模具鋼材（Die steel）

?　　加工模具時用的，由于模具的用途很廣，各種模具的工作條件差別很大，

所以，制造模具用材料范圍很廣，在模具材料中應用最廣的當屬模具鋼。從—般

的碳素結構鋼、碳素工具鋼、合金結構鋼、合金工具鋼、彈簧鋼、高速工具鋼、

不銹耐熱鋼直到適應特殊模具需要的馬氏體時效鋼以及粉末高速鋼、粉末高合金

模具鋼等。模具鋼按用途一般可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料成型用模具

鋼三大類

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　　1．冷作模具鋼

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　　冷作模具鋼主要用于制造對冷狀態下的工件進行壓制成型的模具。如：冷沖

裁模具、冷沖壓模具、冷拉深模具、壓印模具、冷擠壓模具、螺紋壓制模具和粉

末壓制模具等。冷作模具鋼的范圍很廣，從各種碳素工具鋼、合金工具鋼、高速

工具鋼到粉末高速工具鋼和粉末高合金模具鋼。

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　　2．熱作模具鋼

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　　熱作模具鋼主要用于制造對高溫狀態下的工件進行壓力加工的模具。如：熱

鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱鐓鍛模具等。常用的熱作模具鋼有：中高含

碳量的添加Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具鋼；對特殊要求的熱作模具鋼，

有時采用高合金奧氏體耐熱模具鋼制造。

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　　3．塑料模具鋼

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　　由于塑料的品種很多，對塑料制品的要求差別也很大，對制造塑料模具的材

料也提出了各種不同的性 能要求。所以，不少工業發達的國家已經形成了范圍

很廣的塑料模具用鋼系列。包括碳素結構鋼、滲碳型 塑料模具鋼、預硬型塑料

模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、耐蝕塑料模具鋼、易切塑料模具鋼、整體淬硬

型塑料模具鋼、馬氏體時效鋼以及鏡面拋光用塑料模具鋼等。

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性能要求 ：
　　使用性能

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　　A 強度性能

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　　（1）硬度 硬度是模具鋼的主要技術指標，模具在高應力的作用下欲保持其

形狀尺寸不變，必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般硬度保持

在HRC60左右，熱作模具鋼根據其工作條件，一般要求保持在HRC40~55范圍。對

于同一鋼種而言，在一定的硬度值范圍內，硬度與變形抗力成正比；但具有同一

硬度值而成分及組織不同的鋼種之間，其塑性變形抗力可能有明顯的差別。

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　　（2）紅硬性 在高溫狀態下工作的熱作模具，要求保持其組織和性能的穩定

，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱為紅硬性。碳素工具鋼、低合金工具鋼通

常能在180~250℃的溫度范圍內保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃

的溫度范圍內保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學成分和熱處理工藝

。

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　　（3）抗壓屈服強度和抗壓彎曲強度 模具在使用過程中經常受到強度較高的

壓力和彎曲的作用，因此要求模具材料應具有一定的抗壓強度和抗彎強度。在很

多情況下，進行抗壓試驗和抗彎試驗的條件接近于模具的實際工作條件（例如，

所測得的模具鋼的抗壓屈服強度與沖頭工作時所表現出來的變形抗力較為吻合）

。抗彎試驗的另一個優點是應變量的絕對值大，能較靈敏地反映出不同鋼種之間

以及在不同熱處理和組織狀態下變形抗力的差別。

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　　B 韌性

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　　在工作過程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、崩刃

等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。

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　　模具鋼的化學成分，晶粒度，純凈度，碳化物和夾雜物等的數量、形貌、尺

寸大小及分布情況，以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素

都對鋼的韌性帶來很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對于其橫向

韌性的影響更為明顯。鋼的韌性、強度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此，要合

理地選擇鋼的化學成分并且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，以使模具材

料的耐磨性、強度和韌性達到最佳的配合。

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　　沖擊韌性系表特征材料在一次沖擊過程中試樣在整個斷裂過程中吸收的總能

量。但是很多工具是在不同工作條件下疲勞斷裂的，因此，常規的沖擊韌性不能

全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次沖擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽

命等試驗技術正在被采用。

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　　C 耐磨性

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　　決定模具使用壽命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承

受相當大的壓應力和摩擦力，要求模具能夠在強烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模

具的磨損主要是機械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類型。為了改善模具鋼的耐

磨性，就要既保持模具鋼具有高的硬度，又要保證鋼中碳化物或其他硬化相的組

成、形貌和分布比較合理。對于重載、高速磨損條件下服役的模具，要求模具鋼

表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，保持潤滑作用，減少模具和工件之間產

生粘咬、焊合等熔融磨損，又能減少模具表面進行氧化造成氧化磨損。所以模具

的工作條件對鋼的磨損有較大的影響。

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　　耐磨性可用模擬的試驗方法，測出相對的耐磨指數？，作為表征不同化學成

分及組織狀態下的耐磨性水平的參數。以呈現規定毛刺高度前的壽命，反映各種

鋼種的耐磨水平；試驗是以Cr12MoV鋼為基準（？=1）進行對比。圖1-2-3是標準

磨具進行耐磨性試驗的結果，較好地反映工模具鋼在磨粒磨損條件下的耐磨性水

平。

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　　D 抗熱疲勞能力

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　　熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化之外，還受到高溫及周

期性的急冷急熱的作用，因此，評價熱作模具鋼的斷裂抗力應重視材料的熱機械

疲勞斷裂性能。熱機械疲勞是一種綜合性能的指標，它包括熱疲勞性能、機械疲

勞裂紋擴展速率和斷裂韌性三個方面。

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　　熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命，抗熱疲勞性能高的

材料，萌生熱疲勞裂紋的熱循環次數較多；機械疲勞裂紋擴展速率反映材料在熱

疲勞裂紋萌生之后，在鍛壓力的作用下裂紋向內部擴展時，每一應力循環的擴展

量；斷裂韌性反映材料對已存在的裂紋發生失穩擴展的抗力。斷裂韌性高的材料

，其中的裂紋如要發生失穩擴展，必須在裂紋尖端具有足夠高的應力強度因子，

也就是必須有較大的裂紋長度。在應力恒定的前提下，在一種模具中已經存在一

條疲勞裂紋，如果模具材料的斷裂韌性值較高，則裂紋必須擴展得更深，才能發

生失穩擴展。

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　　也就是說，抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命；而裂紋擴展

速率和斷裂韌性，可以決定當裂紋萌生后發生亞臨界擴展的那部分壽命。因此，

熱作模具如要獲得高的壽命，模具材料應具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴展

速率和高的斷裂韌性值。

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　　抗熱疲勞性能的指標可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環數，也可以用經過一定

的熱循環后所出現的疲勞裂紋的條數及平均的深度或長度來衡量。

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　　E 咬合抗力

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　　咬合抗力實際就是發生“冷焊”時的抵抗力。該性能對于模具材料較為重要

。試驗時通常在干摩擦條件下，把被試驗的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料（

如奧氏體鋼）進行恒速對偶摩擦運動，以一定的速度逐漸增大載荷，此時，轉矩

也相應增大，該載荷稱為“咬合臨界載荷”，臨界載荷愈高，標志著咬合抗力愈

強。

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　　工藝性能

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　　在模具生產成本中，材料費用一般占10%~20%，而機械加工、熱處理、裝配

和管理費用占80%以上，所以模具的工藝性能是影響模具的生產成本和制造難易

的主要因素之一。

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　　A 可加工性

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　　——熱加工性能，指熱塑性、加工溫度范圍等；

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　　——冷加工性能，指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。

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　　冷作模具鋼大多屬于過共析鋼和萊氏體鋼，熱加工和冷加工性能都不太好，

因此必須嚴格控制熱加工和冷加工的工藝參數，以避免產生缺陷和廢品。另一方

面，通過提高鋼的純凈度，減少有害雜質的含量，改善鋼的組織狀態，以改善鋼

的熱加工和冷加工性能，從而降低模具的生產成本。

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　　為改善模具鋼的冷加工性能，自20世紀30年代開始，研究向模具鋼中加入S

、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或導致模具鋼中碳的石墨化的元素，發展了各種

易切削模具鋼，以進一步改善其切削性能和磨削性能，減少刀具磨料消耗、降低

成本。

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　　B 淬透性和淬硬性

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　　淬透性主要取決于鋼的化學成分和淬火前的原始組織狀態；淬硬性則主要取

決于鋼中的含碳量。對于大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素之

一。對于熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是制造大型模具，

其淬透性更為重要。另外，對于形狀復雜容易產生熱處理變形的各種模具，為了

減少淬火變形，往往盡可能采用冷卻能力較弱的淬火介質，如空冷、油冷或鹽浴

冷卻，為了得到要求的硬度和淬硬層深度，就需要采用淬透性較好的模具鋼。

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　　C 淬火溫度和熱處理變形

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　　為了便于生產，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些，特別是當模具采

用火焰加熱局部淬火時，由于難于準確地測量和控制溫度，就要求模具鋼有更寬

的淬火溫度范圍。

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　　模具在熱處理時，尤其是在淬火過程中，要產生體積變化、形狀翹曲、畸變

等，為保證模具質量，要求模具鋼的熱處理變形小，特別是對于形狀復雜的精密

模具，淬火后難以修整，對于熱處理變形程度的要求更為苛刻，應該選用微變形

模具鋼制造。

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　　D 氧化、脫碳敏感性

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　　模具在加熱過程中，如果發生氧化、脫碳現象，就會使其硬度、耐磨性、使

用性能和使用壽命降低；因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對于含鉬量

較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強，需采用特種熱處理，如真空熱處理、

可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。

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　　其他因素

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　　在選擇模具鋼時，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具

鋼的通用性和鋼材的價格。模具鋼一般用量不大，為了便于備料，應盡可能地考

慮鋼的通用性，盡量利用大量生產的通用型模具鋼，以便于采購、備料和材料管

理。另外還必須從經濟上進行綜合分析，考慮模具的制造費用、工件的生產批量

和分攤到每一個工件上的模具費用。從技術、經濟方面全面分析，以最終選定合

理的模具材料。