從5個(gè)方面評(píng)述了模具技術(shù)：①影響模具使用壽命的基本因素；②模具的服役條件、失效方式及對(duì)模具用鋼的性能要求；③模具鋼力學(xué)性能指標(biāo)的評(píng)述；④模具鋼的發(fā)展與選用；⑤模具的熱處理與工藝優(yōu)化。特別強(qiáng)調(diào)了模具鋼的選用、熱處理及新型模具鋼的開發(fā)與模具使用壽命的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：模具壽命　冷作模具　熱作模具　塑料模具　模具用鋼　模具熱處理

Selection and Heat Treatment of Die Materials
and Service Life of Dies
Zhou Jingen（School of Materials Science and Engineering，
Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049）

【Abstract】 In this paper the die technology was evaluated from the following five aspects：①fundamental factors influencing service life of dies，②service conditions，failure models of dies and property requirement to die steels，③evaluation on mechanical property parameters of die steels，④development and selection of die steels，⑤heat treatment and technology optimization of dies．The emphasis was laid on the selection and its heat treatment of die steels，and the development of new die steels and their influences on service　life　of　dies．
Key　words：service life of dies，cold forming dies，hot forming dies，dies for plastics forming，die steels，heat　treatment　of　dies
　　我國現(xiàn)有模具生產(chǎn)廠點(diǎn)約17000余家，從業(yè)人員約50萬人，年產(chǎn)值達(dá)200億元左右；商品模具約占1／3，其余為自產(chǎn)自用。從模具市場(chǎng)看，處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，特別是精密、大型、復(fù)雜、長壽命模具，缺口更大［1］。
　　國內(nèi)模具市場(chǎng)主要集中在汽車、摩托車、家電、電子產(chǎn)品、通訊設(shè)備和儀器儀表等行業(yè)。另外、通訊設(shè)備、PVC門窗和上下水管道及管接頭、鋁型材加工等都將成為模具的重要市場(chǎng)。
　　面對(duì)如此巨大的模具市場(chǎng)，努力縮短模具的生產(chǎn)周期、提高模具的質(zhì)量、延長模具的壽命直接和間接帶來的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是難以估量的。模具的質(zhì)量包括模具的精度、表面光潔度和模具壽命3個(gè)方面。模具的精度和光潔度主要由機(jī)加工決定，而模具的壽命取決于設(shè)計(jì)、加工、材料、熱處理和使用操作等多個(gè)因素，其中材料和熱處理是影響模具使用壽命最重要的內(nèi)在因素。
　　本文擬從以下5個(gè)方面評(píng)述模具技術(shù)：
　?。?）　影響模具使用壽命的基本因素；
　?。?）　模具的服役條件、失效方式及對(duì)模具用鋼的性能要求；
　　（3）　模具鋼力學(xué)性能指標(biāo)的評(píng)述；
　?。?）　模具鋼的發(fā)展與選用；
　　（5）　模具的熱處理與工藝優(yōu)化。
1　影響模具使用壽命的基本因素［2］
　　模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具材料、冷熱加工工藝、熱處理、研磨、機(jī)床的調(diào)整與操作、被加工材料的性質(zhì)與狀態(tài)、潤滑條件及模具的服役環(huán)境是影響模具使用壽命的八大基本因素。
1.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是造成模具早期失效和熱處理變形開裂的重要因素。模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免尖銳的圓角和過大的截面變化。尖銳圓角引起的應(yīng)力集中可高達(dá)平均計(jì)算應(yīng)力的10多倍。當(dāng)由于模具結(jié)構(gòu)的要求，尖銳圓角不允許消除時(shí)，可將整體結(jié)構(gòu)改成組合式或?qū)A角的加工放在最終熱處理后進(jìn)行。如內(nèi)四方頭螺栓，原設(shè)計(jì)用冷鐓模鐓制，使用壽命500件，在沖頭圓角過渡應(yīng)力集中部位折斷；后來改進(jìn)設(shè)計(jì)，加大圓角過渡部位的半徑，由R＝0.127mm增大到0.381～0.5mm，壽命提高到12000～27000件，仍在圓角過渡處斷裂失效；第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)成組合式，壽命提高到100，000件，最終以磨損失效［3］。為防止熱處理變形與開裂，截面尺寸力求均勻，形狀力求對(duì)稱而且簡單，盲孔盡量開成通孔，必要時(shí)可開工藝孔，對(duì)于形狀復(fù)雜易變形開裂的模具可改成組合式。
1.2　模具材料與熱處理
　　模具材料對(duì)模具壽命的影響反映在模具材料的選擇是否正確、材質(zhì)是否良好和使用是否合理3個(gè)方面。選材時(shí)必須兼顧模具使用性能要求。對(duì)于冷沖模應(yīng)主要考慮鋼的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。強(qiáng)度與韌性以及韌性與耐磨性之間往往此消彼長。當(dāng)模具的主要失效方式是脆性開裂時(shí)可考慮選擇強(qiáng)度較低但韌性更好的材料或制訂合理的熱處理工藝以改善鋼的韌性，亦可根據(jù)實(shí)際情況選擇同時(shí)具有高強(qiáng)度與高韌性的高級(jí)合金鋼。從兼顧韌性和耐磨性的角度除了整體合理選材外，亦可考慮在保證韌性的同時(shí)，采用合理的表面處理以改善模具的耐磨性。塑料模具鋼選用時(shí)要兼顧其在塑料成形溫度下的強(qiáng)度、耐磨性和耐蝕性，同時(shí)還應(yīng)考慮其加工性能和鏡面度。
　　熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致模具早期失效的重要因素。熱處理對(duì)模具壽命的影響主要反映在熱處理技術(shù)要求不合理和熱處理質(zhì)量不良兩個(gè)方面。統(tǒng)計(jì)資料表明，由于選材和熱處理不當(dāng)，致使模具早期失效的約占70％。這個(gè)問題在第4節(jié)和第5節(jié)中另行討論。
1.3　冷熱加工工藝
　　鍛造和機(jī)加工對(duì)模具壽命的影響，常常被人們忽略，不正確的鍛造和機(jī)加工往往成為導(dǎo)致模具早期失效的關(guān)鍵。以Cr12MoV鋼為例，該鋼是國內(nèi)最常用的冷作模具鋼之一，屬于高碳高鉻萊氏體鋼，含有大量的一次和二次碳化物，偏析很大。因此，改善其碳化物分布狀況成為提高模具壽命的重要環(huán)節(jié)。表1為碳化物級(jí)別對(duì)Cr12MoV鋼力學(xué)性能的影響。
　共晶網(wǎng)狀碳化物難以通過熱處理消除，必須通過鍛造使其細(xì)化并均勻化。國標(biāo)中對(duì)網(wǎng)狀碳化物級(jí)別要求較寬，實(shí)際使用中，需要重新改鍛，使其達(dá)到≤2級(jí)的碳化物的要求。為此需要對(duì)鋼坯從不同方向上進(jìn)行多次鐓粗和拉拔，并應(yīng)按“二輕一重”法鍛造。即坯料加熱到1100～1150℃始鍛時(shí)，要輕擊，防止鍛裂；在1000～1100℃溫度區(qū)內(nèi)要重?fù)粢员ＷC擊碎碳化物；在1000℃以下因鋼料塑性降低要再度輕擊，防止出現(xiàn)內(nèi)裂紋，并確保最后形成的碳化物排列方向垂直于模具的工作面，終鍛溫度850～900℃。鍛造比一般控制在2～2.5。利用鍛后余熱淬火，低溫回火，可獲得隱針馬氏體加細(xì)小彌散分布的碳化物和少量殘留奧氏體，可大幅度提高模具的使用壽命。
　　不正確的機(jī)加工可能在以下3個(gè)方面導(dǎo)致模具早期失效：①不當(dāng)?shù)那邢?，形成尖銳圓角或過小的圓角半徑時(shí)常常造成應(yīng)力集中，使模具早期失效；②表面光潔度不夠，存在不允許的刀痕，常常使模具因早期疲勞破壞而失效；③機(jī)加工沒有完全均勻地去除軋制和鍛造形成的脫碳層，致使模具熱處理后形成軟點(diǎn)和過大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致模具早期失效。
1.4　磨削和電火花加工
　　磨加工可能導(dǎo)致金屬表面局部過熱，產(chǎn)生高的表面殘余應(yīng)力以及組織變化等，其結(jié)果可能導(dǎo)致磨削裂紋的產(chǎn)生。常見的磨削缺陷有，磨削速度過快引起金屬燒傷；用鈍的或重載砂輪磨削或使用過細(xì)的砂輪和冷卻劑使用不當(dāng)引發(fā)的磨削裂紋。細(xì)小的磨削裂紋難于用肉眼觀察，需用磁粉探傷或稀硝酸冷侵蝕方能顯示。輕的磨削裂紋常垂直于磨削方向平行分布，嚴(yán)重的磨削裂紋呈龜裂狀。這些磨削裂紋即使可以通過輕磨予以去除，但危害猶存，常導(dǎo)致模具在服役中早期失效。
　　電火花加工常常作為模具的最后加工工序。電火花加工可在淬火回火模具的表面形成淬火馬氏體的白亮層，由于高碳馬氏體的固有脆性和顯微裂紋的存在，往往導(dǎo)致模具早期開裂失效。另外，電火花加工可在模具表面形成不良的殘余應(yīng)力，降低了模具的使用壽命。
1.5　機(jī)床的調(diào)整與操作
　　材質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確、冷熱加工良好、熱處理合理的模具，由于機(jī)床調(diào)整和使用操作不當(dāng)，仍然可能在服役過程中早期失效。機(jī)床調(diào)整和操作因素包括機(jī)床的精度、剛性、間隙調(diào)整、定位不準(zhǔn)和偶然過載等。認(rèn)真對(duì)待這些因素，將有助于發(fā)現(xiàn)模具失效的真正原因，生產(chǎn)上模具壽命的較大波動(dòng)，常常與機(jī)床調(diào)整和使用操作因素有關(guān)，必須給予足夠重視。
　　除了上述因素外，模具的潤滑條件和被加工材料的材質(zhì)、硬度、尺寸以及端面平直度等外在因素，也都會(huì)影響模具的使用壽命。

2　模具的服役條件、失效方式及對(duì)模具鋼性能的要求
2.1　冷鐓模
　　冷鐓是一種冷鍛工藝，憑借鐓鍛模在一次或多次沖擊下將坯料的部分金屬加工成特定的截面形狀。坯料主要是線材或棒料。冷鐓被廣泛地用于生產(chǎn)緊固件，如螺釘和鉚釘?shù)?。適合冷鐓的材料有低碳鋼絲或棒材（75～78HRB）、銅和銅合金、鋁和鋁合金、不銹鋼及含碳量低于0.44％的中碳鋼絲（球化退火）。冷鐓模分為凸模（或錘頭）與凹模，凹模又有整體凹模與開式凹模之分，整體凹?？梢杂梢环N材料制造，也可以采用兩種材料，中心型腔部分采用不同材料制成凹模鑲塊。開式凹模由表面帶槽的兩件模塊組成，兩件模塊組合在一起形成模膛。在模塊的不同表面開槽，然后通過翻轉(zhuǎn)模塊可組成多個(gè)新型槽。
　　冷鐓模具表面要求高硬度（≥60HRC），硬材料的冷鐓模具要整體淬硬，以防壓塌；在保證不堆塌的前提下，為了使模具有足夠的韌性，防止開裂，冷鐓模具的心部硬度以40～50HRC為宜。
　　常用的冷鐓模具鋼有T10A、9SiCr、9Cr2、Cr12MoV等，凹模鑲塊可用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、WC（含13%～25％Co）、W18Cr4V鋼制造，形狀復(fù)雜、沖擊大的凸模可采用耐沖擊鋼5CrW2Si、60Si2Mn和基體鋼。
2.2　冷擠壓模
　　冷擠壓分為正擠壓、反擠壓和復(fù)合擠壓。冷擠壓沖頭承受較大的動(dòng)載荷，為防止模具早期疲勞失效，應(yīng)避免過大的應(yīng)力集中，并應(yīng)注意沖頭的穩(wěn)定性，沖頭的長徑比（L∶D）不能過大，擠壓鋼件時(shí)，L∶D≤3∶1，擠壓銅及其合金L∶D≤5∶1，擠壓鋁及其合金L∶D≤10∶1。當(dāng)模具承受的應(yīng)力超過材料的σ0.2／2時(shí)，凹模需加預(yù)應(yīng)力環(huán)，凹模與預(yù)應(yīng)力環(huán)之間可采用錐度（0.5°～1°）配合或熱壓配合（紅套）。
　　低中碳鋼的冷擠壓模具要求有高的硬度（59～66HRC），高的抗壓屈服強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性。常用的模具材料有Cr12MoV、Cr12Mo1V1、W6Mo5Cr4V2鋼和基體鋼等，內(nèi)預(yù)應(yīng)力環(huán)常采用4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si鋼（46～48HRC），外預(yù)應(yīng)力環(huán)通常用4Cr5MoVSi、5CrNiMo等鋼制造。
　　鋁合金冷擠壓?？刹捎肨7A、T10A、Cr12、Cr12MoV、GCr15、9SiCr和CrWMn等鋼制造。
3　模具鋼力學(xué)性能指標(biāo)的評(píng)述
　　冷作模具要求材料具有高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性及耐磨性；熱作模具用鋼要求在工作溫度下保持高的強(qiáng)度和韌性、良好的抗燒蝕性、熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的熱疲勞抗力。問題是用什么指標(biāo)來評(píng)價(jià)上述性能指標(biāo)？冷作模具鋼一般含碳量較高，通常在回火馬氏體加碳化物組織狀態(tài)下使用，脆性大。常規(guī)拉伸試驗(yàn)時(shí)，往往在彈性范圍內(nèi)即發(fā)生斷裂，測(cè)不出模具鋼的塑性。工程上常采用其他試驗(yàn)方法評(píng)定鋼的力學(xué)性能。文獻(xiàn)［5］選擇常用的冷變形工模具鋼，測(cè)定了其拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓縮、一次沖擊、斷裂韌度和沖擊疲勞性能，對(duì)其強(qiáng)度、塑性、韌度指標(biāo)及與模具壽命關(guān)系進(jìn)行了綜合評(píng)述。
3.1　強(qiáng)度
　　結(jié)構(gòu)鋼最重要的強(qiáng)度指標(biāo)是拉伸強(qiáng)度極限σb和屈服極限σ0.2。對(duì)于高強(qiáng)度低塑性冷作模具鋼拉伸試驗(yàn)用得較少，其原因是大圓弧拉伸試樣難以加工并且數(shù)據(jù)散亂性也比較大。工程上通常根據(jù)模具的服役條件選用彎曲、扭轉(zhuǎn)或壓縮試驗(yàn)測(cè)得的σbb、σbs、τb、τs、σcs作為冷作模具鋼強(qiáng)度的表征參量。
　　在上述這些強(qiáng)度指標(biāo)中，習(xí)慣上容易想到強(qiáng)度極限指標(biāo)如σbb、τb等。然而，強(qiáng)度極限不是一個(gè)獨(dú)立的力學(xué)性能指標(biāo)，它既取決于屈服極限的高低，又取決于形變強(qiáng)化指數(shù)和形變強(qiáng)化容量（塑性）的大小。本質(zhì)上冷作模具鋼的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)該是用不同試驗(yàn)方法測(cè)得的屈服極限。圖1比較了各種鋼的強(qiáng)度極限與屈服極限。由圖1可以看出，各鋼種用同一試驗(yàn)方法測(cè)得的強(qiáng)度極限和屈服極限差別不大，不超過30％。值得指出的是盡管試驗(yàn)方法不同，但各鋼種的屈服極限卻具有相同的變化規(guī)律，即鋼的σbs高，則τs、σcs和σs也高，而強(qiáng)度極限則不同。這反映了屈服極限是材料的基本性能指標(biāo)，它代表材料微量塑性變形的抗力。而強(qiáng)度極限作為強(qiáng)度表征參量的物理意義則不夠明確。從工程應(yīng)用的角度，要保證批量生產(chǎn)的被加工零件的精度，模具本身除了要求具有較高的尺寸精度外，使用中不允許發(fā)生過量的塑性變形，故模具的設(shè)計(jì)應(yīng)力不得超過材料的屈服強(qiáng)度。從這個(gè)意義來說，屈服極限比強(qiáng)度極限有更重要的工程意義。
圖1　冷作模具鋼的強(qiáng)度極限與屈服極限
1.　T8鋼　2.　T10鋼　3.　GCr15鋼　4.　W18Cr4V鋼
5.　6CrW2Si鋼　6.　6Cr4Mo3Ni2WV鋼
3.2　塑性
　　塑性與加載方式有關(guān)。對(duì)于高碳高強(qiáng)度的冷作模具鋼，通常用彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)得的總彎曲撓度（ft）和扭轉(zhuǎn)角（φt）表征其塑性。然而ft和φt反映了材料在彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下斷裂前最大變形能力，它包括彈性變形能力和塑性變形能力兩部分。因此，通常采用彎曲塑性撓度fp、塑性扭轉(zhuǎn)角φp、壓縮相對(duì)變形ε和拉伸斷面收縮率ψ作為工模具鋼的塑性表征參量。試驗(yàn)結(jié)果示于圖2中。與強(qiáng)度指標(biāo)相比，各鋼種的塑性變化幅度較大。例如，6CrW2Si和W18Cr4V鋼的φp和fp相差幾十倍，前者的ψ值高達(dá)13.4％而后者ψ為零。與屈服極限相同，用不同方法測(cè)得的各鋼種塑性參量也具有相同的規(guī)律，不因應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。
圖2　冷作模具鋼的塑性
1.　T8鋼　2.　T10鋼　3.　GCr15鋼　4.　W18Cr4V鋼
5.　6CrW2Si鋼　6.　6Cr4Mo3Ni2WV鋼
3.3　韌性
　　工模具鋼的韌性可用不同的參量描述。Grobe等人用材料彎曲試驗(yàn)的塑性撓度fp和屈服極限σbs的大小這兩個(gè)參量表征鋼的韌性［6］。Weigand提出用靜彎曲和靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)得的塑性功的大小作為韌性的表征參量［7］。Seabright論述工模具鋼的韌性時(shí)，主要指一次無缺口沖擊值和扭轉(zhuǎn)沖擊值［8］。近年來，關(guān)于斷裂韌度在工模具上的應(yīng)用也受到了廣泛的關(guān)注［9，10］。從工程應(yīng)用的角度，上述韌性指標(biāo)作為防止工模具斷裂的抗力指標(biāo)有很大的局限性。若用靜彎曲或靜扭轉(zhuǎn)測(cè)得的塑性功表征鋼的韌性并借此選擇材料和制訂工藝，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。試驗(yàn)表明，盡管6CrW2Si鋼的彎曲總功和塑性變形功分別為W18Cr4V鋼的2.3倍和9.8倍，但在較低的沖擊應(yīng)力下（沖擊能量＝3.27N.m和1.83N.m），前者的沖擊破壞周次卻只有后者的40％～70％。
　　斷裂韌度作為防止冷變形工模具斷裂的性能指標(biāo)有一定局限性。工模具都是用軋制鋼材，經(jīng)鍛造和嚴(yán)格的機(jī)加工以后成型的，表面缺陷小而少，雖然材料本身的夾雜物和第二相可以看做為一種缺陷，但是大多數(shù)冷作模具的斷裂不屬于一次或少周次載荷作用下的脆斷而是疲勞斷裂，疲勞裂紋的萌生和早期擴(kuò)展占據(jù)總壽命的80％以上。KIC是一個(gè)防裂紋體脆斷的指標(biāo)，它對(duì)抗疲勞斷裂的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在影響極限裂紋的深度，它不能用作冷作模具的主要失效抗力指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然W18Cr4V鋼的沖擊韌度（KIC＝16.8MPa.m1／2）比6CrW2Si鋼（KIC＝26MPa.m1／2）低35％，但它們的沖擊疲勞壽命卻與此無對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　由于一次擺錘沖擊試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)沖擊試驗(yàn)不能反映模具的實(shí)際服役條件，故用做冷作模具斷裂失效抗力指標(biāo)也是不合理的。但是由于試驗(yàn)方法簡單易行，并且沖擊扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)鋼的組織比較敏感，所以這兩種試驗(yàn)方法在工模具鋼的研究中仍被廣泛地采用著。
　　圖3對(duì)比了6種鋼的KIC、彎曲功、扭轉(zhuǎn)功和一次無缺口沖擊能。由圖2和圖3可以看出，各鋼種對(duì)應(yīng)的塑性和韌性表征參量具有相同的變化規(guī)律。表明冷變形工模具鋼韌性的大小在很大程度上反映了相應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下鋼的塑性。這是因?yàn)槔渥髂＞咪摰膹?qiáng)度變化幅度小，塑性變化幅度大的緣故。
圖3　冷作模具鋼的韌性
1.　T8鋼　2.　T10鋼　3.　GCr15鋼
4.　W18Cr4V鋼　5.　6CrW2Si鋼　6.　6Cr4Mo3Ni2WV鋼

3.4　沖擊疲勞抗力及其與強(qiáng)度、塑性和韌性的關(guān)系
　　圖4和圖5比較了6種鋼的沖擊疲勞抗力。由圖1至圖5可以看出，任何單一的靜載力學(xué)性能指標(biāo)都不能全面反映鋼的沖擊疲勞抗力，這是因?yàn)楹笳卟皇且粋€(gè)單純的強(qiáng)度指標(biāo)或單純的塑性指標(biāo)，而是一個(gè)要求強(qiáng)度和塑性合理配合的抵抗循環(huán)沖擊載荷的指標(biāo)。沖擊載荷較低時(shí)（1.83N.m），鋼的沖擊疲勞壽命主要取決于強(qiáng)度；沖擊載荷較高（沖擊能量＝3.95N.m）時(shí)，各鋼種的沖擊疲勞壽命又主要由塑性（彎曲fp）的大小所決定。因此，在選用工模具材料和進(jìn)行熱處理工藝變革時(shí)，外載荷較低時(shí)應(yīng)主要考慮材料的強(qiáng)度指標(biāo)；外載荷較高時(shí)，應(yīng)當(dāng)在保證一定強(qiáng)度水平前提下，努力提高材料的塑性。

圖4　冷作模具鋼的沖擊疲勞抗力
圖5　冷作模具鋼的沖擊疲勞壽命
1.　T8鋼　2.　T10鋼　3.　GCr15鋼
4.　W18Cr4V鋼　5.　6CrW2Si鋼　6.　6Cr4Mo3Ni2WV鋼
4　模具鋼的發(fā)展與選擇［12］
　　我國各類模具鋼、低熔點(diǎn)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、高溫合金等新型模具材料有70余種。在GB　1299—85合金工具鋼國家標(biāo)準(zhǔn)中，列入了33個(gè)鋼種，在JB／T6058—92沖模用鋼及其熱處理技術(shù)條件中，收入新鋼種5個(gè)?；旧闲纬闪司哂形覈厣哪＞哂貌捏w系。標(biāo)準(zhǔn)中Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9SiCr、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V和60Si2Mn等鋼種是模具生產(chǎn)中應(yīng)用較多的材料，約占80％。20、45、38CrMoAlA、T7A、T8A、T10A和T12A鋼等材料多用于工作負(fù)荷低，要求不高的模具和模架。W18Cr4V鋼和W6Mo5Cr4V2鋼用于工作負(fù)荷大、要求較高的模具［13］。近年來，隨著模具工業(yè)的發(fā)展，我國又自行開發(fā)研制了一些新型模具鋼，主要的幾種列于表2中。
4.1　冷作模具鋼
4.1.1　火焰淬火鋼　近年來，針對(duì)覆蓋件沖模，特別是大型鑲塊模具的加工和熱處理問題，國外，主要是日本，開發(fā)了Si-Mn系列的含碳量為0.6％～0.8％的中合金火焰淬火鋼。我國的7CrSiMnMoV火焰淬火鋼與日本的SX105V鋼成分相同。淬火時(shí)可用火焰加熱模具刃口切料面，淬火前需對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱（預(yù)熱溫度180～200℃），該鋼淬火溫度范圍較寬（900～1000℃），對(duì)模具刃口施行局部火焰加熱，硬化層的硬度與整體淬火相近，表層具有殘余壓應(yīng)力，硬化層下又有高韌性的基體，減少了刃口開裂、崩刃等早期失效的發(fā)生，提高了模具壽命。該類鋼的另一特點(diǎn)是淬火變形小，一般只有0.02％～0.05％，故可以在機(jī)加工完成后采用氧乙炔噴槍等工具對(duì)模具工作部位火焰加熱空冷淬火和火焰加熱回火后直接使用。
4.1.2　基體鋼　基體鋼是指在高速鋼淬火組織基體化學(xué)成分基礎(chǔ)上，添加少量其它元素，適當(dāng)增減碳含量，使鋼的成分與高速鋼基體成分相同或相近的一類工模具鋼。這類鋼由于去除了大量的過剩碳化物，因此，與高速鋼相比，其韌性和疲勞強(qiáng)度得到了大幅度的改善，但又保持了高速鋼的高強(qiáng)度、高硬度、紅硬性和良好的耐磨性。表2中列出了5種基體鋼。以65Nb鋼為例，該鋼的成分與M2高速鋼淬火組織中基體成分相當(dāng)，但含碳量提高到0.65％，使其具有一定數(shù)量的一次碳化物，因而改善了耐磨性，除了Cr、W、Mo、V這些高速鋼的通用元素外，還加入0.2％～0.35％Nb，Nb在鋼中形成穩(wěn)定的NbC，并可溶入MC和M6C碳化物中，增加了碳化物的穩(wěn)定性，一方面延緩了淬火加熱時(shí)碳化物的溶解速度，阻止了晶粒長大，另一方面降低了奧氏體中的碳含量，增加了板條馬氏體的數(shù)量，因而該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，被廣泛用于制作冷擠壓、冷鐓、冷沖模具。