模具是机械制造、无线电仪表、电机电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本、而模具 的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。因此，为了正确选用钢材，制订和改进热处理工艺，提高模具的使用寿 命，必须对模具的工作条件、失效形式及其对钢材的性能要求进行综合分析，寻找失效的主要固氮以确定材料的种类，进而确定最佳冷、热加工工艺和强化措施，从 而做到材尽其用。
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种其品种繁多．在我国国标中多达数十种。但是．根据模具的使用性质可以分为两大类；使金属在冷状态下变形 的冷模具钢．其冷模的工作温度一般小于250℃使金属在热状态下变形的热模具钢．其模腔的表面温度高于600℃。
一、冷作模具钢
冷作模具钢包括制造冲截用的模具（落料冲孔模、修边模、冲头、剪刀）、冷镦模和冷挤压模、压弯模及拉丝模等
1.冷作模具钢的工作条件及性能要求
冷作模具钢在工作时．由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此，冷作模具的正常报废原因一般是磨损．也有因断裂、崩力和变形超差而提前失效的。
冷作模具钢与刃具钢相比．有许多共同点。要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性，以保证冲压过程的顺利进行、其不同之处在于模具形状及加 I工艺复杂．而且摩擦面积大．磨损可能性大．所以修磨起来困难。因此要求具有更高的耐磨化模具工作时承受冲压力大．又由于形状复杂易于产生应力集中，所以 要求具有较高的韧性；模具尺寸大、形状复杂．所以要求较高的淬透性、较小的变形及开裂倾向性。总之，冷作模具钢在淬透性、耐磨性与韧性等方面的要求要较刃 具钢高一些．而在红硬性方面却要求较低或基本上没要求（因为是冷态成形），所以也相应形成了一些适于做冷作模具用的钢种，例如，发展了高耐磨、微变形冷作 模具用钢及高韧性冷作模具用钢等。下面结合有关钢种选用进一步说明。
2.钢种选择
通常接冷作模具的使用条件，可以将钢种选择分为以下四种情况：
（1）尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具。例如．小冲头，剪落钢板的剪刀等可选用T7A、 T8A、T10A、T12A等碳素工具钢制造。这类钢的优点是；可加工性好、价格便宜、来源容易。但其缺点是：淬透性低、耐磨性差、淬火变形大。因此，只 适于制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的工具以及要求硬化层不深并保持高韧性的冷像模等。
（2）尺寸大、形状复杂、轻负荷的冷作模具。常用的钢种有9SiCr、CrWMn、GCr15及 9Mn2V等低合金刃具钢。这些钢在油中的淬透直径大体上可达40mm以上。其中9Mn2V钢是我国近年来发展的一种不含Cr的冷作模具用钢．可代替或部 分代替含Cr的钢。
9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾向性比CrWMn钢小、脱碳倾向性比9SiCr钢小，而淬透性比碳素工具钢大．其价格只比后者高约30％因此是一个值得推广使用的钢种。
但9Mn2V钢也存在一些缺点如冲击韧性不高，在生产使用中发现有碎裂现象．另外回火稳定性较差，回火温度一般不超过180℃在200℃回火时抗弯强度及韧性开始出现低值。
9Mn2V钢可在硝盐、热油等冷却能力较为缓和的淬火介质中淬火。对于一些变形要求严格而硬度要求又不很高的模具，可采用奥氏体等温淬火。
（3）尺寸大、形状复杂重负荷的冷作模具。须采用中合金或高合金钢．如Cr12Mo、 Crl2MoV、 Cr6WV Cr4W2MoV等，另外也有选用高速钢的。
近年来用高速钢做冷作模具的倾向巴日趋增大、但应指出，此时已不再是利用高速钢所特有的红硬性长处．而用它的高淬透性和高耐磨性。为此．在热处理工艺上也应有所区别。
选用高速钢做冷模具时．应采用低温淬火．以提高韧性。例如 W18Cr4V钢做刃具时常用的淬火温度为1280-1290℃。而做冷作模具时，则应采用1190℃的低温淬火。又如 W6Mo5Cr4V2钢．采用低温淬火后可使寿命大大提高、特别是显著减少了折损率。
〔4)受冲击负荷且刀间单薄的冷作模具。如上所述．前三类冷作模具用钢的使用性能要求均以高耐磨性为主为此均采用高碳过共析钢乃至荣氏体钢。而对有的冷作 模具加切边楼、冲裁模等．其对口单薄．使用时又受冲击负荷作用则应以要求高的冲击韧性为主。为了解决这一矛盾．可采取以下措施．①降低合碳量．采用亚共折 钢．以避免由于一次及二次碳化物而引起钢的韧性下降；②加入Si．、Cr等合金元素．以提高钢的回火稳定性和回火温度（240一270℃回火）这样有利于 充分消除淬火应力使叽提高．而又不致降低硬度；②加入W等形成难熔碳化物的元素以细化晶粒、提高韧性。常用的高韧性冷作模具用钢有6SiCr、 4CrW2Si；、5CrW2Si等。
3.充分发挥冷作模具钢性能潜力的途径
在用Cr12型钢或高速钢做冷作模具时，一个很突出的问题是钢的脆性大．使用中易开裂。为此，必须用充分锻打的方法细化碳化物．除此之外应发展新钢种。发展新钢种的着眼点，应是降低钢的含碳量及碳化物形成元素的数量。近年来国内研制并推广以下几种新钢种、如表4.11所示。
Cr4W2MoV 钢具有高硬巨、高耐磨性和淬透性好等优点．并具有较好的回火稳定性及综合力学性能．用干制造硅钢片冲模等．可使寿命比Cr12MoV钢提高1～3倍以上但 此钢锻造温区范围较窄，锻造河县开裂．应严格控制锻造温度和操作规认Cr2Mn2SiWMoV钢淬火温度低、淬火变形小、淬透性高．有空淬微变形模具钢之 称7W7Cr4MoV钢可代W18Cr4V和Cr12MoV钢．其特点是钢的碳化物不均匀性和韧性得到很大的改善。
二、热作模具钢
1.热作模具的工作条件
热作模具包括锤锻模、热挤压模和压铸模三类。如前所述．热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触、这是与冷作模具工作条件的主要区别。因此会带来以下两方面的问题：
（l）模腔表层金属受热。通常锤锻模工作时．其模腔表面温度可达300～400℃以上热挤压模可达500一800℃以上；压铸模模腔温度与压铸材料种类及 浇注温度有关。如压铸黑色金属时模腔温度可达1000℃以上。这样高的使用温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，在使用中易发生打垛。为此．对热模具钢的 基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性。由此便可以找到热模具钢合金化的第一种途径， 即加入Cr、W、Si．等合金元素可以提高钢的回火稳定性。
（2）模腔表层金属产生热疲劳（龟裂）。热模的工作特点是具有间歇性．每次使热态金属成形后都要用水、油、空气等介质冷却模腔的表面。因此．热模的工作状 态是反复受热和冷却，从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用．其结果引起模腔表面出现龟裂，称为热疲劳现象，由此，对热模具钢提 出了第二个基本使用性能要求．即具有高的热疲劳抗力。一般说来，影响钢的热疲劳抗力的因素主要有：
①钢的导热性。钢的导热性高，可使模具表层金属受热程度降低，从而减小钢的热疲劳倾向性。一般认为钢的导热性与合碳量有关，含碳量高时导热性低，所以热作 模具钢不宜采用高碳钢。在生产中通常采用中碳钢（C0.3%5～0.6%）合碳量过低．会导致钢的硬度和强度下降．也是不利的。
②钢的临界点影响。通常钢的临界点（Acl）越高．钢的热疲劳倾向性越低。因此．一般通过加入合金元素Cr、W、Si、引来提高钢的临界点。从而提高钢的热疲劳抗力。
2.常用热作模具用钢
（1）锤锻模用钢。一般说来，锤锻模用钢有两个问题比较突出一是工作时受冲击负荷作用．故对钢的力学性能要求较高，特别是对塑变抗力及韧性要求较高；二是锤锻模的截面尺寸较大（＜400mm）故对钢的淬透性要求较高，以保证整个模具组织和性能均匀。
常用锤锻楼用钢有5CrNiMo、 5CrMnMo、 5CrNiW、 5CrNiTi及5CrMnMoSiV等。不同类型的锤眼模应选用不同的材料。对特大型或大型的锤锻模以5CrNiMo为好．也可采用5CrNiTi、 5CrNiW或5CrMnMoSi等。对中小型的锤锻模通常选用5CrMnMO钢。
（2）热挤压模用钢，热挤压模的工作特点是加载速度较慢，因此，模腔受热温度较高，通常可达500一800℃。对这类钢的使用性能要求应以高的高温强度(即高的回火稳定性）和高的耐热疲劳性能为主。对ak及淬透性的要求可适当放低。一般的热挤压模尺寸较小，常小于 70～90 mm。
常用的热挤压模有4CrW2Si、3Cr2W8V及5％Cr型等热作模具钢．其化学成分如表4.16所示。
其中4CrW2Si．既可做冷作模具钢，又可做热作模具钢．由于用途不同，可采用不同热处理方法。作冷模时采用较低的淬火温度（870—900℃）及低温或中温回火处理；作热模时则采用较高的淬火温度（一般为950一1000℃）及高温回火处理。
（3）压铸模用钢。从总体上看，压铸模用钢的使用性能要求与热挤压模用钢相近，即以要求高的回火稳定性与高的热疲劳抗力为主。所以通常所选用的钢种大体上 与热挤模用钢相同．如常采用4CrW2Si．和3Cr2W8V等钢。但又有所不同如对熔点较低Zn合金压铸模．可选用40Cr、30CrMnSi及 40CrMo等；对Al和Mg合金压铸模，可选用4CrW2Si、4Cr5MoSiV 等对Cu合金压铸模．多采用3Cr2W8V钢。
近年来．随着黑色金属压铸工艺的应用，多采用高熔点的铝合金和镍合金．或者对3Cr2W8V钢进行Cr-Al-SI三元共渗，用以制造黑色金属压铸模。最近国内外还正在试验采用高强度的铜合金作黑色金属的压铸模材料。
三、塑料模具用钢
目前塑料制品的应用日益广泛．尤其是在日常生活用品、电子仪表、电器等行业中应用十分广泛．已向塑料制品化方向发展。塑料制品大多采用模压成型，因而需要模具。模具的结构形式和质量对塑料制品的质量和生产效率有直接影响。
压制塑料有两种类型．即热塑性塑料和热固性塑料。热固性塑料如胶木粉等．都是在加热、加压下进行压制并永久成形的．胶木模周期地承受压力并在 150～200℃温度下持续受热。热塑性塑料加聚氯乙烯等，通常采用注射模塑法，塑料是在单独的加热空加热，然后以软化状态注射到较冷的塑模中，施加压 力，从而使之冷硬成形。注射模的工作温度为120一260℃，工作时通水冷却型腔，故受热、受力及受磨损程度较轻。值得注意的是含有氯、氟的塑料．在压制 时析出有害的气体，对模腔有较大的侵蚀作用。
综上所述．对塑料模具提出如下要求：①钢料纯净．要求夹杂物少、偏析少，表面光洁度高；②表面耐磨抗蚀，并要求有一定的表面硬化层，表面硬一般在 HRC45以上：③足够的强度和韧性：④热处理变形小．以保证互换性和配合精度。塑料模具的制造成本高材料费用只占模具成本的极小部分，因此选用钢材时． 应优先选用工艺性能好性能稳定和使用寿命较长的钢种。塑料模具用钢可分以下几类；
①适于冷挤压成形的塑料模用钢是工业纯铁和10、15， 20、20Cr钢。其加工工艺路线：锻造-退火-粗加工-冷挤压成形-高温回火-加工成形-渗碳-淬火-回火-抛光-镀铬-装配。
②对于中小型、且不很复杂的模具．可用T7A、T10A、9Mn2V、CrWMn、Cr2钢等。对于大型塑料模具可采用4Cr5MoSiV或PDAHT-1钢C0.8％一0.9％、Mn1.8％～2．2%、≤Si0.35％、Cr0.9％～1.1％、Mo1.2％一1.5％、V0.1％一0.3％）在要求高耐磨性时也可采用Cr12MoV钢。其加工工艺路线；锻造-退火-粗加工-调质或高温回火-精加工-淬火-回火-钳工抛光-镀铬-抛光装配。
③复杂、精密模具使用18CrMnTi 12CrNi3A和12Cr2Ni4A等渗碳钢．其加工工艺路线同上述①所示。
④压制会析出有害气体并与钢起强烈反应的塑料．可采用马氏体不锈钢2Cr13或3Cr13钢。模具加热温度在950一1000℃油淬．并在200～220℃回火。热处理后其HRC=45—50，这类模具不需要镀铬。
塑料模具在淬火加热时应注意保护，防止表面氧化脱碳。热处理后最好先镀铝．以防目腐蚀、防止粘附，这样既易于脱模．又可提高耐磨性。
四、表面硬化技术在模具钢中的应用
随着工业生产的发展，对产品质量的要求日益严格，因而对模具的要求越来越高，相应地对模具也提出了高精度、高硬度、高耐磨性和高耐蚀性的要求。一般的模具 经淬火、回人处理后便可满足要求．但对上述要求的模具应在淬火、回火处理基础上采用表面硬化处理，其方法如下：
①氮化处理（气体氮化、软氮化、离子氮化等）渗金属（渗Cr、Ae．Si．、B、V等）及气相沉积等方法．皆可提高模具的寿命。
②水蒸气处理。在水蒸气中对金属进行加热．在金属表面上将生成Fe3O4，处理温度在550℃左右、通过水蒸气处理之后．金属表面的磨擦系数将大力降低。这种技术主要用于淬火、回火的高合金模具钢的表面处理中。
③电火花表面强化。电火花表面强化是提高模具寿命的一种有效方法。它是利用火花放电时释放的能量．将一种导电材料溶渗到工件表面，构成合金化表面强化层．从而起到改善表面的物理化学性能的目的。
该工艺有如下特点电火花强化层是电极与工件材料的合金展强化层与基体结合牢固、耐冲击不剥落；强化处理时．工件处于冷态区放电点极小、时间短、不退火，不变形等。模具经电火花强化后．将大大提高模具表面的耐热性、耐蚀性、坚硬性和耐磨性，可获得较好的经济效果。
模具一定要在淬火、回火处理后再进行强化处处理；操作要细心，电极沿被强化表面的移动速区要均匀、要控制好时间：模具经电火花强化处理后．表面产生残余拉应力，因此要补加一道低于回火温度30—50℃的去应力处理。
例如，某厂冲不锈钢板落料模．原来一次刃磨寿命高 15000次，经电火花强化后．冲90000次未发现磨损．寿命提高 5倍。因此被广泛应用于模具、刃具及量具等工具。
④离子电镀的应用。离子电镀是1963年提出的．直到70年代才在工程上实现．并应用于工具和模具的表面硬化中。离子电镀具有如下特点：离子电镀时可以在 500℃以下温度进行．如果选择好处理方法和条件．可以在100℃以下的温度进行；离子电镀与材料无关。可得到HV=2 000以上的硬化层；能得到各种金属和化合物的保护膜，且膜致密；无公害、无爆炸等危害。
16．4 量具用钢
一、量具的工作条件及量具用钢的性能要求
量具是用来度量工件尺寸的工具，如卡尺、块规、塞规及千分尺等。由于量具在使用过程中经常受到工件的磨擦与碰撞，而雨量具本身又必须具备非常高的尺寸精确性和恒定性．因此要求具有以下性能：
（1）高硬度和高耐磨性．以此保证在长期使用中不致被很快磨损，而失去其精度。
（2）高的尺寸稳定性．以保证量具在使用和存放过程中保持其形状和尺寸的恒定。
（3）足够的韧性．以保证量具在使用时不致因偶然因素——碰撞而损坏。
（4）在特殊环境下具有抗腐蚀性。
二、常用量具用钢
根据量具的种类及精度要求，量具可选用不同的钢种：
（1）形状简单、精度要求不高的量具．可选用碳素工具钢．如T10A、TllA。T12A。由于碳素工具钢的淬透性低，尺寸大的量具采用水淬会引起较大的变形。因此．这类钢只能制造尺寸小、形状简单、精度要求较低的卡尺、样板、量规等量具。
（2）精度要求较高的量具（如块规、塞规料通常选用高碳低合金工具钢。如Cr2、CrMn、 CrWMn及轴承钢GCr15等。由于这类钢是在高碳钢中加入Cr、Mn、W等合金元素，故可以提高淬透性、减少淬火变形、提高钢的耐磨性和尺寸稳定性。
（3）对于形状简单、精度不高、使雨中易受冲击的量具，如简单平样板、卡规、直尺及大型量具，可采用渗碳钢15． 20、15Cr、20Cr等。但量具须经渗碳、淬火及低温回火后使用。经上述处理后．表面具有高硬度、高耐磨性、心部保持足够的韧性。也可采用中碳钢 50、55 60、65制造量具．但须经调质处理．再经高频淬火回火后使用．亦可保证量具的精度。
（4）在腐蚀条件下工作的量具可选用不锈钢4Cr13、9Cr18制造．经淬火、回火处理后可使其硬度达HRC56—58，同时可保证量具具有良好的耐腐蚀性和足够的耐磨性。
若量具要求特别高的耐磨性和尺寸稳定性．可选渗氮钢38CrMoAl或冷作模具钢Cr12MoV。
3CrMoAl钢经调质处理后精加工成形，然后再氯化处理．最后需进行研磨。Cr12MoV钢经调质或淬火、回火后再进行表面渗氮或碳、氮共渗。两种钢经上过热处理后．可使量具具有高耐磨性、高抗蚀性和高尺寸稳定性。
三、量具钢的热处理
量具钢热处理的主要特点是在保持高硬度与高耐磨性的前提下，尽量采取各种措施使量具在长期使用中保持尺寸的稳定。量具在使用过程中随时间延长而发生尺寸变 化的现象称为量具的时效效应。这是因为．①用于制造量具的过共析钢淬火后含有一定数量的残余奥氏体，残余奥氏体变为马氏体引起体积膨版。②马氏体在使用中 继续分解，正方度降低引起体积收缩③残余内应力的存在和重新分布，使弹性变形部分地转变为塑性变形引起尺寸变化。因此在量具的热处理中．应针对上述原因采 用如下热处理措施：
（1）调质处理。其目的是获得回火索氏体组织，以减少淬火变形和提高机械加工的光洁度。
（2）淬火和低温回火。量具钢为过共析钢．通常采用不完全淬火加低温回火处现在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度并进行预热，以减少加热和冷却过程中的 温差及淬火应力。量具的淬火方式为油冷（20～30℃）不宜采用分级淬火和等温淬火．只有在特殊情况下才予以考虑。一般采用低温回火，回火温度为 150～160℃，回火时间不应小于4～5h.
（3）冷处理。高精度量具在淬火后必须进行冷处理．以减少残余奥氏体量．从而增加尺寸稳定性。冷处理温度一般为一70—－80℃并在淬火冷却到室温后立即进行，以免残余奥氏体发生陈化稳定。
（4）时效处理。为了进一步提高尺寸稳定性，淬火、回火后．再在120～150℃进行24～36 h的时效处理，这样可消除残余内应力，大大增加尺寸稳定性而不降低其硬度。总之．量具钢的热处理为除了要进行一段过共析钢的正常热处理（不完全淬火十低温 回火）之外．还需要有三个附加的热处理工序．即淬火之前进行调质处理、正常淬火处理之间的冷处理、正常热处理之后的时效处理。
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