模具是工業(yè)發(fā)展的基石，世界各國的制造業(yè)為了降低產品成本，提高產品質量和生產效率，改善材料利用率，節(jié)約能源，廣泛地采用各種模具成形：工藝代替?zhèn)鹘y的切削加工工藝。據國際模具及五金塑膠產業(yè)供應商協會負責人羅百輝介紹，目前機械制造、電子工業(yè)、輕工業(yè)等工業(yè)部門的產品約有60%~80%的工件采用模具成型。很多產品的質量、尺寸精度、表面粗糙度、更新換代的速度和產品的成本，很大程度上取決于模具的質量、使用壽命和制造周期。作為主要模具材料的模具鋼則是模具制造的基礎，隨著模具工業(yè)的迅速發(fā)展，對模具鋼的數量、質量、品種、規(guī)格、性能等各個方面、不斷地提出更高、更新的要求。近年來，國內外模具鋼的產量、生產技術、工藝裝備、質量、品種等方面都取得了比較迅速的發(fā)展。
1、模具鋼鋼種的發(fā)展
我國模具鋼的產量早已位居世界的前列。近20年來模具鋼的產量增長很快，領先于其他鋼類，模具鋼的產量占合金工具鋼的80%左右。隨著模具工作條件的日益苛刻，各國在原有的冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三大類的基礎上，又相繼發(fā)展了不少適應新的要求的新鋼種。
在冷作模具鋼中，所發(fā)展的材料有：
(1)高韌性、高耐磨性模具鋼這些鋼C、C含量低于傳統的Crl2型模具鋼，增加了Mo、V合金數量，其耐磨性優(yōu)于Crl2MolVl鋼，韌性和抗回火軟化能力則高于Crl2，如美國釩合金鋼公司早期發(fā)表的VascoDie(8Cr8M02V2Si)、日本大同特殊鋼公司的DC53(CrSM02VSi)，我國自行開發(fā)的則有7CrTM02V2Si(LD鋼)、9CrW3M02V2(GM鋼)等，分別用于冷擠壓模具，冷沖模具及高強度螺栓的滾絲模具。
(2)低合金空淬微變形鋼這類鋼的特點是合金含量低(≤5%)，淬透性、淬硬性好，Φ100mm的工件可以空冷淬透、淬火變形小、工藝性好，主要用于制造精密復雜模具。如美國ASTM標準鋼號A4(Mn2CrM-o)、A6(7Mn2CrMo)、日本大同特殊鋼公司的G04。我國自行研制的Gr2Mn2SiWMoV和8Cr2MnMoWVS等鋼種也屬于低合金空淬微變形鋼，后一種鋼號還兼?zhèn)鋬?yōu)良的切削性。
(3)火焰淬火模具鋼這類鋼的特點是淬火溫度范圍寬，淬透性好。由于火焰局部淬火的工藝簡便、以縮短模具制造周期，降低制造費用等特點，已經廣泛地用于制造剪切、下料、沖壓、冷鐓等冷作模具，特別是大型鑲塊模具，如東風汽車公司采用我國研制的7CrSiMiMoV火焰淬火鋼制造汽車大型覆蓋件鑲塊沖模刃口材料，取得了很好的使用效果。這類鋼代表性的鋼號有日本愛知公司的SX5(Cr8MoV)，大同特殊鋼公司的G05，日本日立金屬公司的HMDl。
(4)粉末冶金冷作模具鋼采用粉末冶金工藝生產的高碳高合金鋼，由于鋼液霧化形成的微細鋼粉凝固很快，可以完全避免一般工藝生產的高碳高合金冷作模具鋼在澆注后緩慢凝固產生的粗大碳化物和偏析等缺陷。特點：磨削性好、韌性好、等向性好、熱處理工藝性好。已發(fā)表的粉末冷冶金鋼號有美國坩堝鋼公司的CPM9V，CPMl0V，日本日立金屬的HAP40等。
在熱作模具鋼中新發(fā)展的材料有：
(1)通用型熱作模具鋼1.5155NiCrMoV6為代表的低合金熱作模具鋼，以H13(4CrSMoSiVl)為代表的中合金熱作模具鋼；以HIO(3Cr3M03VSi)鎢系鉬系熱作模具鋼。目前在我國4CrSMoSiVl是產量最高的熱作模具鋼。
(2)高淬透性特大型鍛壓模塊用鋼淬透性好，尺寸較大的模具心部可以獲得均勻的性能。如IS04957標準中的40NiCrMoV；法國NF-35-590標準中的dONCDl6；我國的4Cr2MoVNi、3Cr2MoWVNi等。
(3)高熱強性模具鋼又可分為以下四類。
a.中合金高熱強性模具鋼，一般是在3Cr3M03Si-V(H10)和4CrSMoSiVl(HB)鋼的基礎上增加W、Mo、Co、Nb等元素，提高其高溫性能。如美國ASTM標準鋼號H10A、我國開發(fā)的3Cr3M03W2V等。
b.沉淀硬化型熱作模具鋼，這類鋼的含碳量較低，一般在2%左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如V、Nb、Ni、Al、Mo等，模具淬火后，采用較低溫度回火(≈400℃)，硬度為40HRC左右，由于含碳量低，中溫回火后的組織為板條狀低碳馬氏體，具有良好的韌性，而且具有良好的切削性，可以進行型腔加工。模具在使用過程中，與高溫工件接觸的工作表面被工件加熱到鋼的沉淀硬化溫度(500~600℃)，由于合金碳化物和金屬間化合物的析出，工作表面的硬度可上升到45~48HRC，提高了型腔表面的耐磨性模具心部仍保留原有的組織和高韌性，從而提高了模具的使用壽命。如日本日立金屬公司的YHD3、大同特殊鋼公司的DH76等。
c.低碳高速鋼和基體鋼高速工具鋼具有良好的抗回火軟化性能和高溫硬度，但是其韌性和抗冷熱疲勞性能較差。低碳高速鋼是將高速鋼的碳含量由1%左右降至0.3%-0.6%，在犧牲部分紅硬性和耐磨性的情況下，提高韌性和抗冷熱疲勞性能，如美國ASTM標準鋼號H42，我國標準鋼號6W6MoSCr4V。基體鋼的化學成分相當于淬火后的高速鋼基體組織成分，所以淬火后過剩碳化物的數量少，細小均勻，使鋼的韌性和抗冷熱疲勞性能進一步得到改善。如美國釩合金鐵公司的VasooMA(5Gr4W3Mo2V),我國的6Cr4Mo3W2VNb。這種鋼由于綜合性能較好，即可以用于熱作模具鋼，也可以用于制造高性能的冷作模具。
d.奧氏體型熱作模具鋼，這類鋼經固熔時效處理后，在700-800℃仍保持較好的強度，如日本日立金屬公司的5Mnl8CrlOV2，我國的7Mnl0Cr8Nil0M03V2等。
塑料模具鋼由原國標中的3Crl2Mo(P20)一個鋼號發(fā)展成由有以下七大類構成的塑料模具用鋼系列：
(1)非合金塑料模具鋼主要用于制造生產通用型熱塑性塑料生產工件批量不大，技術要求不太嚴格制品模具。如20、45等碳素結構鋼和T8、T10等碳素工具鋼。2)預硬型塑料模具鋼采用中碳合金鋼預先經過淬火和高溫回火狀態(tài)下(硬度為30~40HRC)交貨：代表性的鋼號如美國的P20、瑞典ASSAB公司的718(3Cr2MnNiMo)，日本大同特殊鋼公司的PDS5，我國的3Cr2Mo等。
(3)時效硬化型塑料模具鋼由于時效溫度低，變形小，而且有規(guī)律，適用于制造形狀復雜，尺寸精度要求高的模具，如美國ASTM標準鋼號P21，日本大同特殊鋼公司的NAK55(2Ni2A1CuMoS)，NAK80，我國的25CrNi3MoAl等。
(4)滲碳型塑料模具鋼一般為C、Si含量很低的低碳鋼或低碳合金鋼，以保證鋼在常溫下具有高塑性和很低的變形抗力，以便進行型腔的冷擠壓，擠壓成型腔后進行滲碳淬火、回火，使模具表面具有高硬度和抗磨損性能，一般用于制造要求耐磨性較高的熱固性塑料模具和增強塑料模具。如美國ASTM標準鋼號P2(10CrMo)、P3(10CrNi)；我國的20Cr、12CrNi2等。
(5)整體淬硬型模具鋼一般都是借用高耐磨性冷作模具鋼及熱作模具鋼。如Cr5M01V(A2)和Crl2MolVl(D2)等冷作模具鋼和4Cr5MoSiVl等熱作模具鋼。
(6)耐蝕塑料模具鋼有些塑料制品如聚氯乙烯、氟化塑料、陰燃塑料等在壓制過程中對模具有腐蝕作用，因此，對此類塑料模具一般采用馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼，如瑞典ASSAB公司的STVAX(4Crl3)，我國的研制的PCR(OCrl6Ni4Cu3Nb)等。
(7)無磁塑料模具鋼為了適應磁性塑料制品的生產，國內外發(fā)展了一些無磁塑料模具鋼，將奧氏體型模具鋼通過時效硬化處理得到要求的硬度強度和低的導磁率，如日本日立金屬公司的HPM7，我國的7Mnl5Cr2A13V2WMo等。
此外，為了適應塑料模具制造過程中的一些對鋼的工藝性能的特殊要求，發(fā)展了以下四類專用的特種塑料模具鋼種。
(1)鏡面磨削用塑料模具鋼純凈度、致密度高，材質均勻性好，且淬回火硬度較高。適用于制做光學儀器、電子設備的透明制品。如瑞典材料S136，日本大同特殊鋼公司的S-STAR等。
(2)非調質型預硬塑料模具鋼鍛(軋)后直接得到要求的硬度，一般為30-40HRC。如我國的3Cr2MnMo-VS鋼等。
(3)高焊接性塑料模具鋼此類鋼焊接性能很好，可以避免或簡化焊前預熱或焊后處理工藝，以便模具的堆焊修復工作。如日本大同特殊鋼公司開發(fā)的PXZ、PX5及NAK55等。
(4)易切削塑料模具鋼此類鋼由于既加人了S等易切元素，又同時加入了Ca等變性劑，所以既改善了鋼的切削性能，又抑制了硫對鋼的力學性能和熱加工性能的不利影響。如日本大同特殊鋼公司的NAK55，DHA2F，我國的5NiCaS等。
模具的工作條件日益苛刻，對模具材料的質量水平，特別是模具鋼的純凈度，等向性的水平，提出了更高的要求，由于模具的加工費用昂貴，要求提高鋼材的尺寸精度，減少加工公差，改善其切削性能，以降低模具的生產成本，羅百輝指出，當前我國模具制造業(yè)日益向通用化、標準化、系列化、高效率、短制造周期發(fā)展，為適應這些發(fā)展的需要，作為使用最頻繁的模具材料的模具鋼也在日益向多品種、精料化、制品化的方向迅速發(fā)展。如新型扁鋼連軋機的不斷投入和寬厚板軋機的技術改造的日益完善，模具鋼的品種規(guī)格越來越多樣化。國內外特殊鋼企業(yè)針對以上要求，在模具鋼的生產工藝裝備上相應地做了大量的工作，取得了顯著成績。具體體現在以下幾方面：
(1).不斷改善冶煉工藝和裝備；采用電爐+爐外精煉生產純凈度較高的模具鋼。
(2).選用更合理的熱合工工藝；采用先進的軋制、鍛造工藝，提高鋼材成材率。
(3).采用可進一步細化鋼材組織的熱處理方法；提高鋼材的均勻性和等向性。
(4).配備可生產高附加值模具鋼的深度加工工藝裝備；加工出高附加值的模板、模塊、模架和模具標準件。
(5).將模具鋼的生產從分散趨于集中，便于形成規(guī)模大、功能全的模具鋼生產基地。
2、模具鋼技術發(fā)展現狀
建國以來，我國模具鋼生產技術發(fā)展很快，從無到有，從仿制到自己開發(fā)，目前我國模具鋼的產量已躍居世界前列。絕大部分國外的標準鋼號和試制的的鋼號，我國也都進行了生產或試制工作，通過幾次鋼種整頓和標準修訂初步形成了我國的模具鋼系列，在模具鋼的生產技術，品種質量，工藝裝備科研開發(fā)及材料應用等方面都取得了很多進展。但是，由于我國模具鋼發(fā)展歷史短，與國外相比還存在著不少問題和差距。
(1)鋼種系列不夠充實完整，有的鋼種(如粉末冶金高合金模具鋼)尚屬空白。
(2)鋼種的產品結構和選用不合理，很多模具鋼仍沿用傳統的幾種老牌號，不能滿足日益增長的模具產品的需求，導致模具使用壽命不高，產品精度低，粗糙度差。
(3)鋼材品種規(guī)格少，目前國內市場上的模具鋼產品仍以黑皮圓棒材為主。品種比較單一，精料和制品的比例很低。由于原料加工余量大，材料利用率低，拉長了模具的制造周期。
(4)生產工藝和裝備方面。
特殊鋼的質量控制、檢測手段落后，缺乏熱處理深度加工和在線質量檢驗設備。缺少生產高性能粉末冶金模具鋼的設備。缺乏專業(yè)化生產的工模具鋼生產線和模具鋼開發(fā)中心。
國外模具鋼發(fā)展比較分析
目前隨著模具制造業(yè)的不斷發(fā)展，對模具鋼從冶金質量、數量、性能上要求不斷提高，在國外出現高合金、高質、優(yōu)化、低級材料強化及擴充材料領域等趨向，模具材料由低級向高級發(fā)展，發(fā)展的趨向是碳素工具鋼→低合金工具鋼→高合金工具鋼，相繼出現一系列新型模具材料，模具標準鋼號的合金化程度也日趨提高，例如美國，15種熱作模具鋼合金元素全部大于5%，而合金元素大于10%的有10種，用量占80%。
國外相繼開發(fā)的新型熱作模具鋼包括：（1）高淬透性特大型鍛壓模具鋼，如國際標準ISO中的40NiCrMoV7，法國NF標準中的40NCD16等；（2）高熱強性模具鋼，如美國H10A，日本日立金屬公司的YHD3，以及特殊鋼公司的5Mn15Ni5Cr8Mo2V2鋼等；（3）高溫熱作模具鋼，如美國T2M、T2C，日本的Nimowal等。
為了滿足冷作模具的特殊要求，各國發(fā)展的新型冷作模具鋼有：（1）高韌性、高耐磨性模具鋼，如美國釩合金鋼公司的VascoDie(8Cr8Mo2Vsi)鋼，日本大同特殊鋼公司的DC53鋼等；（2）低合金空淬微變形鋼，如美國ASTM標準鋼號A14、A16，日本的G04和ACD37等；（3）火焰淬火模具鋼，如日本愛知SX5、SX105V，日本日立HMD1、HMD5等鋼；（4）粉末冶金冷作模具鋼，如美國CPM10V，德國320CrVMo13.5等。
國外新型塑料模具鋼的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：（1）易切削、拋光性好的塑料模具鋼，如美國的412、M-300，日本的YAG，英國的EAB，瑞典的STAVAX-13等；（2）預硬化型塑料模具鋼，如美國P20、445，日本的PDS，德國MOVTREX-A(2312)等；（3）整體淬硬型塑料模具鋼，如美國A2、D3和H13等；（4）耐腐蝕塑料模具鋼，如國標ISO中的110CrMo17，瑞典ASSAB公司的4Cr13等；（5）無磁塑料模具鋼，如日本大同特殊鋼公司的NAK301等。國際模具及五金塑膠產業(yè)供應商協會負責人羅百輝指出，國外模具制造業(yè)正在向通用化、標準化、系列化、高效率、短制造周期發(fā)展，CAD和CAM的應用日益普及。為了適應模具制造業(yè)發(fā)展的需要，模具材料日益向多品種、精細化、制品化的方向迅速發(fā)展。隨著模具工作條件的日益苛刻，對模具的質量，特別是鋼的純凈度、等向性的水平提出了更高的要求。為達此目的，國外普遍采用電爐+爐外精煉工藝生產純凈度高的模具鋼，對于大截面鍛壓模塊和大型的鋼材規(guī)定采用真空處理。對于純凈度要求更高的模具鋼，大部分采用電渣重熔，以進一步提高鋼的純凈度、致密度、等向性和均勻性，減少偏析。因此，模具鋼的質量有了較大提高。為了加強競爭力量，適應經濟全球化的發(fā)展趨勢，國外模具鋼的生產從分散趨向于集中，并多家公司進行跨國合并。為了更好地進行競爭，這些公司都建成了完善的技術先進的模具鋼生產線和模具鋼科學研究基地，形成幾個世界著名的工模具生產和科研中心，以滿足迅速發(fā)展的模具工業(yè)。
總體而言，我國模具鋼還比較落后，尤其是用于制造高檔次模具的鋼材，仍然在使用進口鋼，與國際先進水平相比，主要有以下差距：
(1)模具鋼品種、規(guī)格不全，低檔次較多，高檔次較少。高質量、高性能模具鋼的品種少。從品種方面，尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷等專用的模具鋼系列。鋼材中扁鋼、模塊、精料制品比例比較低，鋼材的利用率較國外低10%左右。為滿足制造大型、精密、復雜、高壽命模具的需要，國外發(fā)展預硬化鋼，而國產鋼基本上停留在退火階段，或熱軋狀態(tài)供貨，并且供貨周期較長，這是我國家電行業(yè)大量進口模具鋼的主要原因。
(2)模具鋼的專業(yè)化生產程度較低。鋼材的質量、性能穩(wěn)定性較差，外觀質量較差。中國模具鋼分散在幾十個企業(yè)生產，大部分生產廠家的生產工藝裝備不配套，特別是后部工序，深加工設備落后，從而制約國產模具鋼質量的提高和性能的提高。
(3)模具鋼供銷渠道有待暢通。模具制造多為單件或小批量生產，并所需鋼材的品種多、規(guī)格多、數量少、需求供貨及時的行業(yè)特點，與冶金廠的批量生產有矛盾。國外通過鋼材商店可隨時解決零售問題。國內近幾年來也出現了部分代理商、鋼材商店等中間銷售環(huán)節(jié)，但在模具鋼銷售的服務意識和水平與國外先進水平還有一定差距，影響了國產模具鋼的推廣和應用。例如Bohler-Uddehum的全球10萬用戶中，大多是工程師指導用戶使用。
值得注意的事，我國模具的質量和服務，離用戶需求的差距相當大，因而出現了不少“寧可出高價買國外的，不愿以低價買國內的”的不正�，F象。部分的國內外模具鋼價格比較見表1。由表可知，進口鋼材價格要比國內價高出3~6倍，從同一鋼種的價格差距上反映出我國模具鋼的落后面貌。
根據對國內外模具鋼的對比研究發(fā)現，國外模具鋼的品質主要體現在：純凈、均勻、組織細小、尺寸精確。這些方面的差距造成我國冷作模具鋼在與進口鋼同樣強度下韌性不足，耐磨性低下；而熱作模具鋼的高溫強度和熱疲勞性能都低，使國產模具鋼的模具壽命較進口鋼的模具壽命明顯的低。
以H13為例，與進口H13相比，國產H13夾雜物、一次碳化物較多；退火組織中碳化物有明顯沿晶界分布現象；心部橫向沖擊韌性只有縱向的0.2~0.3等等。但是，盡管這些國產H13鋼存在上述諸多質量問題，卻均是按國家標準生產合格的正規(guī)產品。這就暴露我國國家標準GB1299-2000與北美壓鑄協會標準NADCA#207-90的差距。表2是不同國家H13鋼的化學成分標準。以北美壓鑄協會標準考核檢測時可發(fā)現的退火組織、帶狀組織、和沖擊韌性等問題，均不是我們國家所考核的指標。這正是國產H13鋼生產質量差的關鍵問題。
我們要清楚地認識到，在國外先進國家的企業(yè)，只是把國際標準作為最低標準，他們真正貫徹或執(zhí)行的是比國際標準更高的“企業(yè)標準”或“內控標準”，如瑞典UDDEHOLM公司和奧地利Bohler公司均有非常嚴格的企業(yè)標準。這一現實正好與我國目前的情況相反，是不利于我國模具鋼發(fā)展的。為此，我國模具鋼的國家標準應盡可能地向國際先進標準靠攏，這樣才會促進我國模具鋼水平的提高，改變我國模具鋼質量普遍較低的現象。
