模具材料及应用探析

制造模具的材料很多，不仅包括多种金属材料，还有许多非金属材料。但机械制造业最常用的模具材料是碳素工具钢，低合金工具钢，中、高合金工具钢，以及钢结硬质合金和普通硬质合金等。按模具的用途可分为冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料及玻璃模具材料等。

1.冷作模具的常用材料及其特性和应用

不同类型的冷作模具钢种及其牌号如表3-1所示。

表3-1 冷作模具钢的类别和主要牌号

为了适应高耐磨、高抗压、高精度和高寿命等的需要，如冷冲裁、冷挤压和冷镦锻等的凸凹模部分，常用硬质合金和钢结硬质合金制作。表3-2和表3-3所示为钢结硬质合金和普通硬质合金的牌号及性能。

表3-2 钢结硬质合金牌号及性能

表3-3 普通硬质合金牌号及性能

下面主要介绍几种冷作模具钢的使用性能及应用。

（1）冷作模具用的碳素工具钢 用于冷作模具的碳素工具钢，主要是T7A和T10A等牌号。其中以T10A钢应用得最普遍，主要原因是T10A耐磨性比T8A钢好，脆性比T12A钢小。碳素工具钢仅适用于制作形状简单、尺寸较小和承载较轻的模具，如小冲头、小型冲模等。应当指出，碳素工具钢最适合制作小型冷镦摸，因为小型冷镦模除了应具备足够强度、表面硬度和硬化层外，心部还需要足够的韧性。如果硬化层过深，会因工作时承受较大冲击而早期破断。但对于尺寸较大、承载较重的冷镦模则不宜用碳素工具钢制作，否则因硬化层过薄和基体过软而被压陷。

（2）冷作模具用的低合金工具钢 用于制造冷作模具的低合金工具钢，主要有MnSi、CrWMn、V、（T10V）、Cr2（GCr15）、9Mn2V、9CrWMn和MnCrWV等牌号。低合金工具钢比碳素工具钢的淬透性和耐磨性均好，而且可以用油等冷却速度较缓慢的介质进行淬火。因此，适用于制作尺寸稍大、要求硬化层稍深和变形较小的各种冷作模具。

例如，用MnSi钢制作尺寸稍大的冷镦模和冷冲压模时，在正常淬火后T10A钢的硬化深度仅1.5～2.0mm，而MnSi钢可达4～6mm，且变形小。试验表明，用MnSi钢制作的冷镦模的寿命比T10A钢高50%～100%，制作的冷冲压模寿命比T10A钢的高30%左右。

再如，V钢是在T10钢的化学成分基础上增加了质量分数0.2%～0.4%的V冶炼而成的。由于少量合金元素钒可以有效地细化晶粒，改善韧性等，可以大量应用于承受冲击力稍大的小型冷冲压模具。

（3）冷作模具用的中合金钢和高合金钢 这两类钢具有淬透性好、耐磨性高及淬火变形小等优点，被广泛应用于载荷重、被加工件批量大、要求耐磨性好及淬火变形小的形状复杂的冷作模具上。常用的牌号有Cr12MoV、6CrWV和Cr4W2MoV等。其中，Cr4W2MoV钢的碳化物不均匀度比Cr12MoV钢好得多。例如，当圆钢直径为100mm时，碳化物不均匀度≤2级。用该钢代替Cr12MoV钢制作冷冲模、冷挤压模、压弯模等均有良好效果。

（4）冷作模具用的空冷微变形钢 主要是指CrMn2SiWMoV钢，其碳化物均匀性好、淬火温度低（820～840℃），但耐回火性不亚于Cr12型钢。适用于制作要求变形甚微且要求较好冲击韧度的中、大型冷作模具。

（5）冷作模具的耐冲击用钢 主要包括4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si和60Si2Mn等。其中，5CrW2Si钢最常用，由于其硬度、韧性和耐回火性兼优，它既可用于冷剪切模，也可用于热剪切模，并易于校正变形。

实践表明，这几个牌号的耐冲击用钢，由于具有较好的耐回火性和推迟第一类回火脆性转变温度，可在280℃回火保持较高硬度和良好韧性。由于合金元素W的作用，不仅加热时可阻止晶粒长大和进一步提高耐磨性，同时减弱了第二类回火脆性。如果在430～470℃回火，可得到更高的韧性。

60Si2Mn钢由于具有较好的韧性和适中的硬度，常用于制作冷镦模冲头和冷冲模等。

（6）冷作模具用高速钢 目前，黑色金属冷挤压凸模主要用高速钢制作。实践表明，原材料的碳化物不均匀程度和热处理工艺参数对其使用寿命影响很大。通常用反复锻造（镦粗-拉拔）的方法改善碳化物的均匀度，采用较低的淬火加热温度来处理冷挤压模。

为了满足黑色金属冷挤压需要，研究了一种低碳型高速钢，6W6Mo5Cr4V。虽然它仍是莱氏体钢，但碳化物不均匀度比普通高速钢好1～2级，制作冷挤压凸模的寿命提高3.5～10倍。

2.热作模具的常用材料及其特性和应用

不同类型的热作模具用钢，如表3-4所示。

表3-4 热作模具钢的类别和主要牌号

如所周知，热变形模具的工作条件远比冷变形模具苛刻得多。热作模具使用时，除需要良好的耐磨性、热强性和强韧性外，由于表面温度有时高达600～700℃（如压铸模），且由于往复急冷、急热，则还需要很好的耐热疲劳性等。因此，热作模具钢大多数是中、高合金钢。下面主要介绍几种热作模具钢的性能及应用。

（1）锤锻模用钢及其特性 制造锤锻模的钢种及其牌号主要是具有高强韧性的5CrNiMo、5CrMnMo、5SiMnMoV和5Cr4Mo等。其中，前两个牌号应用较广，经正常热处理后在常温下的力学性能如表3-5所示。表3-6所示为5CrNiMo钢在较高温度下的力学性能。

表3-5 5CrMnMo和5CrNiMo钢常温下的力学性能

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表3-6 5CrNiMo钢在较高温度下的力学性能

（续）

这两种热作模具钢具有较高的淬透性，如截面尺寸为300mm×300mm×400mm的模块经820℃加热后在油中淬火冷却；于560℃回火后，整个截面硬度非常均匀，心部硬度只比表面低10～20HBW。5CrNiMo钢适用于制造复杂、冲击载荷重的大型及特大型的锻模（最小边长≥400mm）。5CrMnMo钢淬透性比5CrNiMo钢稍差些，且塑性和韧性也低些，同时，过热敏感性稍强。因此，5CrMnMo钢适用于制造最小边长≤300～400mm的中、小型锻模。

4SiMnMoV和5SiMnMoV钢是无镍铬热模具钢，生产实际使用表明，用其制作的模具寿命和技术经济指标已达到甚至超过进口模具钢水平，已在生产实践中逐渐扩大使用。

（2）压铸模用钢及其特性 在生产中经常压铸的材料有锌合金、铝合金、镁合金、铜合金和黑色金属等五大类。这些合金的熔点、压铸温度和模具的工作温度以及所要求的硬度等如表3-7所示。

表3-7 压铸合金的熔点、压铸温度和模具工作温度及要求的硬度

根据所压铸的合金浇注温度，压铸模可分为两大类。

1）压铸低熔点合金（锌合金、铝合金和镁合金）用的模具钢。一般使用3Cr2W8V和4Cr5MoSiV钢即可。4Cr5MoSiV钢可在空气中淬火硬化，使用寿命较长。例如，压铸锌合金时，一般可达数10万次；压铸铝合金时，由于铝有融蚀和渗入模具表面以及粘模现象而影响正常使用，一般寿命也可达10万次左右。

2）压铸高熔点合金（铜合金和黑色金属等）的模具钢。压铸铜合金时，各国大部分也用3Cr2W8V和4Cr5MoSiV钢，但寿命均不高。用5Cr4W2Mo2VSi钢制造铜合金压铸模具时，一般寿命可提高到6000次左右。对于压铸黑色金属（钢和铸铁）条件更加苛刻，各国都在探讨新材料。其中，用难熔金属（钼、钨等）为基的合金比较成功。例如，粉末烧结钨基合金、铜基合金（CrZrVCu、CoBeCu）等制造黑色金属压铸模比3Cr2W8V钢提高寿命1.5～2倍。值得重视的是，用3Cr2W8V钢渗铝或铬铝硅三元共渗的模具，压铸黑色金属也取得了一定的效果。

3）重载热挤压、热镦锻和精锻模用钢。这些模具虽然尺寸一般不大，但工作时需长时间与被加工的高温零件接触，不仅受热程度大，而且承载应力也大。这类模具常用热强度高的3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVAl、4Cr5W2VSi、5Cr4Mo3SiMnVAl等钢制造。特别是含铬量较高且含硅的几个牌号，耐热疲劳性和抗氧化性均比较高，由于加入少量钒提高了耐回火性和二次硬化现象。表3-8和表3-9所示分别为这种钢的常温力学性能和疲劳强度。实际使用证明，这些含铬高的热模具钢比3Cr2W8V钢的模具寿命显著提高。

表3-8 三种热模具钢的常温力学性能

表3-9 两种热模具钢的疲劳强度（单位：MPa）

注：循环次数大于10³次。

4）轻载热镦模和热挤压模用钢。在轻载条件下工作的热镦模和热挤模可采用低合金钢制造。其中，4SiCrV、8Cr3、7Cr3与5CrMnSi钢性能相差不多。因此，可以制作相同用途的模具。

8Cr3钢的热稳定性不高。但在400～500℃范围内的耐磨性仍较好。主要用于制作冲击力不大，承受温度500℃以下，要求耐磨好的较大型压弯模、切边模及热镦模具等。

3.塑料模具常用材料的类型及牌号

塑料模具用钢与冷、热模具用钢有很大区别，目前已形成其系列，如表3-10所示。

表3-10 塑料模具用钢的类别和牌号

4.玻璃模具常用材料类型及牌号

目前，国内外玻璃模具材料，大多使用铸铁和铸造不锈钢，经适当热处理后再进行表面强化处理。用的较成熟的材料有4Cr13Ni钢、HT200铸铁及低Sn蠕墨铸铁等。

5.高强韧模具材料及应用实例

高强韧模具材料及其应用实例，参见附录G。