模具材料的发展与展望

1）国内模具材料的发展历史

模具是从斧头、锤子等手工工具逐步发展而来的。人类从铁器时代就采用钢铁材料制造手工工具。我国是世界闻名古国之一，钢铁生产技术始于公元前5世纪初春秋战国时期，到西汉逐渐兴盛起来。至东汉时期，我国已创造了白口铸铁柔化处理技术，即高韧性可锻铸铁的生产技术。我国生态冶炼技术的发展要比欧洲早1 900年，锻铸铁生产技术更早于欧洲2 300年。

我国在春秋晚期已经发明了块炼渗碳钢技术，如长沙杨家山出土的春秋晚期的钢剑，就是Wc为0.5%的中碳钢。其生产工艺上先将铁矿石固态还原成海绵铁，然后进行渗碳，再经反复折叠锻打，最后锻打成具有多层结构的钢制工具。

在钢的热处理技术上，我国早在战国后期已广泛采用淬火工艺，如河北易县燕下都44号墓出土的钢剑和钢戟，都经过淬火处理，呈现针状马氏体显微组织。

我国很早就采用了钢铁制造模具。在战国时期，率先使用生铁制造铸造用的模具，用来浇铸铸铁的斧、凿、镰等工具。在河北兴隆县和河南新郑市，先后出土了大量战国时代的铁范。通过铸铁模具的使用，不仅可以改善铸造铁器的质量，而且由于模具可以多次使用，能够显著地提高生产效率、降低生产成本，对社会生产力的发展起到了较大的推动作用。

我国冷作模具发展也比较早，明代出版的《天工开物》一书中就记载有将钢尺锥成线眼，将钢条抽成线眼冷拔成钢丝，再将钢丝剪断制成针的工艺过程。说明当时已经采用钢制的冷拉模具生产针用钢丝。

17世纪以来，通过产业革命，欧洲的钢铁生产技术得到迅速发展。而我国从19世纪以来长期受到封建主义、官僚资本主义和帝国主义的统治，沦为半封建半殖民地社会，生产技术停滞不前。1949年前，年产钢仅15.8万t，基本上不能生产模具钢，模具用钢几乎全部依靠进口。

自中华人民共和国成立后，我国模具钢的生产技术得到了迅速发展。1997年，仅冶金系统的几个主要特殊钢厂的合金模具钢产量已达11万t，居世界前列，国产模具钢基本能满足国内模具行业的需要，而且还有部分出口。

中华人民共和国成立60年来，我国通过引进和自己研制开发，逐渐形成了我国的模具钢钢种系列。1952年，引进苏联国家标准，制订了我国重工业部合金工具钢标准；1959年，根据我国资源情况，制订了冶金工业部合金工具钢标准YB 7—1959。1977年，在整顿原来的钢种系列的基础上，吸收我国历年来科研开发工作的经验，制订了我国第一个合金工具钢国家标准GB 1299—1977。1985年，对该标准进行修订，颁发了GB／T 1299—1985，1999年进行再次修订，颁发了GB／T 1299—2000，从而建立了具有我国特色的、接近世界先进水平的，包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢和无磁模具钢的模具钢钢种系列，以适应使用部门和生产部门的需要。

2）国内模具材料的现状

中华人民共和国成立以来，我国模具钢生产发展较快，从无到有，从仿制到自行开发，在短短的60年内，我国模具钢产量已跃居世界前列。绝大部分国外的标准钢号和科研试制中的模具钢号，我国基本上均开展生产和研制工作。通过几次钢种的整顿和标准修订，已经初步形成了比较完整的具有中国特色的模具钢系列，在模具材料的生产技术、产品质量、科技研发以及应用工作等方面都取得了较多的新成就，主要表现在以下方面：

①模具钢年产量已居世界前列，模具钢系列化有了进步。

②研制了多种新型冷作模具材料，其中以合金钢为主，如GD（6CrNiSiMnMoV）、DS（6CrWMoV）等低合金冷作模具钢；D2（Cr12MoV1）、LD（7Cr7Mo2V2Si）等韧性较高的高合金、高耐磨冷作模具钢；65Nb（6Cr4W3Mo2VNb）、LM1（6WBCr4VTi）等基体钢，这类基体钢广泛用于重载的冷作模具、难变形材料用的大型复杂模具和钢铁材料的热挤压模具。

③研制了不少高强韧性和高热稳定性的新型热作模具钢。如用于锤锻模的3Cr2MoWVNi钢、5Cr2NiMoVSi钢；用于热挤压模具的HM1（3Cr3Mo3W2V）钢、TM（4Cr3Mo2WVMn）钢、012Al（5Cr4Mo3SiMnVAl）钢、Y10（4Cr5Mo2MnVSi）钢、HD（4Cr3Mo2NiVNb）钢和PH（2Cr3Mo2NiVSi）钢等。这些热作模具钢与传统热作模具钢5CrMnMo，3Cr2W8V等相比都具有良好的使用效果。

④近几年来，在引进国外塑料模具钢的同时，自行研制和开发了一批新型塑料模具专用钢。如预硬型塑料模具钢P20（3Cr2Mo）、718（3CR2NiMo）；易切削预硬钢8Cr2S（8Cr2MnWMoVS）、Y55（CrNiMnMoVS）；时效硬化型塑料模具钢25CrNi3MoAl，PMS（1Ni3Mn2MoCuAl）和06Ni（06Ni6CrMoVTiAl）等；耐蚀塑料模具钢PCR（0Cr16Ni4Cu3Nb）。这些塑料模具钢的推广应用，改善了塑料模具的机械加工性能，提高了塑料模具的精度、表面质量和使用寿命。

⑤硬质合金钢和钢结硬质合金制造模具正在走向成熟。目前多用于拉丝模、冷冲模、冷镦模和无磁模。例如，硬质合金制造的硅钢片高速冲模，寿命可达上亿次；钢结硬质合金制造的M12冷镦模，其寿命大于100万次，而且提高了产品质量，降低了生产成本。

⑥广泛采用热处理新工艺。如片状珠光体组织预处理工艺、细化碳化物和消除链状碳化物组织的预处理工艺、Cr12型冷作模具钢的低温淬火回火工艺、热作模具钢的中温回火等，都显著提高了模具的综合性能和使用寿命。(www.xing528.com)

⑦表面强化处理。除了广泛应用传统的化学热处理技术外，还发展了多种表面涂覆处理技术和表面加工强化处理技术。如热锻模应用Ni-Co-ZrO2复合电刷镀可使模具寿命提高50%～200%；采用化学气相沉积法沉积Ni-P复合涂层，硬度可达1 000 HV，耐磨性相当于硬质合金；采用物理气相沉积法沉积TiC，TiN镀层可有效地改善模具表面的抗黏着性和抗咬合性，延长模具的使用寿命。

我国模具材料生产技术发展较快，由于我国制造业起步较晚，与发达国家相比，模具材料的生产和使用水平还较低，不能满足模具工业高速发展的需要，主要表现在以下方面：

①模具钢品种零散，系列化程度低。我国制订的GB／T 1299—2000标准中，由于中低档钢材多，质量性能参差不齐，其中约有一半无人订货，市场上也看不见的产品，因此，高质量的专用模具钢系列还未形成。例如，用量很大的塑料模具钢在GB／T 1299—2000中只纳入了两个钢号，显然不能满足各种不同类型的塑料模具的要求。

②模具钢品种结构不合理，其精料化、制品化程度较低，规格较少。目前，冶金厂生产的模具钢材品种大多数是圆钢，对于冷、热作模具钢用的厚板、方料、扁料等市场上极为少见。模具制造厂很多是将圆钢锯切改锻成扁钢或模块，由于多采用自由锻锤改锻，加工余量大，材料利用率低，影响模具的制造周期。在规格方面，国外发达国家每不到5 mm为一档，我国生产厂家往往把好几档规格合并为一个尺寸生产。

③模具钢冶金质量不够高。提高钢材的纯净度和均匀度，是提高钢材的内在质量、延长模具使用寿命的根本途径之一。国内目前专业生产模具钢的企业生产规模较小，对硫、磷等有害元素的控制不够严格。

④生产工艺和装备有一定差距。目前，我国虽然建立了一批技术先进的钢铁厂，采用新技术生产的模具钢品质已接近国际先进水平，使我国模具钢的品种、规格和质量都得到很大的改善。但部分钢铁厂仍在采用20世纪50年代的工艺装备进行生产，致使生产效率、产品质量、尺寸精度和表面质量方面与先进国家相比，还有一定的差距。

⑤轻视钢材使用过程中后续加工的质量。在我国，模具钢材出厂时通常为退火状态，大多数用户需要对这些钢材进行改锻后再使用，但是，厂家对改锻工艺和锻造后的退火处理工艺执行不严，甚至有些厂家采用Cr12钢也不经锻造而直接加工成模。另外，模具粗加工后的去应力处理、电加工后降低变质层脆性的处理、使用过程中中间去应力退火处理也往往被忽略，致使钢材使用能力的潜力难以发挥，模具的使用寿命缩短。

⑥不重视新材料和热处理新工艺的应用。模具设计人员习惯应用传统的模具钢和传统的热处理工艺方法，忽略选用新材料和新工艺。

3）国内模具材料的发展方向

随着我国模具工业的迅速发展，各种新技术、新材料的不断涌现，模具的工作条件日益苛刻，对模具材料的性能和品质等方面提出了更高的要求。近年来，我国研发了许多具有不同特性的、适应不同要求的新型模具材料，在材料品种、冶金质量、生产工艺和生产装备等方面都取得了较大的进步。为了满足模具工业发展的需要，我国模具材料的主要发展方向有以下方面：

①积极研发和引进性能优良的各种类型的新型模具材料，不断完善模具钢钢种系列。根据市场需要，增加品种、规格，进一步完善具有我国特色的系列化、标准化模具材料，以满足各种类型模具的用材需求。

②加速模具材料的品种规格向多样化、精料化、制品化发展。近年来，在模具设计和制造过程中，广泛采用CAD和CAM技术，使得材料利用率和模具的生产效率大大提高，制造周期也大大缩短。为了进一步提高模具材料的利用率和生产效率，降低模具的生产成本，满足我国制造业发展的需要，首先是对模具制造需要的各种各样的扁钢和厚钢板进行标准化和系列化，并制订详细的技术规范。例如，锻造扁钢、热轧扁钢、热轧板材、冷拉扁钢和圆钢等均由专业模具钢厂供应，稍作裁切即可直接使用。其次是模具材料的精料化，即由模具钢厂直接供应经过机械加工的高精度、无热处理缺陷的各种规格和各种材质的精料。最后是向制品化发展。对于常用的模具零件，如模块、导套、导柱、推杆等制品，由专业钢厂批量生产，可确保热处理质量和精度要求。

③进一步提高模具钢的性能质量。首先要进一步提高模具钢的冶炼质量，高纯度的模具钢，不但可以提高钢的性能，还可以提高钢材的内在质量，从而延长模具的使用寿命。研究表明，钢中硫、磷的质量分数从0.03%降到0.01%以下，冲击韧性可以提高一倍以上。其次是生产等向性模具钢，使钢材的横向性能与纵向性能接近，当模具受到多向应力时不至于某个方向过早失效而影响模具的使用寿命。

④充分重视模具的正确选材。选材方法要向综合化发展，不仅要考虑制件的材质、尺寸、精度要求，模具的类型、结构、型腔复杂程度，还有考虑生产批量、质量和寿命要求，从而获得最佳经济效益。

⑤加强模具热处理新工艺及表面处理新技术的推广与应用。充分挖掘模具材料的潜力，提高模具材料的使用质量。

总之，我国模具钢技术的发展方向，主要是积极发展国际技术合作，发展高质量和高性能钢种，完善系列化和标准化，发展精料化、高级化和专业化生产，同时采用先进的工艺和装备，使我国模具材料的生产尽快赶超世界先进水平。