应用工作，相应地开展对模具钢的耐磨性和强韧性机理及模具失效机理的较深入的研究工作，用以指导材料研究，并相应地开发测试手段和测试技术。

    6.3 建成几条技术先进的模具钢生产线

    应选择基础较好的企业，实行冷作模具钢的业化生产，配备好适应模具钢生产的炉外精炼、电渣重熔、粉末冶金、精锻、精轧、可控气氛热处理、深度加工和在线无损检测技术装备，并配备科研试制基地开展科研工作，培养人才，在全国建成两、三条技术先进的模具钢生产线，采用先进工艺技术、工艺装备生产高纯净度、高等向性、品种规格齐全的高精度模具钢钢材的制品，使模具钢的生产技术和产品质量迅速达到先进水平。

    6.4 加强横向的组织协调工作

    模具钢的生产技术和产品质量的提高是一个综合性的问题，除了冶金工业部门以外，还需要模具制造工业、机械、电子、轻工等使用部门的模具设计部门以及钢材的流通销售系统等各个环节共同努力，才能取得比较理想的效果。建议金属学会、模具工业协会、机械工程学会和冶金、模具、机械电子轻工等使用部门、物质管理和流通部门组织起来，共同努力，较地及时解决模具钢生产、使用和销售中出现的各种问题。

    6.5 大力开拓冷作模具钢的市场

    我国是合金资源和人力资源比较丰富的，模具钢在国外特别是东南亚地区有较大的市场，根据日本大藏省的统计资料，日本在1997年出口合金工具钢钢材32574t，约占其年产量的26%，创汇7795万美元；其中向东南亚地区出口即达29537t，占出口量的90%[14]。而市场的模具钢价格比国内价格要高3-5倍。

    因此，充分发挥我国资源优势，创造条件生产高质量的模具金刚钢材和制品，组织起来占领市场特别是东南亚市场，变资源出口为模具钢及其制品出口，为更多地创汇，为企业争取更高的经济效益和社会效益，也应该是今后的一个努力方向。