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20世紀50年代，中國所有的模具鋼都襲擊了國外的鋼號。20世紀60年代，為了節約原材料，提高空白精度，沒有切割工藝和精密成型技術發展迅速。為了提高生產效率，采用了許多高效的壓力加工設備，鍛錘逐漸被壓力機取代。原模具鋼的性能往往不能滿足使用條件對性能的高要求，影響了新工藝和新設備的推廣和應用。20世紀70年代末，精密和大型工程塑料產品的應用越來越廣泛，對塑料模具鋼的需求急劇增加，對塑料模具鋼的性能提出了新的要求。

自20世紀60年代以來，在國家有關部委的支持下，中國科技工作者結合國情開發了許多新型模具鋼，其中一些新型使用性能優良，工藝性能良好，受到模具制造和使用單位的歡迎。在此期間，還引進了一些國外通用鋼號，其中一些通過生產試驗取得了良好的效果。對于一些使用效果較好的冷模具鋼和熱模具鋼，有關部門還組織了性能比較試驗研究，并提出了選擇和應用建議。為了滿足高耐磨、長壽命模具的需要，20世紀50年代末，中國硬合金發展迅速，開發了各種硬合金作為模具，取得了良好的效果。

本文分為六個部分：冷模具鋼、熱模具鋼、塑料模具鋼、硬合金和鋼結硬合金、模具熱處理、展望和建議。

冷作模具鋼

目前，我國常用的冷作模具鋼仍然是低合金工具鋼CrWMn高碳高鉻工具鋼Cr12MoV及Cr12這些老鋼號。CrWMn鋼具有適當的淬透性和耐磨性，熱處理變形小，但CrWMn鋼鍛后，應嚴格控制冷速，并采用適當的熱處理，使碳化物呈均勻細小的顆粒，分布在基體上，否則容易形成網狀碳化物，導致使用中模具的坍塌和開裂。高碳高鉻工具鋼耐磨性高，但碳化物偏析嚴重，導致變形方向性和韌性降低。通過反復卷曲，可以在一定程度上提高其偏析程度。

1981年，我國引進國際通用高碳高鉻工具鋼D2(Cr12Mo1V1)。和Cr12MoV鋼相比，D與2鋼碳化物偏析相比，Cr12MoV略有提高，強度和韌性略有提高，D2制模具的使用壽命也有所不同。高速鋼(主要是W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V）它具有較高的耐磨性和強度，常用于制造模具，但其韌性不能滿足模具和高沖擊載荷模具的需要。

為了提高這種鋼的韌性，我國開發了一些新的冷模具鋼，如：

① 低合金冷作模具鋼

這種鋼的主要特點是工藝性好，淬火溫度低，熱處理變形小，韌性好，耐磨性適當。GD(6CrMnNiMoVSi)、7CrSiMnMoV（簡稱CH）、DS鋼等。GD制作易崩刃、斷裂的冷沖模具，使用壽命長。CH鋼和日本的成分SX105V鋼是一種火焰淬火鋼，常用于制造汽車等生產線上的模具零件。火焰淬火時，加熱模具刃口切割面，硬化層下有高韌性基底作為襯墊，使模具獲得更高的使用壽命。DS鋼是一種沖擊冷作模具鋼，其沖擊韌性明顯優于普通高韌性刀片工具鋼6CrW2Si。

② 基體鋼

基體鋼一般是指與高速鋼淬火組織中基體化學成分相同的鋼。

70年代初，美國和日本研究了品牌VascoMA、VascoMatrixI和MOD基體鋼，相當于M2和M36高速鋼基體，但沒有廣泛使用。我國開發了一些基體鋼，如65Cr4W3Mo2VNb（簡稱65Nb）、65W8Cr4VTi（簡稱LM1）65Cr5Mo3W2VSiTi（簡稱LM2)鋼等。這些基質鋼的主要特點是碳含量略高于基質碳含量，以增加碳含量，提高耐磨性，并添加少量強碳化物形成元素鈮或鈦，形成相對穩定的碳化物，防止淬火加熱過程中顆粒的生長，提高鋼的工藝性能。這種基質鋼廣泛應用于制造冷擠壓、厚板冷沖壓、冷軋等模具，特別適用于難變形材料的大型復雜模具，也可用作黑色金屬的熱擠壓模具。

③ 耐磨冷作模具鋼韌性高

為了改善Cr我國做了大量的研究工作，開發了許多新，進一步提高了鋼的耐磨性。中國做了大量的研究工作，開發了許多新的鋼種，如LD、ER5和GM鋼等。在這些鋼中，鉻含量適當降低，以改善碳化物分析，鎢、鉬和釩含量增加，以提高二次硬化能力和耐磨性。Cr與12型冷作模具鋼相比，這種鋼的碳化物偏析有所改善，韌性高。這種鋼比Cr12型冷模具鋼耐磨性更好，使模具壽命更長，更適合高速沖床和多工位沖床。

熱作模具鋼

我國常用的熱作模具鋼為5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V鋼。

5CrNiMo鋼主要用于大中型鍛造模具。但其淬火性能不夠高，回火穩定性不高，其性能不能滿足大截面鍛造模具的性能要求。Cr2W8V廣泛用作黑色和有色金屬的熱擠壓模和Cu、Al合金壓鑄模具。該鋼具有較高的熱穩定性和650的使用溫度℃，但鎢熱作模具鋼導熱性低，冷熱疲勞性差。

20世紀80年代初，中國引進了國外常用的鉻熱作模具鋼H13(4Cr5MoSiV1)，H13鋼冷熱疲勞性好，使用溫度不超過600℃時，代替3Cr2W8V因此，鋼、模具的使用壽命此H13鋼已迅速推廣應用，產量已超過3Cr2W8V鋼。

為了適應新的壓力加工工藝和新設備對模具鋼韌性和熱穩定性的更高要求，我國開發了許多新的熱模具鋼，主要包括：

① 熱鍛模具鋼

在20世紀80年代，中國針對50年代CrNiMo鋼的淬透性不能滿足大截面錘鍛模的需要，使用溫度不超過500℃對國內外鋼材進行了大量的分析、比較和研究。研究表明，國外同類鋼5CrNiMoV中的Cr、Ni、Mo均高于國產5CrNiMo它含有少量的鋼V，因而其淬透性和回火穩定性均高于國產5CrNiMo并建議選擇5CrNiMoV用于制造大型復雜的重載錘鍛模。

我國還開發了大截面熱鍛模具鋼5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi鋼，已得到廣泛應用。CrNiMo與鋼相比，這些鋼的碳含量略低，增加了Cr和Mo并添加適當的含量V和Si，因此具有高淬透性和熱穩定性。Cr2NiMoVSi與5相比，鋼中的碳和硅Cr2NiMoVSi鋼，略有減少，更適合錘鍛模。這種鋼用于制造4萬種鋼。t以上機械壓力機鍛模3t以上鍛錘模使用壽命比5CrNiMo和5CrNiMoV提高0.5~1.5倍。3Cr2MoWVNi鋼也是我國開發的熱鍛模鋼，使用壽命長。

② 模具鋼用于熱擠壓

H13是國內外廣泛使用的熱作模具鋼，使用溫度不超過600℃冷熱疲勞性能好，用作熱擠壓模和鋁合金壓鑄模，使用壽命長。但H13鋼尺寸效大的尺寸效應。國外采用爐外精煉、高溫擴散退火、等向鍛造等工藝，提高尺寸效應，減少尺寸效應Cr和Mo我國主要采用電渣重熔等工藝。

我國開發了許多強韌性好、熱穩定性高的熱擠壓作為模具鋼。有的鋼是國外鉬系3Cr3Mo3V鋼和鉻系H在13鋼的基礎上發展起來，面具有一定的特點，如HMI(3Cr3Mo3W2V)、TM(4Cr3Mo2WMnVNb)、Y4(4Cr3Mo2MnVB)、Y10(4Cr5Mo2SiV1)、HD2(4Cr3Mo2VNiNbB)、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)等待鋼。這些鋼在保持良好韌性的條件下具有較高的熱穩定性，分別用于制造熱擠壓模、精鍛模、有色金屬壓鑄模等，具有良好的使用效果。

中國有關部門組織了一些研究單位和用戶，選擇了27種國內外應用和新開發的熱模測試比較其基本機械性能、工藝性能和使用性能，提出各種熱模具的材料選擇標準。

塑料模具鋼

塑料成型模具的產值在模具行業的總產值中排名第一。過去，中國沒有特殊的塑料模具鋼。近年來，在引進國外塑料模具鋼的同時，開發了一些新型塑料模具專用鋼。

① 預硬塑料模具鋼

這種鋼在鋼廠充分鍛造后制成模塊，預熱處理至所需硬度(一般預硬至30~35RHC）之后，供用戶制模。P20（即3Cr2Mo）它是國外使用最廣泛的預硬塑料模具鋼，已被列入中國合金工具鋼標準。自20世紀80年代以來，它已廣泛應用于中國的一些工廠。718是瑞典生產的改造P20鋼，較P20具有較高的淬透性，調質后能在大截面尺寸保持硬度均勻，在我國也得到了廣泛的應用。

② 易切削預硬鋼

為了提高預硬塑料模具鋼的切割性能，可以添加易切割元素。美國、日本和德國都開發了一些易切割的預硬鋼。國外易切割預硬鋼主要是S系，也有S-Se系、Ca系。但Se價格較貴。S易切割鋼各向異性大，截面增大時硫化物偏析嚴重。

我國開發了一些含硫易切割的預硬塑料模具鋼，如8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）和S-Ca復合易切削塑料模具鋼5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）。5NiSCa鋼采用了S-Ca復合易切割系統和噴射冶金技術改善了硫化物的形態、分布和鋼的各向異性，硫化物在大截面上的分布仍然相對均勻。NiSCa鋼具有高淬透性和鏡面拋光性，模具硬度為35~45HRC各種加工可以順利進行。

③ 非調質塑料模具鋼

未經調度處理，鍛軋后可達到預硬硬度，有利于節能、降低成本、縮短生產周期。中國開發的這種鋼包括：中碳錳硼空冷貝氏體鋼，可用于制造塑料模具和橡膠模具；非調質塑料模具鋼2Mn2CrVTiSCaRe(FT),鋼中加入S、Ca、Re比作易切割元素S-Ca復合系易切削鋼有更好的切削性能；低碳MnMoVB非調質貝氏體大截面塑料模具（B30)，中加入S、Ca工業試生產作為一種易切割元素，表明400mm厚板坯熱軋后空冷，硬度沿截面分布均勻。

④ 時效硬化鋼

我國開發了幾種低鎳及時硬化鋼，經過調質后進行機械加工，然后通過及時性沉淀金屬間化合物提高硬度，熱處理后變形小。及時硬化鋼適用于制造高精度塑料模具、透明塑料模具等。

這類鋼有25CrNi3MoAl、10Ni3Mn2AlCu（PMS）和06Ni6CrMoVTiAl等鋼。這些鋼經過調質后硬度為20~30HRC，可進行機械加工，后，硬度可達38~42HRC。

⑤ 耐腐蝕塑料模具鋼

塑料制品以化學腐蝕塑料為原料時，模具應具有耐腐蝕性，一般采用耐腐蝕鋼制造模具，此時也需要良好的耐磨性。常用的鋼種是4種Cr13(420)、9Cr18、17-4PH。PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)是我國開發的一種耐腐蝕塑料模具鋼，有較好的綜合力學性能良好的抗蝕性。

硬質合金和鋼結硬質合金

硬合金是一種由粉末冶金制成的復合材料。硬合金硬度高，耐磨性好，彈性模量高，使用溫度高。用于制造某些模具，模具的使用壽命可以提高幾倍或幾十倍以上。但硬合金脆，抗彎強度和韌性差，不能機械加工。硬合金作為模具材料，主要用于拉絲模具、冷擠壓和冷沖壓模具，沖擊力小。目前，我國可生產各種品牌的硬合金，基本可以滿足國內市場的需求。

為了滿足制造集成電路板鉆孔用的微型鉆頭、計算機用的點陣打印針、精密工模具等的需要，近年來，各國都研制出一些微晶（WC晶粒小于1微米，超細晶粒硬質合金（WC晶粒小于0.在傳統的硬質合金中，6微米)，WC晶粒尺寸為1.3～1.5微米。超細晶粒硬質合金彌補了傳統硬質合金的諸多不足，擴大了其應用范圍，在制造耐磨、耐沖擊模具方面取得了良好的效果。我國一些研究單位和硬質合金廠開發了各種品牌的微晶硬質合金和超細晶粒硬質合金。高性能超細晶粒硬質合金的開發仍然是硬質合金研究的熱點。

鋼結硬質合金是以碳化物為硬質階段，鋼為粘接階段形成的復合材料。鋼結硬質合金具有良好的耐磨性，其強度和韌性一般高于硬質合金，具有熱處理、切割和加工 工性、可鍛性和可焊性這樣一些工藝性能。模具是鋼結硬質合金的主要應用領域。我國于60年代開始研制這種材料，已研制成多種牌號的鋼結硬質合金，用作模具的鋼結硬質合金，硬質相主要用TiC和WC，鋼的基體主要采用低合金鉻鉬鋼、中高合金工具鋼或高速鋼，如TiC系的GT35、R5、D1、T1和WC系的TLMW50、GW50、GJW50。鋼結硬質合金已用于制作冷鐓模、擠壓模、拉伸模、沖裁摸、拉絲模、熱鐓模等。

粉末冶金技術的發展和熱等靜壓的應用，導致七十年代無偏析粉末高速鋼的生產和使用，其主要特點是強韌性、可磨削性、等向性、熱處理工藝性都優于一般高速鋼，并有比較高的使用壽命。以后用此技術生產常規工藝無法生產的高碳高釩高耐磨冷模具鋼，這類鋼有較好的切削加工性和磨削性能，并有較好的韌性，制成的模具使用壽命與一些硬質合金相近。國外已生產多種牌號的粉末冶金高耐磨冷模具鋼，國內尚少研究。

模具熱處理

模具制造的成本高，特別是一些精密復雜的冷沖模、塑料模、壓鑄模等。采用熱處理技術提高模具的使用性能，可以大幅度提高模具壽命，有顯著的經濟效益，我國模具技術工作者十分重視模具熱處理技術的發展。

① 真空熱處理

模具鋼經真空熱處理后有良好的表面狀態，變形小。與大氣下的淬火比較，真空油淬后模具表面硬化比較均勻，而且略高一些，主要原因是真空加熱時，模具鋼表面呈活性狀態，不脫碳，不產生阻礙冷卻的氧化膜。在真空下加熱，鋼的表面有脫氣效果，因而具有較高的力學性能，爐內真空度越高，抗彎強度越高。真空淬火后，鋼的斷裂韌性有所提高，模具壽命比常規工藝普遍提高40%~400%，甚至更高。冷作模具真空淬火技術已得到較廣泛的使用。

② 深冷處理

近年來的研究工作表明，模具鋼經深冷處理(-196℃)，可以提高其力學性能，一些模具經深冷處理后顯著提高了使用壽命。模具鋼的深冷可以在淬火和回火工序之間進行，也可在淬火回火之后進行深冷處理。如果在淬火、回火后鋼中仍保留有殘余奧氏體，則在深冷處理后仍需要再進行一次回火。深冷處理能提高鋼的耐磨性和抗回火穩定性。深冷處理不僅用于冷作模具，也可用于熱作模具和硬質合金。深冷處理技術已越來越受到模具熱處理工作者的關注，已開發出專用深冷處理設備。不同鋼種在深冷過程中的組織變化及其微觀機制及其對力學性能的影響，尚需進一步研究。

③ 模具的高溫淬火和降溫淬火

一些熱作模具鋼，如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等，采用高于常規淬火溫度加熱淬火，可以減少鋼中碳化物的數量、改善其形態和分布，使固溶于奧氏體中碳的分布均勻化，淬火后可在鋼中獲得更多的板條馬氏體，提高其斷裂韌性和冷熱疲勞抗力，從而延長模具使用壽命。例如3Cr2W8V鋼制的一種熱擠壓模具，常規淬火溫度為1080~1120℃，回火溫度為560~580℃。當淬火溫度提高至1200℃，回火溫度為680℃（2次），模具壽命提高了數倍。

W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速鋼和Cr12MoV等高合金冷作模具鋼，可適當降低其淬火溫度，以改善其塑韌性，減少脆性開裂傾向，從而提高模具壽命。例如W6Mo5Cr4V2的淬火溫度可選用1140~1160℃。

④ 化學熱處理

化學熱處理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗咬合、抗氧化性等性能。幾乎所有的化學熱處理工藝均可用于模具鋼的表面處理。

研究工作表明，高碳及低合金工具鋼和中高碳高合金鋼均可進行滲碳或碳氮共滲。高碳低合金鋼滲碳或碳氮共滲時，應盡可能選取較低的加熱溫度和較短的保溫時間，此時可保證表層有較多的未溶碳化物核心，滲碳和碳氮共滲后，表層碳化物呈顆粒狀，碳化物總體積也有明顯增加，可以增加鋼的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb鋼制模具進行滲碳以及65Nb鋼制模具真空滲碳后，模具的壽命均有顯著提高。

采用500~650℃高溫回火的合金鋼模具，均可在低于回火溫度的范圍內或在回火的同時進行表面滲氮或氮碳共滲。

滲氮工藝目前多采用離子滲氮、高頻滲氮等工藝。離子滲氮可以縮短滲氮時間，并可獲得高質量的滲層。離子滲氮可以提高壓鑄模的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞性和抗粘附性能。

氮碳共滲可在氣體介質或液體介質中進行，滲層脆性小，共滲時間比滲氮時間大為縮短。壓鑄模、熱擠壓模經氮碳共滲后可顯著提高其熱疲勞性能。氮碳共滲對冷鐓模、冷擠壓模、冷沖模、拉伸模等均有很好的應用效果。

冷作模具和熱作模具還可以進行硫氮或硫氮碳共滲。近年許多研究工作都表明稀土有明顯的催滲效果，從而發展了稀土氮共滲、稀土氮碳共滲等新工藝。

⑤ 滲硼和滲金屬

滲硼可以是固體滲硼、液體滲硼和膏劑滲硼等，應用最多的是固體滲硼，市場上已有固體滲硼劑供應。固體滲硼后，表層的硬度高達1400~2800HV，耐磨性高，耐腐蝕性和抗氧化性能都較好。

滲硼工藝常用于各種冷作模具上，由于耐磨性的提高，模具壽命可提高數倍或十余倍。采用中碳鋼滲硼有時可取代高合金鋼制作模具。滲硼也可應用于熱作模具，如熱擠壓模等。

滲硼層較脆，擴散層比較薄，對滲層的支撐力弱，為此，可采用硼氮共滲或硼碳氮共滲，以加強過渡區，使其硬度變化平緩。為改善滲硼層脆性，可采用硼釩、硼鋁共滲。

滲金屬包括滲鉻、滲釩、滲鈦等工藝均可用于處理冷作和熱作模具，其中TD法（熔鹽滲金屬）已得到一些應用，可使模具壽命提高幾倍乃至十幾倍。

⑥ 氣相沉積

氣相沉積按形成的基本原理，分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)。

PVD分為真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍。離子鍍是蒸鍍和濺射鍍相結合的技術，離子鍍膜具有粘著力強、均鍍能力好、被鍍基體材料和鍍層材料可以廣泛搭配等優點，因而獲得較廣泛的應用。近年來多弧離子鍍受到人們的重視。目前在模具上應用較多的是離子鍍TiN，這種膜不僅硬度高而且膜的韌性好、結合力強、耐高溫。在TiN基礎上發展起來的多元膜，如(TiAl)N、(TiCr)N等，性能優于TiN，是一類更有前途的新型薄膜。

CVD是用化學方法使反應氣體在基礎材料表面發生化學反應形成覆蓋層（TiC、TiN）的方法。CVD有多種方法。通常，CVD的反應溫度在900℃以上，覆層硬度達到2000HV以上，但高的溫度容易使工件變形，沉積層界面易發生反應。發展趨勢是降低溫度，開發新的涂層成分。例如，金屬有機化合物CVD(MOCVD)，激光CVD(LCVD)，等離子CVD(PCVD)等。

⑦ 高能束熱處理

高能束熱處理的熱源通常是指激光、電子束、離子束等。它們共同的特征是：供給材料表面功率密度至少103W/cm2。它們的共同特點是：加熱速度快，加熱面積可根據需要選擇，工件變形小，不需要冷卻介質，處理環境清潔，可控性能好，便于實現自動化處理。國內外對高能束熱處理的原理、工藝等均投入較多的研究，比較成熟的是激光相變硬化、小尺寸電子束處理和中等功率的離子注入，并在提高模具壽命方面獲得了應用。

展望和建議

可以認為，我國已建立了較完整的模具用材系列，其中一些模具材料的性能優異，達到國際先進水平。我國模具熱處理的研究開發亦可與國際同步，一些新的模具熱處理技術在不同程度上得到推廣和應用。

針對存在的問題，對今后我國模具用材料和模具熱處理技術的發展，提出如下建議：

① 加速模具鋼生產的制品化、精料化和模具鋼經銷的商品化

我國每年模具用鋼超過20萬噸，且逐年增長。近年，國外模具鋼的進口量，約占模具鋼需要量的1/3，呈逐漸增加趨勢。主要問題是我國模具鋼的品種規格較少，模具鋼生產的制品化、精料化和經銷的商品化程度低。在一些工業發達國家，冶金企業供應經機加工的模具鋼制品已達50~60%，而中國80%以上的模具鋼仍以黑皮圓棒供貨。越來越多的模具制造廠點要求在模具設計完成后，模具鋼供應廠商能迅速提供所需鋼材，減少庫存鋼材數量，縮短制模周期。中國鋼材生產企業尚不適應這一商品市場機制，這是進口模具鋼材在中國日益擴大的重要原因。

② 大力推廣應用性能優良的新型模具鋼不斷完善模具鋼鋼種系列

我國已開發出不少有一定特色的新型模具鋼，其中一些鋼的性能優異，達到或超過國外同類鋼的水平。但這些新鋼的推廣數量和應用范圍不夠大，主要原因是由于中國模具鋼的生產尚未走制品化、精料化的道路而經銷方式不適應商品市場的要求，解決了這些問題，這些性能良好的新型模具鋼有廣闊的推廣前景，將會產生巨大的經濟效益。

中國已經有了較完整的模具鋼系列，尚需不斷提高其質量，擴大應用，在應用中進一步存優去劣。同時，有選擇地開發先進模具鋼，完善中國的模具鋼系列，例如開發粉末冶金模具鋼，多元易切削系塑料模具鋼，建立玻璃、陶瓷，耐火磚和地磚等成形模具用鋼系列等。

③ 進一步提高模具鋼的質量

我國某些特殊鋼廠已采用新的冶金設備和工藝生產模具鋼，如爐外精煉、真空冶煉、快鍛機和精鍛機等，一些模具鋼的質量有大幅度提高，如D2、P20等鋼已批量出口，出口產品的質量可以達到國際先進水平。工業發達國家一直在努力提高模具鋼的純凈度、致密度、均勻性和質量穩定性。國外有的企業規定在高純度模具鋼中[O]＜10ppm，[H]＜2ppm，[S]＜50ppm，因為鋼的純凈度的進一步提高可以顯著提高鋼的韌性和疲勞性能。對大型模具還必須采用真空除氣、高溫擴散退火，減少合金元素的偏析，并使用等向鍛選工藝，提高等向性，使模具鋼的橫向和厚向的塑性和韌性達到縱向的80~90%以上。我國還需要在這方面進一步開展工作。

④ 加強先進模具熱處理技術的推廣與應用

模具的可控氣氛熱處理與真空熱處理應進一步得到發展、推廣和應用。一些行之有效的模具表面熱處理技術，應完善其工藝，加強其推廣和應用。提高裝備和工藝材料的制造水平，加強熱處理專業廠的建設。