一、模具業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
模具作為提高生產(chǎn)率，減少材料和消耗，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力的重要手段，已越來越受到各工業(yè)部門的重視。隨著工業(yè)技術(shù)不斷向前發(fā)展，要求模具在更苛刻、更高速度的工作條件下，對模具的精度越來越高，使用壽命越來越長。為了滿足這些要求，國內(nèi)外都在模具材料的研究和開發(fā)上作了巨大的努力，也在這方面取得了不少成果。
目前世界上模具工業(yè)的年產(chǎn)值約為680億美元。我國2004年模具產(chǎn)值為530億元，模具出口4.91億美元，同時還進口18.13億美元。我國已成為世界上凈出口模具*多的國家。大型多工位級進模、精密沖壓模具、大型多型腔精密注塑模、大型汽車覆蓋件模具等雖已能生產(chǎn)，但總體技術(shù)水平不高，與國外先進國家相比，仍有很大差距，特別是模具壽命低的問題非常突出。如：國外硅鋼片沖模總使用壽命在500萬次以上，而國內(nèi)一般為50萬-60晚次，*高150萬次。國內(nèi)熱鍛模使用壽命50萬次，國內(nèi)只有3-5萬次。國外熱鍛模使用壽命12000次以上，國內(nèi)一般為3000-5000次。影響模具壽命的因素較多，但模具材料是重要因素。高壽命模具離不開優(yōu)質(zhì)模具材料。
國內(nèi)模具鋼品種少、質(zhì)量差、性能低。雖然國內(nèi)也研制出許多高性能模具鋼，但大多數(shù)是上世紀(jì)70-80年代研制的，因種種原因，真正使用的量較少，鋼種也不多。每年使用量不足1萬噸。故在生產(chǎn)上使用的仍然是老鋼種為主，如冷模用CrWMn、Crl2、Crl2MoV等，熱模用3CrW8V、6542等，另外，由于模具鋼的改鍛效果差、選材與熱處理不當(dāng)?shù)仍颍苍斐赡＞叩膲勖汀，F(xiàn)從冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三個方面，扼要分析國內(nèi)模具鋼的研究開發(fā)情況。
1.冷作模具鋼的開發(fā)概況
對冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐模性，足夠的強度和韌性，高的疲勞壽命，良好的抗擦傷和咬合性能以及良好的工藝性能。
九十年代以前，國內(nèi)常用的冷作模具鋼有：碳素工具鋼T1OA，合金工具鋼9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si，高速工具鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，軸承鋼GCrl5、彈簧鋼60Si2WMna，參碳鋼20Cr、12CrNi3A、不銹鋼3Cr13等。其中用量*大的是Cr12、Cr12MoV、TIOA、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和W18Cr4V。為滿足生產(chǎn)要求，國內(nèi)先后研究開發(fā)了一系列新型冷作模具鋼。
1.1高強韌耐磨鋼
7Cr7Mo2V2Si（代號L）、Cr8MoV3Si（代號ER5）、9Cr6W3Mo2V2（代號GM）、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等國內(nèi)研制的新鋼種與Cr12、Cr12MoV相比，碳和鉻的含量較低，改善了碳化物不均性，提高了韌性；適當(dāng)增加了W、Mo、V等合金元素的含量，從而增強了二次硬化能力，提高了耐磨性。所以，此類鋼在具有良好的強韌性的同時，還有優(yōu)良的耐磨性和較好的綜合性能，主要用于制造承受應(yīng)力較大、要求高強韌性和耐磨損的各類冷作模具。
7Cr7Wo2V2Si，代號LD，已被廣泛應(yīng)用于制造冷鍛、冷擠、冷沖、冷壓、冷彎等承受沖擊、彎曲應(yīng)力較大，又要求耐磨損的各類冷作模具。ER5適用于制造承受沖擊力較大，沖擊速度較高的精密冷沖，重載冷沖以及要求高耐磨的其他冷作模具。 9Cr6W3Mo2V2-代號GM，適用于制造沖裁、冷擠、冷鍛、冷剪、高強度螺栓滾絲輪等精密、高耐磨冷作模具。
1.2高速鋼基體鋼
國內(nèi)研制的高速鋼基體鋼有：65Cr4W3Mo2VNb（簡稱65Nb）、60Cr4Mo3Ni2WV（代號CG-2）、5Cr4Mo3SiMnVAI（代號012AI）、65W8Cr4VTi（代號LMI）、65Cr5Mo3W2VSiTi（代號LM2）等。主要用于制造要求高強度和足夠韌性的冷擠壓、冷沖、冷鐓等模具。由于高速鋼基體鋼的紅硬性好，所以也用于制造熱作模具。65Nb用于制造冷擠壓、厚板冷沖、冷鐓等承受較大載荷的冷作模具，也可用于溫?zé)釘D壓模具。
1.3低合金冷作模具鋼
國內(nèi)開發(fā)的低合金冷作模具鋼中，有7CrSiMnMoV（代號CH）、60MnNiMoVSi（代號GD）、6CrMnNiMoVWSi（代號DS）、CrNiWMoV等。這些鋼的淬透性好，淬火溫度較低、熱處理變形小，價格低，具有較好的強度和韌性的配合，適用于制造精密復(fù)雜模具。 CH鋼具有良好的強韌性和良好的工藝性，可代替TIOA、9Mn2V、CrWMn、GCr15、Cr12、Cr12MoV等制造對強韌性要求較高的冷作模具，如：沖孔凹模、中薄鋼板（2-5mm厚）的修邊落料模等。由于該鋼可以采用火焰加熱空冷淬硬，所以也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽車模具。 GD鋼的淬火溫度范圍較寬，淬透性好，也可火焰加熱空冷淬火，具有良好的強韌性。當(dāng)用于制造易崩及斷裂的冷沖模具時，模具壽命較高。
1.4無磁高強度模具鋼
電子工業(yè)中的部分磁性元件需用無磁性的模具生產(chǎn)。7Mn15Cr2A13V2WMo鋼的導(dǎo)磁系數(shù)很低，強度、耐磨性也良好，但切削加工比較困難。國內(nèi)開發(fā)的無磁模具鋼有18Mn12Cr18NiN（代號A18）、8Mn15Cr18（代號WCG）、50Wn18Cr4WN（簡稱50Mn）等。其中50Mn具有低磁導(dǎo)率（H≤1.1H/m），較高強度和良好的加工性能，經(jīng)1020-1070℃（水冷）固溶處理后，硬度HRC30左右。再經(jīng)過590℃±10℃時效，硬度上升至HRC35左右。
2 熱作模具鋼的開發(fā)概況
熱作模具大體分為熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模和沖裁模。5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V是熱作模具鋼中應(yīng)用量仍然較大的鋼種。
2.1大載面熱鍛模具鋼
為彌補5CrMnMo和5CrNiMo在較大載面和較高溫度時熱穩(wěn)定性、熱疲勞性及淬透性不夠的缺陷，國內(nèi)開發(fā)了45Cr2NiMoVSi（簡稱45Cr2）、5Cr2NiMoVSi（簡稱5Cr2）、3Cr2MoWVNi、3CrMoVNi（代號B2）等大載面熱鍛模具鋼。
2.2中小熱鍛模具鋼
中小熱鍛模具鋼的表面溫度可大600℃以上，5CrMnMo和5CrNiMo的高溫性能顯然不能滿足要求。3Cr2W8V鋼的高溫強度較高，但韌性及熱疲勞性能較茶差。為此，國內(nèi)較早開發(fā)了2Cr3Mo3VNb（代號HM3）、4Cr3Mo3W2V（代號HM1）、4Cr3Mo3W4VNb（代號GR）、3Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2MnVB（代號ER8）等3%Cr-3%Mo和3%Cr-2%Mo型的中碳鉻系高強度熱作模具鋼，其中3Cr3MO3VNb是根據(jù)形成合金碳化合物所需的碳量對2Cr3Mo3VNb做進一步成份調(diào)整而來的。
這二種鋼用于制造不銹鋼（2Cr13）等熱鍛模、軸承凹模和輥鍛模，都取得了良好的使用效果。GR鋼適用于制造工作溫度600-700℃的淺型腔中小鍛模，也可用于銅合金熱擠壓模具。
除以上3%Cr-3%Mo型熱作模具鋼外，國內(nèi)先后開發(fā)的5%Cr系中碳中合金熱作模具鋼已較大量用于熱鍛模具，如：4Cr5MoVSi等，其中4Cr5MoVISi具有優(yōu)異的韌性和良好的冷熱疲勞性能，適用于制造工作溫度在600℃以下，對韌性和塑性要求較高的模具。如用4Cr5MoVISi代替5CrNiMo、制造汽車連桿、曲軸鍛模，模具的使用壽命得到了明顯提高：用于制造鋁合金壓鑄模具和鋁型材熱擠壓模具，模具的使用壽命較高。另外，該鋼還可作塑料模具鋼使用。目前，4Cr5MoVISi鋼的優(yōu)良性能已在國內(nèi)得到了廣泛認(rèn)可，應(yīng)用量已較大。
在有色金屬壓鑄中，3Cr2W8V曾是應(yīng)用*廣泛的模具鋼，5CrNiMo、5CrMnMo、 3Cr2Mo等中碳低合金鋼也作為鋁鋅合金壓鑄模具鋼使用。3Cr2W8V的冷熱疲勞性能較差，模具的使用壽命不高。國內(nèi)為此先后開發(fā)了幾個新型模具鋼，如：4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4）和4Cr5MO2MnVSi（代號YIO）等。
4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4），*初就是針對銅合金壓鑄模具而研制的。該鋼也可用于制造熱擠壓和中小熱鍛模具。4Cr5Mo102MnVSi（代號YIO），是針對鋁合金壓鑄模具而研制的，該鋼還可用于制造工作溫度在600℃以下的中小熱鍛等模具。
除Y4和YIO鋼外，4Cr5MoVISi、4Cr5MoSiV也是理想的鋁、鋅合金壓鑄模具材料，應(yīng)用量已很大。
2.3銅、鋁型材熱擠壓模具鋼
銅合金熱擠壓模的穿孔針、底模等長時與高溫銅坯接觸，模具的使用工況較苛刻。用 3Cr2W8V或4Cr5MoVISi鋼制作此類模具，模具的使用壽命一直較低。
國內(nèi)推出了可以提高此類模具使用壽命的鋼種，如4Cr3Mo2NiVNbB（代號HD）、4Cr3Mo2MnVNbB（代號Y4）等。用HD鋼制造的銅合金管材擠壓底模和穿孔針的使用壽命較3Cr2W8V鋼提高一倍左右，并在軸承環(huán)熱擠沖頭和凹模、汽門擠壓底模上也有成功應(yīng)用的例子。用Y4鋼制造銅合金擠壓模低和穿孔針頂頭，模具的使用壽命也比3Cr2W8v鋼制造的模具穩(wěn)定地提高一倍以上。鋁型材熱擠壓模平模和組合模對韌性的要求較高，4Cr5MoVISi是*的模具材料，已被大量推廣應(yīng)用。
玻璃制品模具要求模具材料具有優(yōu)良的抗高溫氧化性能和冷熱疲勞性能，良好的耐芒硝腐蝕性能。足夠高的強度，良好的拋光性能，并要易于脫模。國內(nèi)開發(fā)了代號為GY的高溫玻璃模具鋼。該鋼是Si-GrMo系預(yù)硬鋼，具有良好的冷熱疲勞性能，優(yōu)異的抗氧化性能，優(yōu)良的抗熱觸性能和較高的玻璃粘附溫度。該鋼的預(yù)硬后（HRC35左右）加工，加工性能良好，尤其適用于制造玻璃熔化或成型溫度較高、表面質(zhì)量要求高的玻璃制品模具。
3.塑料模具鋼的開發(fā)概況
塑料模具鋼是國內(nèi)發(fā)展得較滯后，到目前為止仍未成完整
