第3章　模具材料延寿

3.1　模具材料的现状及发展前景

3.1.1　模具在现代制造工业中的作用

模具是实现制造业现代化的基础和核心，其发展水平是衡量一个国家制造业水平高低的一个重要标志，是推动先进近净成形技术发展的重要支撑技术。模具工业是重要的基础工业，工业生产中使用模具批量生产制件具有高生产效率、高一致性、低耗能、低耗材的优势，因此被广泛应用于制造业的各个领域。

随着改革开放的深入，我国的模具工业得到了充分的发展。工业技术的进步和发展，对模具工业也提出了更多、更高的要求，并为模具工业的发展提供了发展的空间和市场。从20世纪80年代以来，我国模具工业以15％的增速快速发展，总产值在GDP中的比重逐渐增加（表2-3-1、图2-3-1），与此同时，模具行业的产业结构调整步伐不断加快，制造技术水平不断提高。据中国模具工业协会的统计，2009年模具总产值达到980亿元人民币，位列美国和日本之后，居世界第三位，成为世界模具生产制造大国。我国的进出口总额达38.07亿美元，其中进口总额为19.64亿美元，主要进口模具的种类为塑胶模具和冲压模具，可见我国仍然是模具进口大国。而模具钢是模架以及模具制作的原材料，直接影响到模具的使用寿命以及成型质量。2010年我国的模具钢消费额达到129亿美元，比2009年增长20％。我国连续5年成为全球模具钢消费量最大的国家，占全球消费量的21％，同期国内模具钢产值只有70亿美元，虽然已经是全球第三大模具钢生产国，但是供需缺口达到59亿美元，进口依存度高达46％，且高档模具和出口模具的材料几乎全部依靠进口。随着国内企业逐渐掌握模具钢的生产技术，国内模具钢行业发展前景看好，2010年行业增长率达到37％。

中国模具工业协会的统计数据显示，2010年我国共有模具生产企业约3万家，从业人员近100万人，模具工业总产值约1127亿元人民币。2001～2010年中国模具工业总产值的复合增长率约15.18％，高于同期国家GDP复合增速。

《中国模具行业“十二五”发展规划》明确具体目标：总销售额至2015年达到1740亿元人民币左右（表2-3-2），其中出口模具占15％左右，即至2015年达到40亿美元左右。国内市场国产模具自配率达到85％以上，中高档模具的比例达到40％以上。据此规划，预计到2015年，国产模具钢产量将超过100万吨，达到110万吨左右。

“十二五”期间模具行业重点发展大型、精密、复杂、组合、多功能复合模具和高速多工位级进模、连续复合精冲模、高强度厚板精冲模、子午线轮胎活络模具以及微特模具；对于在航空航天、高速铁路、电子和城市轨道交通、船舶、新能源等领域要求的高强、高速、高韧、耐高温、高耐磨性材料的新的成形工艺及模具制造，要有重要突破。同时，进一步缩短模具生产周期、提高模具寿命和使用的稳定性。生产周期在现在的基础上缩短20％～30％；模具使用寿命在现在的基础上提高20％～30％；用模具制造精细化来提高模具的可靠性和稳定性。

3.1.2　我国模具材料概况

近几年，我国钢材需求量以20％的速度增长，但我国模具用钢产量增长不明显，在2009年我国模具行业980亿元的销售额，以及各个主机大企业的上百亿元的模具产值，与2010年我国模具钢产量未达到100万吨的能力相比，实在是不相适应。

随着我国模具工业的持续发展，对于高档模具用钢进口量不断攀升，预计模具用钢进口还将大幅度增长，特别是模具型腔部分模具钢在短时间内进口的格局很难改变。

模具钢基本以热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢三大系列为主。国内外模具钢的发展趋势是在模具钢生产工艺上，总体向高纯净度、高等向性、高韧性、高均匀性方向发展。

近年来，国外许多钢厂都推出了性能优异的新钢种。如热模钢方面做了大量的工作，新钢种具有较强的高温性能，同时还具有较高的韧性，已作为热作模具的首选。国内优质、高寿命热作模具钢新钢种的开发和推广工作却处于一种相对停滞的状态。主要表现为具有自主知识产权的模具新材料较少，模具寿命低，模具企业很难找到一种可靠的国产模具新钢种来代替进口模具钢。

我国的模具钢在品种、规格、质量及性能等方面和国际先进模具钢生产水平的差距，导致我国每年有相当数量的中、高档模具特殊钢必须从国外进口。

国外模具钢的品质主要体现在纯净、均匀、组织细小、尺寸精确。如国外H13钢标准控制指标最多达8项，而我国标准只有3项，其中纯净度、退火组织和冲击韧性单项指标是国外标准均采用的，而中国标准没有采纳。特钢企业的冶炼、加工主机设备与国外专业生产厂家相比相差不大，差别较大的环节是热处理设备和机加工设备，这就决定了国内模具钢产品在质量、品牌上的不足，决定了国内模具钢产品的价格及附加值远远落后于国外模具钢产品，这也是国内冶金企业急需调整的环节。

我国制造业已进入一个高速发展期。未来的5～10年，汽车、化工、电子等行业的迅速发展，将带动机械制造业的发展，而模具工业作为机械制造业零件产品的成型工艺装备更是要先行发展，这将给模具材料生产从冶炼质量、生产工艺及热处理技术带来发展的空间。

“十二五”期间，一方面是模具行业必然会对模具材料提出更高的技术要求；另一方面面对长期依赖进口大量模具材料来支撑我国的模具工业发展的情况，大力发展我国模具材料新技术、新工艺、新品种是一个必然的过程。

模具材料的发展是一项长期的系统工程，要求研制、生产、销售及技术服务一条龙。我国模具钢市场上80％以上是黑皮圆钢棒料，扁钢及预硬化处理后的模具钢较少，大部分模具钢仍需经改锻后使用，锻造工艺控制不严格，内在质量较差，钢材利用率较低。因此模具钢企业要扩大采用先进工艺生产模具钢的比重，加强新工艺、新设备的引进，改进生产工艺，改善管理，生产纯净度高、均匀性好、大规格的模具钢。

3.1.3　我国模具材料面临的问题

近些年，模具行业虽然取得了长足的发展和技术进步，但也仍然存在许多问题和不足，如果不能未雨绸缪地及时对这些问题进行探讨和研究，并从国家层次进行战略布局、妥善解决，就会严重制约本行业的发展，从而影响到国家高端装备制造业的进步。

（1）生产企业追求大而全，依赖硬件提升，实现规模化生产。支撑六大领域的模具超过一半材料需求为非标锻件，大型特钢企业利用规模化生产装备如快锻机、径锻机、轧机等生产为黑皮圆钢和板材，无法满足模具用户的直接需求。

①改锻装备、技术人员、工艺水平等参差不齐，严重影响了模具使用性能及寿命。

②没有特色的规模化生产，造成行业重复建设及整体利润率下降。

解决方案：分区域推行特色化生产。如：大型特钢厂A主业为塑料模具钢，而大型特钢厂B主业为热作模具钢，这样可避免造成重复建设和资源浪费；在中小型特钢厂则为以本区域大型特钢厂主业为依托，同时做出自己特色如：小厂A主业为模块，小厂B主业为某类异形件。

难点：政府、企业等关系协调。一些钢厂已经具备一定规模，且成为所在地区的纳税大户，大规模的主业变更和方向调整实现难度较大，故可在本地区如某省内部同样进行资源整合，分区域选择一批技术力量较为雄厚、装备手段齐全先进、经营业绩突出、创新成果多的特殊钢企业作为该区域龙头，建立产品开发的示范基地，搭建不同技术方向的战略联盟，在品种开发方面有明确分工，分担任务，突破难点，引领关键产品的生产技术进步。

（2）检测手段落后、标准中检测指标缺乏。产品标准既是产品制造过程的工作依据，也是企业参与市场竞争的有力砝码。目前我国国家标准检测门槛太低，标准中检测指标缺乏，与国外发达国家相比存在较大差距（表2-3-3），这也就造成了我国出厂的合格产品很难和进口产品质量相比较，造成我国产品普遍低下的印象。

注：表示标准中包含了检测指标。

解决方案：提升生产企业准入门槛，增加行业标准，根据使用工况及质量等级设置多种标准；我国模具钢的国家标准应尽量向国际标准靠拢，同时把国家标准作为最低的标准，而企业真正贯彻或执行的是比国标更高的“企业标准”或“内控标准”。凡是达不到国标的禁止进入市场，只有这样，才能促进我国模具钢水平的提高，改变我国模具钢质量普遍较低的现象。

难点：目前，一大批基础薄弱、数目众多的小企业会因为产品质量不达标而无法生存，他们未来的发展方向以及部分以特钢为经济特色地区在转型期的经济稳定会成为一大难题。但这个问题必须面对、必须解决，因为要想参与世界竞争，改变目前粗放式的生产方式，这种产业升级带来的阵痛迟早要面对。

（3）产品稳定性差，高端模具钢长期依赖进口。据统计，国产模具钢使用寿命仅为国外同类材料的1/10～1/3，且稳定性差。如图2-3-2所示，国内某大型特钢厂按照国标生产的H13模具钢与瑞典ASSAB按企标生产的H13模具钢，在同一条生产线上不同批次使用寿命比较，发现与进口材料相比较，国产材料寿命波动较大，严重影响了企业正常生产。因此大量高端模具钢只能长期依赖进口，2010年我国净进口高端模具钢8万吨，成为世界净进口模具钢最多的国家，如图2-3-3。

解决方案：模具工作条件不同，对模具钢性能及质量要求也不同，也就需要制订不同的制备工艺（表2-3-4）。根据不同类型模具材料，确定不同产品控制标准，设计不同工艺流程，将为设计、制备出适合不同工况条件下工作的高附加值模具钢提供了条件。

难点：产品控制标准需要大量研究数据，单靠一家企业的技术积累很难完全实现这一目标的。前提是建立起高校、研究院所、特钢企业、模具企业都参与的产、学、研、用合作联盟。

（4）通用型材料无序开发，专用材料严重缺乏。每年开发很多新钢种，但基本为拼盘型钢，目的为达到像“H13”型模具钢，在什么条件都能用，结果为“什么条件都用不着”；我国每年会开发出很多新的模具材料及发明专利，但基本都没有得到产业化应用，其主要原因是都想开发通用型材料，因为其市场大，但同时其最大缺点也是其通用性，没有不可替代性，而推广一种新材料的成本又太高。

适用于某类特定苛刻环境下、附加值高的材料，如高寿命、高品质、极端工况条件下等严重缺乏。

极端工况条件下的模具对模具钢性能要求比较高也比较苛刻，但同时其附加值也非常高，但因为其市场容量比较小，技术开发人员往往容易忽视，造成了这一领域基本被国外产品所垄断。

解决方案：根据市场需要、用户需求开发个性化新型钢种，满足不同类型、不同工况条件、不同用户的需求，实现效益最大化。

难点：实现这种个性化产品开发，需要大量的技术开发人员及研究设备及资金的投入，基础薄弱、数目众多的中小企业很难立足。需要进行以下改进。

①国家加大产学研支持力度，鼓励企业和院校间、企业间横向联合，出台相关政策支持。如成立多企业、多院校联合的工程研究中心。

②通过强强联合，建立产、学、研、用相结合的科研联合攻关与技术推广团队，结合国家重大工程建设，明确科研考核目标、产品技术指标和产业化指标。

③设立专项经费支持，对于开发的具有自主知识产权的高端模具钢依托行业协会、学会等机构进行重点奖励，并对于其推广应用实行政策扶持。

（5）行业标准中提供的常规性能指标无法有效表征模具材料的使用效能，模具钢生产与使用厂家选材依据不统一。目前行业标准中提供的常规性能指标无法有效表征模具材料的使用效能，模具使用厂家缺少科学的模具选材依据，只能依赖经验式或者通过不断试用不同材料进行比较来确定最佳钢种，造成大量时间和资金上的浪费。

解决方案：提出能有效表征模具使用效能的指标，并推广、普及模具选材信息化网络技术。

难点：寻求能完整表征影响模具使用效能的综合指标，这需要大量时间和数据的积累，但一旦完成将可实现选材方式由目前经验式选材向科学化、数字化方式转变。

建立不同工况条件下，模具钢固有性能参数与模具使用性能间的联系，确定模具使用关键指标。该指标可以直接反映模具钢的使用效果及模具使用寿命。

建立模具选材网络化系统，通过该系统在模具钢生产企业与模具钢使用企业间建立数据关联，模具企业根据工况条件提出模具钢指标要求，模具钢生产企业根据指标要求，生产符合指标的模具钢。同时，该系统也为开发专用模具钢提供理论基础。

3.1.4　模具材料技术发展趋势

针对我国模具材料生产和技术的现状及存在问题，今后我国模具材料技术的发展及应用要重视以下几个方面：积极引进，开发新品种模具钢；逐步完善模具材料系列，充分重视模具的正确选材；建立先进的模具材料生产线、完善的科研试制基地和情报中心，形成研发、生产、供货、使用一体化畅通渠道。积极推广应用模具材料热处理新技术、新工艺及模具表面强化新技术、新工艺。充分挖掘模具材料的潜力，提高模具的使用寿命。

（1）提高冶金质量，增加品种规格、产品精品化。

（2）提高钢坯改锻质量。

（3）研制应用新钢种，挖掘老钢种性能潜力。

（4）建立选材及用材专家系统。

3.1.5　我国模具材料发展需求

在塑料模具钢方面，要发展超大规格汽车保险杠预硬化塑料模具钢，单重达到35t的特大型预硬化塑料模具钢模块产品，替代进口；开发厚度≥400mm的大规格沉淀硬化型超镜面塑料模具钢模块；开发新型耐腐蚀塑料模具钢，满足特种塑料（含氟、氯等）对模具钢的耐腐蚀性能的高要求。

在热作模具钢方面，要开发具有自主知识产权的新型低成本、高寿命热作模具钢，开发超纯净、组织均匀的热作模具钢，极低的S、P含量及超细化组织，添加具有红硬性作用的合金元素，提高模具在高温下的硬度，提高热压铸模具和热挤压模具的使用寿命。

在冷作模具钢方面，要针对汽车高强度钢板（抗拉强度>800MPa）冷冲压成型的模具材料及表面处理技术工艺。开发低合金高强度、高耐磨性、高韧性的冷作模具钢。通过降低碳含量及合金元素总量提高韧性和耐磨性。

3.2　我国模具材料的应用现状

3.2.1　我国模具材料的现状

（1）我国模具材料使用钢种的情况。近年来，我国冶金行业研制开发和引进了大量国外品种，如美国的ASTM标准的A2、D2、H13和P20、01、S7等，瑞典的718及日本的SKD11、SKD61钢等，以满足模具行业的需求。

塑料模具钢：主要钢种有S50C、S45C、3Cr2Mo（P20）、3Cr2NiMnMo（718）、10Ni3MnCuAl等，占模具钢总产量的62％，而合金塑料模具钢3Cr2Mo（P20）、3Cr2NiMnMo（718）、10Ni3MnCuAl等占塑料模具钢总量的12％左右，占合金模具钢总量的23％左右。

热作模具钢：主要品种有4Cr5MoSiV1（H13）、3Cr2W8V、5CrNiMo、5CrMnMo等四个钢种，占模具钢总产量的21％，占合金模具钢总量的42％。在热作模具钢中主要是以美国ASTM A681标准的通用型钢H13（4Cr5MoSiV1）为主，总产量近30000t，占热作模具钢总产量的54.2％，已占主导地位。而国外已较少用的3Cr2W8V钢，在我国的产量虽然逐年减少，但仍占很大比例（14573t），达26.4％。

冷作模具钢：主要品种为Cr12（D3）、CrWMn（O1）、Cr12MoV、Cr12Mo1V1（D2）等，占模具钢总量的17％，占合金模具钢总量的34％。在Cr12系列的模具钢中，仍然以Cr12钢为主，2010年产量高达17000t，占该系列钢的46％，而D2（Cr12Mo1V1）钢仅占18.2％。

（2）模具材料应用领域。我国高端装备制造业的快速发展带来了模具行业的持续快速发展，使得模具钢被广泛应用于制造业的各个领域。

①汽车行业。汽车行业是模具的第一大用户。一个型号轿车需要4000多套模具。汽车、农用车、摩托车及工程车辆的模具市场约占市场总量的1/3。

②家用电器行业。目前我国家用电器产量已跃居世界前列，十几年来迅速发展的电冰箱、洗衣机、空调器、微波炉等产品已大量出口。家电生产需大量塑料模具和冷冲模具，特别是大型塑料模具。如单台电冰箱需要350副模具，价值400多万元人民币；单台洗衣机需模具加工的零件500个，需200副模具，价值2000万元人民币；单台彩电需要140副模具，价值400万元人民币，其中塑料模具10副，价值120万元人民币。这一市场所需的模具钢约占总量的20％。

③电子及通信设备行业。作为朝阳行业的IT每年成倍高速地发展：电脑、手机、电子设备等电子通信行业设备都需要大量的模具，家用电脑年需求量达到1000万台，每种型号的微机需要30多副模具，价值在400万元人民币左右，其中主要是精密冲压模具和精密塑料模具，约占模具市场的20％。

④建材行业。蓬勃发展的房地产业，需要大量建筑塑料型材：塑钢门窗、PVC水管生产，需要大量大中型优质寿命模具，其中尤以塑料和铝合金型材挤压模为主；铝合金型材挤压模每年消耗热模钢约占热模钢总量的50％；另外墙砖、地砖等陶瓷模也需要大量优质成型模具。

（3）模具材料生产状况。中国模具钢生产厂相对比较分散，主要生产厂有：东北特殊钢集团（抚顺、大连和北满基地）、宝钢集团（宝钢股份、宝钢特殊钢分公司）、攀长钢、江苏天工、新冶钢、西宁特钢、中原特钢、齐鲁特钢、舞阳、太钢等十多家钢铁企业。此外，不少小型的民营企业在生产模具钢。自20世纪80年代以来，特殊钢厂不断进行技术改造。尤其是90年代中后期，国家投巨资在抚顺钢厂和上钢五厂引进国外先进的UHP电炉+LF+VD、大型电渣炉、大型真空感应炉和真空自耗炉、WF5-40模具扁钢专用轧机、大型快锻机和专用调质热处理设备等，提升了内地模具钢生产的硬件设备，奠定模具钢生产和研发的基础。模具钢年产量由1995年初期的不足7万吨左右发展到2008年产量的57.2万吨（包括模架材料），其中合金模具钢30万吨左右，成为模具钢的生产大国（1995～2008年我国模具钢的产量如图2-3-4）。

模具钢的生产品种从塑料模具钢、热作模具钢、冷作模具钢和特殊用途模具钢，几乎均有生产和供货，其中塑料模具钢约占60％以上（图2-3-5）。产品规格从重达30t的大型预硬化718模块到8mm的冷拔材一应俱全。随着模具钢生产工艺装备的改进和提高，以及通过国家科技部的支撑攻关计划，我国的模具钢的质量水平也不断提高，主要表现在以下几方面。

①可生产大型预硬化塑料模具钢的P20和718的板材和模块，最大尺寸可达1000mm厚度，最好水平截面宏观硬度差控制≤5（HRC）以内。

②优质窄尺寸（≤300mm宽）扁钢的外形尺寸精度可达到≤1/2DIN公差范围，与世界先进水平相当。

③开发的高品质热作模具钢H13钢的模块和棒材可满足NADCA 207—2003标准Premium quality级别水平。

④满足DIN、ASTM等标准的冷作模具钢的Cr12型的棒材和扁钢大量出口。

但是，与迅速发展的我国模具行业相比，国产模具钢的发展仍然显得落后，在品种、质量性能和供货周期等方面不能满足模具行业日益苛刻的高要求。这使得汽车、家电和通信信息产业等行业的模具制造厂在制造高档次模具需要的高附加值模具钢和模具的关键部件时，不得不使用质量与性能优异、价格昂贵的进口模具钢。进口模具钢的价格一般为国产模具钢的3～5倍。我国主要进口的品种和进口国家见表2-3-5。近些年来，由于国外模具制造厂向中国转移以及国内模具厂的出口增加，对质量、性能优异的高档模具钢的需求有进一步增加趋势。据中国模具工业协会统计，每年约进口5万～10万吨模具钢。

进口模具钢的品种涉及到塑料模具钢、冷作模具钢和热作模具钢的主要品种。“十一五”期间，国家科技部组织相关部门和单位对塑料模具钢718模块、压铸模用优质H13钢等品种进行攻关，使得预硬化718模块和优质H13钢的质量水平有一定提高，718模块和压铸模用优质H13进口减少。对于量大面广的高品质Cr12系列冷作模具钢（代表钢种D2）和高级镜面塑料模具钢10Ni3MnCuAl（日本NAK80），仍存在问题。其中，D2类钢主要是较大截面材的碳化物不均匀度差、使用寿命短并且质量不稳定；镜面塑料模具钢冲击韧性低，抛光性能差，气体含量高，制造模具关键部件仍大量进口。因此，高性能模具钢的先进制造技术和品种是我国特钢领域亟待解决的问题。

（4）模具材料质量状况

①热作模具钢。热作模具钢应用最为广泛的钢种为H13，目前国际通用标准为北美压铸协会的标准NADCA#207，国内热压铸及热挤压模具用户也采用该标准验收H13钢的性能指标，若采用常规的锻造加热及锻后退火工艺，即使是电渣钢，组织也难以满足标准要求，如图2-3-6。国内几家大型特钢国企（宝钢、东特）采用特殊工艺生产的高等级H13电渣钢锻件组织均匀性较好，能够满足该标准要求。

②塑料模具钢。塑料模具钢主流产品为预硬型锻制模块产品，典型钢号为P20、718，目前国产的718锻制模块产品重量已达到25t，厚度超过1000mm，并且能够锻制凹模（近终形），用于汽车保险杠模具。能够满足该类模具的加工及使用要求。

塑料模具钢中的耐蚀系列产品的典型钢号为4Cr13、4Cr16Mo，国产该类模具钢以热轧扁钢为主，锻制模块产品组织均匀性与进口产品相比存在一定差距，碳化物分布不均匀，影响抛光性能，采用10000号以上抛光膏抛光时抛光质量低于进口钢。

③冷作模具钢。冷作模具钢的典型钢号为Cr12、Cr12MoV，关键性能指标为共晶碳化物不均匀度，国产该类模具钢与进口的SKD11、D2钢的共晶碳化物不均匀度的差别主要表现在形态方面，国产的Cr12Mo1V1锻制圆棒的共晶碳化物呈网状分布，日本大同特钢的DC11锻制圆棒的共晶碳化物呈带状分布。

（5）国内模具材料的发展展望。根据《中国模具行业“十二五”发展规划》，2015年具体目标如下。

①总销售额达到1740亿元人民币左右，其中出口模具占15％左右，即达到40亿美元左右。

②国内市场国产模具自配率达到85％以上，中高档模具的比例达到40％以上。

③预计到2015年，国产模具钢产量将超过100万吨，达到110万吨左右。

④预计到2020年，中国模具总销售额将达到3000亿元人民币。

在塑料模具领域，2010年我国人均塑料消费量约为46kg，仅为发达国家的1/3，这预示着“十二五”期间我国塑料制品行业仍将会保持高速发展；在“以塑代钢”“以塑代木”的必然趋势下，工程塑料制品业在“十二五”期间预计也会维持年均15％的市场增长率。由此可以想见，在模具总量中占比最高、支撑塑料制品业的塑料模具市场，“十二五”也将会以较高的增长速度发展。

作为模具使用量最大的汽车行业，预计“十二五”期间将会以年均13％左右的增长速度发展，加上我国庞大的机动车保有量所带动的维修配件市场和出口市场，我国汽车零部件也将在1.5万亿元人民币的庞大市场基础上保持较高的增长速度，由此预计“十二五”期间汽车模具的年均增速不会低于13％，包括汽车轮胎模具在内的橡胶模具年均增速将达到13％以上。对于大型、精密、复杂、长寿命模具需求的增长将远超过每年13％的增幅。汽车、摩托车行业的发展将会大大推动模具工业的高速增长，特别是汽车覆盖件模具、塑料模具和压铸模具的发展。

其他如轨道交通、航空航天、新能源、医疗器械、建材等行业也将为模具带来庞大的市场。例如医疗器械，目前我国只占全球2％的份额，药品与医疗器械消费比只有2.5:1，而发达国家是1:1；美国在医用塑料方面的人均年消耗费用为300美元，而中国只有30元人民币，可见发展潜力之大。

模具行业SWOT分析见表2-3-6。

3.2.2　国外模具材料的应用及发展

随着模具制造业的不断发展，对模具钢从冶金质量、数量、性能上要求不断提高。在国外出现高合金、高质、优化、优级材料强化及扩充材料领域等趋向，模具材料由低级向高级发展，相继出现一系列新型模具材料。

（1）国外模具钢种情况。国外工业发达国家的冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢种类比较齐全，并已形成系列，如美国的冷作模具钢有O系列、A系列、D系列，热作模具钢有H系列，塑料模具钢有P系列。但常用的模具钢种集中在几个钢号或十几个钢号，其中用量较大的有O1（CrWMnV）、AZ（Cr5SMo1V）、D3（Cr12）、D2（Cr12Mo1V1）、H13（4Cr5MoV1Si）、H11（4Cr5MoVSi）、H10（4Cr3Mo3V）、P20（3Cr2Mo）等。这些钢的使用性能较好，由于合金工具钢标准比较完善合理，针对性较强，具有一定的先进性、代表性，在国际上信誉较高，而被世界各国广泛采用，形成国际上的通用化趋势。

此外，国外也不断地研制新钢种，以满足模具工业不断发展的需求。国外相继开发的新型热作模具钢包括：高淬透性特大型锻压模具钢，如国际标准ISO中的40NiCrMoV7等；高热强性模具钢，如美国H10A、日本日立金属公司的YHD3以及特殊钢公司的5Mn15Ni5Cr8Mo2V2钢等；高温热作模具钢，如美国的T2M、T2C，日本的Nimowal等。各国发展的新型冷作模具钢有：高韧性、高耐磨性模具钢，如美国钒合金钢公司的VascoDie（8Cr8Mo2VSi）钢，日本大同特殊钢公司的SLDB、QCM8、TCD、DC53钢等；低合金空淬微变形钢，如美国ASTM标准钢号A14、A16，日本的G04和ACD37等；火焰淬火模具钢，如日本SX5、SX105V、G05、HMD1、HMD5，日本日立HMD1、HMD5等钢；粉末冶金冷作模具钢，如美国CPM10V，德国320CrVMo13.5等；高速钢基体钢有美国的VASCOMA；时效模具钢有日本的NAK55、NAK80、N5M等；热作模具钢有瑞典的QR080M、QR090S等；塑料模具钢有日本的S-STAR、PX5及法国的SP60等。

塑料模具钢的发展趋势主要有以下几个方面：易切削、抛光性好的塑料模具钢，如美国的412、M-300，日本的YAG，英国的EAB，瑞典的STAVAX-13等；预硬化型塑料模具钢，如美国P20、445，日本的PDS，德国MOVTREX-A（2312）等；整体淬硬型塑料模具钢，如美国A2、D3和H13等；耐腐蚀塑料模具钢，如ISO中的110CrMo17，瑞典ASSAB公司的4Cr13等；无磁塑料模具钢，如日本大同特殊钢公司的NAK301等。

（2）国外模具材料生产状况。国外工业发达国家都重视模具钢冶金质量，普遍采用电炉加热炉外精炼、电渣重熔等冶炼方法以及多向锻造等生产工艺。钢的纯净度、致密度高，模块均匀性、等向性较好。此外，品种规格较齐全，除棒料外，模块、板材、扁钢等比例较高，约达50％以上。

国外模具钢发展的一个特点是从分散生产走向集中生产，以获得数量、质量和技术上的优势。集中生产可以很快地建成技术先进的模具钢生产线，开展炉外精炼、电渣重熔、连铸、精锻、精轧、可控气氛热处理、无损检测等技术和装备研究，从而生产出高纯度、高等向性、品种规格齐全的钢材与制品，创名牌，提高国际市场竞争力。工业发达国家一般都有1～3家工厂专业生产模具钢，其产量往往占国家模具钢产量的70％～80％，如日本的日立金属公司和大同特殊钢公司。为了加强竞争力量，一些大的模具钢生产厂有跨国合作的趋势，如奥地利的百乐钢厂与瑞典乌德赫姆公司合作，模具钢产量达15万吨。

国外模具钢发展的另一个特点是模具钢的制品化和精品化。除增加模块、板材、扁钢外，还进行深加工，提供高附加值制品和精品，为此设置了设备先进的机加工和热处理部门。一些大型企业供应的模具钢制品、精品已达60％左右，不仅方便了用户、加快了制模周期，企业也获得了经济效益。

国外模具制造业正在向通用化、标准化、系列化高效率、短制造周期发展，CAD和CAM的应用日益普及。为了适应模具制造业发展的需要，模具材料日益向多品种、精细化、制品化的方向迅速发。随着模具工作条件的日益苛刻，对模具的质量，特别是钢的纯净度、等向性的水平提出了更高的要求。为达此目的，国外普遍采用电炉+炉外精炼工艺生产纯净度高的模具钢。对于大截面锻压模块和大型的钢材规定采用真空处理，对于纯净度要求更高的模具钢，大部分采用电渣重熔，以进一步提高钢的纯净度、致密度、等向性和均匀性，减少偏析。因此，模具钢的质量有了较大提高。

为了加强竞争力量，适应经济全球化的发展趋势，国外模具钢的生产从分散趋向于集中，并由多家公司进行跨国合并，为了更好地进行竞争，这些公司都建成了完善的技术先进的模具钢生产线和模具钢科学研究基地，形成几个世界著名的工模具生产和科研中心，以满足迅速发展的模具工业需求。

3.2.3　中国模具材料行业与国外存在的差距及其原因

20世纪80年代以来，我国模具工业进入了快速发展时期，极大地促进了模具钢生产、应用技术的进步，通过引进先进的设备和技术，已能生产出高质量的模具钢。但是，从总体水平而言，我国模具钢还比较落后，与国际先进水平相比，主要有以下差距。

（1）原材料与热处理技术。模具钢品种、规格不全，低档次较多，高档次较少。高质量、高性能模具钢的品种少。从品种方面，尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷等专用的模具钢系列。钢材中扁钢、模块、精料制品比例比较低，钢材的利用率较国外低10％左右。为满足制造大型、精密、复杂、高寿命模具的需要，国外发展预硬化钢，而国产钢基本上停留在退火阶段，或热轧状态供货，并且供货周期较长，这是我国家电行业大量进口模具钢的主要原因。

在整个模具价格构成中，材料所占比重不大，一般在20％～30％之间，因此选用优质钢材来提高模具的寿命就显得十分必要。对于模具钢来说，要采用电渣重熔工艺，努力提高钢的纯净度、等向性、致密度和均匀性及研制更高性能或有特殊性能的模具钢。如采用粉末冶金工艺制作的粉末高速钢等。粉末高速钢解决了原来高速钢冶炼过程中产生的一次碳化物粗大和偏析，从而影响材质的问题。其碳化物微细，组织均匀，没有材料方向性，因此它具有韧性高、磨削工艺性好、耐磨性高、长年使用尺寸稳定等特点，是一种很有发展前途的钢材。特别对形状复杂的冲件及高速冲压的模具，其优越性更加突出。这种钢材还适用于注射成型漆加玻璃纤维或金属粉末的增强塑料的模具，如型腔、形芯、浇口等主要部件。另外，模具钢品种规格多样化、产品精料化、制品化，尽量缩短供货时间亦是重要发展方向。

模具热处理和表面处理是能否充分发挥模具钢材性能的关键环节。模具热处理的发展方向是采用真空热处理等高效清洁环保热处理方式。模具表面处理除完善普及常用表面处理方法，即热扩渗，如渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、渗钒外，应根据实际生产需要发展工艺质量先进的气相沉积（TiN、TiC等）、等离子喷涂等技术。

（2）模具设计与制造体系。模具钢的专业化生产程度较低。钢材的质量、性能稳定性较差，外观质量较差。中国模具钢分散在几十个企业生产，大部分生产厂家的生产工艺装备不配套，特别是后部工序，深加工设备落后，从而制约国产模具钢质量的提高和性能的提高。

在模具设计方面，模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。国内一些生产厂家虽然也采用了计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造技术（CAM），但依旧停留在引进、消化和吸收阶段，难以形成具有成熟的理论指导和设计体系，模具CAD/CAM技术采用不普遍，加工设备数控化率低等，亦造成模具生产效率不高、周期长。

在制备技术方面，国内模具生产厂家工艺条件参差不齐，差距很大。不少厂家由于设备不配套，专业化、标准化程度低，除少量标准件外购外，大部分工作均需模具厂手工完成，严重影响了模具精度和质量。

（3）模具材料供销渠道。模具钢供销渠道有待畅通。模具制造多为单件或小批量生产，而所需钢材的品种多、规格多、数量少、需求供货及时的行业特点，与冶金厂的批量生产有矛盾。国外通过钢材商店可随时解决零售问题。国内近几年来也出现了部分代理商、钢材商店等中间销售环节，但在模具钢销售的服务意识和水平上与国外先进水平还有一定差距，影响了国产模具钢的推广和应用。例如Bohler-Uddehum的全球10万用户中，大多是工程师指导用户使用。值得注意的是，我国模具的质量和服务，离用户需求的差距相当大，因而出现了不少“宁可出高价买国外的，不愿以低价买国内的”的不正常现象。部分国内外模具钢价格比较见表2-3-7。由表2-3-7可知，进口钢材价格要比国内价高出3～6倍，从同一钢种的价格差距上反映出我国模具钢的落后面貌。

3.3　模具材料性能要求与失效形式

3.3.1　模具材料的性能要求

（1）常规力学性能要求。模具材料的性能是由模具材料的成分和热处理后的组织所决定的。模具钢的基本组织是由马氏体基体以及在基体上分布着的碳化物和金属间化合物等构成。

模具钢的性能应该满足某种模具完成额定工作量所具备的性能，但因各类模具服役条件及所完成的额定工作量指标均不相同，故对模具性能要求也不同。又因为不同钢的化学成分和组织对各种性能的影响不同，即使同一牌号的钢也不可能同时获得各种性能的最佳值，一般某些性能的改善会损失其他的性能。因而，模具工作者常根据模具工作条件及工作定额要求选用模具钢及最佳处理工艺，使之达到主要性能最优而其他性能损失最小的目的。

对各类模具钢提出的性能要求主要包括：硬度、强度、塑性和韧性等，以下分别予以介绍。

①硬度。硬度表征了钢对变形和接触应力的抗力。测硬度的试样很容易制备，车间、试验室都有硬度计，因此，硬度是很容易测定的一种性能，而且硬度与强度也有一定关系，可通过硬度强度换算关系得到材料硬度值。按硬度范围划定的模具类别，如高硬度［52～60（HRC）］一般用于冷作模具，中等硬度［40～52（HRC）］一般用于热作模具。

钢的硬度与成分和组织均有关系，通过热处理，硬度可以在很宽范围内改变。如新型模具钢012Al和CC-2可分别采用低温回火处理后硬度为60～62（HRC），采用高温回火处理后硬度为50～52（HRC），因此可用来制作硬度要求不同的冷、热作模具。因而这类模具钢可称为冷作、热作兼用型模具钢。

模具钢中除马氏体基体外，还存在更高硬度的其他相，如碳化物、金属间化合物等。表2-3-8为常见碳化物及合金相的硬度值。

模具钢的硬度主要取决于马氏体中溶解的碳量（或含氮量），马氏体中的含碳量取决于奥氏体化温度和时间。当温度和时间增加时，马氏体中的含碳量增多，马氏体硬度会增加，但淬火加热温度过高会使奥氏体晶粒粗大，淬火后残留奥氏体量增多，又会导致硬度下降。因此，为选择最佳淬火温度，通常要先做出该钢的淬火温度-晶粒度-硬度关系曲线。

马氏体中的含碳量在一定程度上与钢的合金化程度有关，尤其当回火时表现更明显。随回火温度的增高，马氏体中的含碳量在减少，但当钢中合金含量越高时，由于弥散的合金碳化物析出及残留奥氏体向马氏体的转变，所发生的二次硬化效应越明显，硬化峰值越高。

常用硬度测量方法有以下几种：洛氏硬度（HR）、布氏硬度（HB）和维氏硬度（HV），三种硬度大致有如下的关系：HRC≈1/10HB，HV≈HB［当<400（HBS）时］。

②强度。强度即钢材在服役过程中，抵抗变形和断裂的能力，对于模具来说则是整个截面或某个部位在服役过程中抵抗拉伸力、压缩力、弯曲力、扭转力或综合力的能力。

衡量钢材强度常用的方法是进行拉伸试验。拉伸试验是在拉伸试验机上进行的，试棒需按标准制备，拉伸过程中在记录纸上绘出拉伸力F与伸长量ΔL之间的关系图，即所谓的拉伸曲线图，分析拉伸曲线图就可以得出金属的强度指标。

对于模具钢，特别是含碳量高的冷作模具钢，因塑性很差，一般不用抗拉强度而是以抗弯强度作为实用指标。抗弯试验甚至对极脆的材料也能反映出一定的塑性。而且，弯曲试验产生的应力状态与许多模具工作表面产生的应力状态极相似，能比较精确地反映出材料的成分及组织因素对性能的影响。

对于在压缩条件下工作的模具，还经常给出抗压强度。在拉伸曲线图上有一个特殊点，当拉力到达这一点时，试棒在拉力不增加或有所下降情况下发生明显的伸长变形，这种现象则认为是屈服了。呈现屈服现象的材料不用增加外力仍能继续伸长时的应力称为这种材料的屈服点。而当外力去除后不能恢复原状的变形，这部分变形被保留下来，成为永久变形，又叫塑性变形。屈服点是衡量模具钢塑性变形抗力的指标，也是最常用的强度指标。对模具材料要求具有高的屈服强度，如果模具产生了塑性变形，那么模具加工出来的零件尺寸和形状就会发生变化，产生废品，模具也就失效了。

③塑性。模具钢塑性较差，尤其是冷变形模具钢，在很小的塑性变形时即发生脆断。衡量模具钢塑性好坏，通常采用断后伸长率和断面收缩率两个指标表示。

断后伸长率是指拉伸试样拉断以后长度增加的相对百分数，以δ表示。断后伸长率δ数值越大，表明钢材塑性越好。热模钢的塑性明显高于冷模钢。

断面收缩率是指拉伸试棒经拉伸变形和拉断以后，断裂部分截面的缩小量与原始截面之比，以φ表示。塑性材料拉断以后有明显的缩颈，所以φ值较大。而脆性材料拉断后，截面几乎没有缩小，即没有缩颈产生，φ值很小，说明塑性很差。

④韧性。韧性是模具钢的一种重要性能指标，韧性决定了材料在冲击试验力作用下对破裂的抗断能力。材料的韧性越高，脆断的危险性越小，热疲劳强度也越高。对于衡量模具脆断倾向，冲击韧度试验具有重要意义。

影响冲击韧度的因素很多。不同材质的模具钢冲击韧度相差很大，即使同一种材料，因组织状态不同、晶粒大小不同、内应力状态不同，冲击韧度也不相同。通常是晶粒越粗大，碳化物偏析越严重（带状、网状等），马氏体组织越粗大等都会促使钢材变脆。温度不同，冲击韧度也不相同。一般情况是温度越高冲击韧度值越高，而有的钢常温下韧性很好，当温度下降到零下20～40℃时会变成脆性钢。

为了提高钢的韧性，必须采取合理的锻造及热处理工艺。锻造时应使碳化物尽量打碎，并减少或消除碳化物偏析，热处理淬火时防止晶粒过于长大，冷却速度不要过高，以防内应力产生。模具使用前或使用过程中应采取一些措施减少内应力。

（2）特殊性能要求。如上所述，由于模具种类繁多，工作条件差别很大，因此模具的常规性能及相互配合要求也各不相同，而且某种模具实际性能与试样在特定条件下测得的数据也不一致。所以，除测定材料的常规性能外，还必须根据所模拟的实际工况条件，对模具使用特性进行测量，并对模具的特殊性能提出要求，建立起正确评价模具性能的体系。

对热作模具必须测试在高温条件下的硬度、强度和冲击韧度。因为热作模具是在某一特定温度下服役，在室温下测定的性能数据，当温度升高时要发生变化。性能变化趋势和速率相差也很大，如A种材料在室温下硬度虽比材料B高，但随温度上升，硬度下降显著，到达一定温度后，硬度值反而会低于材料B。那么，当在较高温度工作条件下要求耐磨性高时，就不能选用A种材料，而需选用室温下硬度值虽较低但随温度上升、硬度下降缓慢的材料B。

对热作模具除要求室温及高温条件下的硬度、强度、韧性外，还要求具有某些特殊性能，如①热稳定性、②回火稳定性、③热疲劳抗力及断裂韧度和④高温磨损与抗氧化性能。

对冷作模具钢除常规力学性能外，还常要求具有下列性能：①耐磨性能、②断裂抗力和③抗咬合能力及抗软化能力。

3.3.2　模具的服役条件及主要失效形式

模具在服役中产生过量塑性变形、表面损伤、开裂与断裂、冷热疲劳、腐蚀等损伤破坏后，将会失去原有功能，以致不能正常服役，这些现象均称为失效。如冷冲裁模刃口的过度磨损或崩刃；热挤压冲头的镦粗变形；热锻模出现冷热疲劳裂纹等。

模具的失效一般都存在一个变化过程，如断裂失效就可能经历表面产生缺陷、表面微裂纹、裂纹扩展、最后断裂的变化过程。模具在使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象但没有立即丧失服役能力的现象称为模具损伤。模具在工作时，不同部位承受不同的作用力和不同的温度变化，可能同时出现多种不同的损伤形式，各种损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断累积。例如，磨损沟痕可成为疲劳裂纹的萌生源，加快疲劳裂纹的萌生速度，若磨损沟痕深而尖，则其本身可成为一次断裂的起裂点；在模具表面出现冷热疲劳裂纹后，表面粗糙度严重恶化，会进一步加剧模具的磨损；此外，在冷热疲劳裂纹的底部，会由于应力集中的出现而加速机械疲劳裂纹的萌生，加速疲劳断裂。显然，损伤是模具破坏的起源，损伤的累积可导致模具的失效。

模具的失效一般可分为非正常失效（也称早期失效）和正常失效两类。模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命而产生的失效称为非正常失效或早期失效，非正常失效一般发生在模具使用的初期，主要是由模具设计和制造过程中的缺陷引起的，失效出现的概率很高，且随着模具使用期限的延长而迅速降低。

在模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀的磨损或疲劳破坏而出现的失效称为正常失效。模具经过使用初期的考验后即进入正常的使用阶段。在理想的情况下，模具未达到正常使用寿命就不会发生失效。但由于工作条件的变化、操作者的使用水平、管理者的失误等原因而造成的某些损伤，也将导致模具的失效，但这种失效的概率很低。在模具经过了长期使用后，由于使用损伤的大量累积，致使模具发生失效，即达到了模具的使用寿命极限。在模具的使用过程中，注意做好经常性的检查、维护和保养工作，可有效地推迟正常失效的到来，有助于提高模具的使用寿命。

3.3.2.1　热作模具的主要失效形式

（1）从模具种类来分。热作模具是指将金属坯料加热到再结晶温度以上进行压力加工的模具，典型的热作模具有锤锻模、压力机锻模、热挤压模、热冲裁模、压铸模等。各种热作模具在工作时既承受机械载荷，又承受热载荷，且在循环状态下工作。由于被加工材料的不同和使用的成形设备不同，模具的工作条件有较大差别，因此，热作模具的失效形式也就各不相同。

①锤锻模　锤锻模是在模锻锤上使用的热作模具，在其服役时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用，同时也受到交替的加热和冷却作用。如在锻造钢件时，金属坯料的温度一般为1000～1200℃，被加热的模具型腔表面一般可达到500～600℃，有时会高达750℃以上。如此的高温会造成模具材料塑性变形抗力和耐磨性的下降，同时也会造成模具型腔腔壁的塌陷及加剧磨损等。

锤锻模模块尾部呈燕尾状，易形成应力集中，会在燕尾的凹槽底部形成裂纹而造成开裂现象。在模具的工作过程中，由于热载荷的循环作用，在反复加热和冷却的交替作用下，将会产生热疲劳裂纹，导致模具的失效。若锤锻模在机械载荷与热载荷的共同作用下，会在其型腔表面形成复杂的磨损过程，其中包括黏着磨损、热疲劳磨损、氧化磨损等。另外，当锻件的氧化皮未被清除或未被很好清除时，也会产生磨粒磨损。因此，锤锻模的主要失效形式为磨损失效、断裂失效、热疲劳开裂失效及塑性变形失效等。从模具的失效部位来看，型腔中的水平面和台阶易产生塑性变形失效，侧面易产生磨损失效，型腔深处和燕尾的凹角半径处因易萌生裂纹而产生断裂失效。

②压力机锻模　压力机锻模在服役时，承受巨大的压力，当模具在曲柄压力机和水压机上工作时，所承受的压力主要是静压力，而冲击力较小。与锤锻模相比，炽热的金属坯料在型腔中停留的时间较长，因此，压力机锻模的型腔温度明显比锤锻模要高，受热更严重。所以，压力机锻模中的热应力及其变化幅度均大于锤锻模，同时，模具型腔表面所经受的氧化腐蚀也较严重。

压力机锻模的失效形式主要有脆性断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔的表面氧化腐蚀失效等。

③热挤压模　热挤压模是使被加热的金属坯料在高温压应力状态下成形的一种模具，挤压时承受压缩应力和弯曲应力，脱模时承受一定的拉应力作用，模具和金属坯料的接触时间长，受热温度比热锻模高。在挤压铜合金和结构钢时，模具的型腔温度可达到600～800℃；若挤压不锈钢或耐热钢坯料，则模具的型腔温度会更高。为防止模具的温度升高，影响加工质量和模具寿命，需要对模具（特别是凸模）进行冷却，工件脱模后，每次用润滑剂和冷却介质涂抹模具的工作表面，而使挤压模具经常受到急冷、急热的交替作用。

与锤锻模相比，热挤压模承受的冲击载荷很小，而承受的静载荷很大，凸模承受巨大的压力，且由于金属坯料的偏斜等原因，使模具还承受很大的附加弯矩，在凸模脱模时还要承受一定的拉应力，凹模型腔表面承受变形坯料很大的接触压力，沿模壁存在很大的切向拉应力，而且大都分布不均匀，再加上热应力的作用，使凹模的受力极为复杂。由于热挤压变形时的变形率较大，金属坯料塑性变形时的金属流动，对模具型腔表面产生的摩擦比锤锻模剧烈得多，且由于硬颗粒（如氧化皮）的存在将导致摩擦的进一步加剧。

热挤压模的失效形式主要有断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔表面的氧化失效等。

④热冲裁模　热冲裁模是主要用于冲切模锻件的飞边和连皮的模具，热冲裁模具主要由凸模和凹模组成，工作时模具的刃口部分承受挤压、摩擦和一定的冲击载荷，同时还因为金属坯料上的传热而升温，但由于所使用的锻压设备不同、所加工的金属坯料的尺寸不同，使各类热冲裁模的刃口部位所承受的热载荷与机械载荷有很大的区别，所以其失效形式主要有刃口的热磨损失效、崩刃失效、卷边失效和断裂失效等。

⑤压铸模　压铸模是利用压铸机在高温下使金属压铸成形的一种模具。压铸模的型腔表面要承受液态金属的压力、冲刷、侵蚀和高温作用，每次压铸件脱模后还要对模具的型腔表面进行冷却和润滑，而使模具承受频繁的急冷、急热作用。由于不同材料的熔化温度有很大差别，因此，用于不同材料的压铸模其工作条件的苛刻程度和使用寿命有很大区别。在压铸锌合金时，压铸模型腔表面的温度不超过400℃，热载荷较小，模具的工作寿命较长；在压铸铝合金时，压铸模的型腔表面温度可达600℃左右，且熔融的铝合金液体很容易黏附钢铁材料，使用时必须在模具的型腔表面反复涂抹防粘涂料，由此便造成了模具型腔表面的温度波动。所以，压铸模的失效形式主要有粘模失效、侵蚀失效、热疲劳失效、磨损失效等。当模具的型腔结构复杂并存在应力集中时，模具也会在热载荷与机械载荷的共同作用下出现断裂失效。

在压铸铜合金时，模具的型腔表面温度可达到750℃以上，由于铜合金液体温度高，而且铜合金的热导性好，模具的型腔表面受到铜合金液体的反复冲刷，并且急冷、急热的温度变化幅度较大，产生很大的热应力。在压铸时的压应力和脱模时的拉应力的反复作用下，模具的主要失效形式为热疲劳龟裂；型腔中结构凸起的小尺寸部分，也可能因为受热软化而产生塑性变形失效。由此可见，铜合金压铸模的使用寿命远比铝合金、锌合金压铸模的使用寿命要低。

在压铸铁合金时，模具的型腔表面温度会高达1000℃以上，且铁合金液体对模具型腔表面的冲刷作用更厉害，因而铁合金压铸模在服役时型腔表面的氧化、腐蚀会更严重，也更易于产生变形和热裂，模具的使用寿命将会更低。

（2）从失效特征来分。热作模具的失效形式主要有断裂（包括整体开裂，局部断裂及机械疲劳裂纹等）、变形、热疲劳龟裂、热磨损、热熔损等5种。一般热作模具以断裂失效时模具寿命较低，被视为模具的早期失效形式。这种失效形式在技术上被视为不能允许的非正常失效形式，这主要是模具钢种选择不当或热处理工艺不合理造成的。具有较长模具寿命的磨损失效、变形失效及热疲劳失效一般可视为模具的正常失效。随着模具技术的不断发展，各类热作模具的失效形式不断由非正常失效形式向正常失效形式转化。而模具材料技术人员的任务就是在研究各类模具的失效规律的基础上研究性能优良的模具材料，匹配相应的热加工及热处理工艺，在减小模具的早期失效情况下尽量提高模具使用寿命。

模具的失效形式反映出材料的不同性能。对于热作模具，则突出显示出模具对材料在高温条件下的性能要求。

①断裂失效。出现的根本原因有两点：模具的承载应力在整体范围或局部位置超过材料的高温断裂强度；模具承受的瞬时冲击载荷超过材料的高温韧度指标。往往发生在模具表面已存在的工艺裂纹、疲劳裂纹处或材料内部存在严重缺陷处，其宏观断口有时可分出疲劳扩展区和瞬时断裂区。

②堆塌失效。堆塌失效的原因是：a.材料的强度低于模具的承载应力水平，塑变累积所致；b.材料的热稳定性不能适应长时间工作的高温条件。即模具材料在工作温度范围使用使模具表面受到不同程度的过度回火而被软化，达到某一硬度时便产生塑性变形。

③热疲劳失效。热疲劳失效主要由材料的高温屈服强度决定，也与材料的高温冲击韧性和热稳定性有关。即材料越难变形，韧性越高、热疲劳抗力越好。热疲劳失效主要发生在热锻模和压铸模上。

④热磨损失效。主要以表面疲劳磨损为主，因工况条件的不同，往往伴随有黏着磨损和磨粒磨损。对于大多数热作模具钢，提高材料的高温屈服强度、热稳定性及抗氧化能力均可提高热磨损抗力。但是，不同材料的热磨损抗力更多地与材料的组织结构，尤其是材料内部碳化物的类型有关。

热熔损失效与不同温度及应力下模具材料与铸液的化学亲和力有直接关系。仅出现在压铸模具中，在液态金属以高温高速注入模具型腔时，这种现象尤为严重且在其直接接触部位易引起腐蚀问题。但要严格区分这两种失效形式很难，它与热疲劳裂纹的差别就在于产生原因，前者往往是在熔融温度和注入速度过高的情况下发生，而后者是一个连续的过程，且只能采取措施减少裂纹的扩展速率，而难以避免其出现。

3.3.2.2　冷作模具的主要失效形式

（1）从模具种类来分。冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具。典型的冷作模具主要有冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模、冷镦模等。各类冷作模具都是在常温下对工件材料施力，使其产生变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的成品件。由于各类冷作模具的具体服役条件不同，则其失效形式也有各自不同的特点。

①冷冲裁模。冷冲裁模的工作对象是钢板、有色金属板材或其他板材，依靠冷冲裁模的刃口完成冷冲压加工中的分离工序，主要是对各种板料进行冲切成形。

冷冲裁模的主要工作部位是凸模（冲头）和凹模的刃口，靠它们对金属板料施加压力，使其产生弹性变形、塑性变形和分离的过程。在弹性变形阶段，凸模端面的中间部分与板料脱离，压力都集中在刃口附近的狭小范围内。在塑性变形和分离阶段，凸模切入板料，同时金属板料被挤入凹模洞口，使模具的刃口端面和侧面产生挤压和摩擦。凸模承受的压力通常大于凹模，在冲裁软质薄板时，凸模承受的压力并不大；在冲裁中、厚钢板，尤其是在厚钢板上冲裁小孔时，凸模所承受的单位压力很大，同时，还要承受冲击力、剪切力和弯曲力的作用。

模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形式是磨损失效。从磨损机理上看，主要是黏着磨损，同时也伴随有磨粒磨损和疲劳磨损；从磨损的部位考虑，则可细分为刃口磨损、端面磨损和侧面磨损三种。由于凸模的受力较大，且在一次冲裁过程中经受两次摩擦过程（进入和离开各一次），磨损较快。磨损会使刃口变钝，棱角变圆，甚至会产生模具表面层的脱落，使冲压件表面产生毛刺、尺寸超差等。当冲压件厚度大或具有较强的磨粒磨损作用（如硅钢片等）或有较大的咬合倾向（如奥氏体钢等）叶，则会加速模具的磨损。

被冲板料的厚度对模具载荷的影响较大，所以常把冲裁模分为薄板冲裁模（冲裁厚度f≤1.5mm）和厚板冲裁模（冲裁厚度l>1.5mm）。薄板冲裁模受载荷较小，其失效形式主要是磨损，只有在热处理不当或操作失误的情况下，才可能出现脆性断裂失效；而厚板冲裁模则受载荷较大，其失效形式除了磨损以外，还可能发生塑性变形、断裂或崩刃等失效。

②冷拉深模。冷拉深模是将板材进行延伸使之成为一定尺寸、形状产品的模具。冷拉深模的工作对象是钢板、有色金属板材或其他板材，依靠模具使金属坯料产生塑性变形而获得所需的形状。冷拉深模的凸模、凹模和压边圈的工作部位均无锋利的尖角，模具零件的受力不像冷冲裁模那样限定在较小的范围内，凸模和凹模之间的间隙一般比板材厚度大，模具较少出现应力集中。模具在工作时不易产生偏载，所承受的冲击力很小，凸模承受压力和摩擦力，凹模承受径向张力和摩擦力。其中，模具受到的摩擦力十分强烈，因而模具的主要失效形式是磨粒磨损和黏着磨损，有时还会产生咬合、擦伤、变形等失效形式。从失效部位上看，在凹模和压边圈的端面、凸模和凹模的圆角半径处，特别是在压边圈口部和凹模端面圆角半径以外的区域产生黏着磨损的情况最为严重。

在模具的工作过程中，在其工作表面上的某些局部位置，所受到的载荷较重，承受的挤压力较大，受摩擦后模具的表面温度升高。在高温和高压的共同作用下，模具表面可与金属坯料产生“焊合”现象，脱落下来的小块金属坯料会黏附在模具的表面，从而在加工中造成工件表面的划痕或擦伤，降低拉伸件的表面质量。

③冷镦模。冷镦模是在冲击力的作用下将金属棒状坯料镦成一定形状和尺寸产品的冷作模具。在冷镦加工过程中，冲击频率高（60～120次/min），冲击力大，金属坯料受到强烈镦击，同时，模具也同样受到短周期冲击载荷的作用。由于是在室温条件下工作的，塑性变形抗力大，工作环境差，凸模承受巨大的冲击压力和摩擦力，凹模承受冲胀力和摩擦力，产生强烈摩擦，因而冷镦模最常见的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。其中，磨损失效可能有磨粒磨损、表面损伤、冲击磨损等多种失效形式，特别是凸模在冲击力的作用下，表面会产生剥落而出现麻坑，而由磨损所造成的表面损伤、麻坑、擦伤痕等，均可能成为疲劳裂纹源，导致模具的疲劳断裂。除此之外，还可能产生凸模的塑性变形和折断；引起凹模的模口胀大、棱角堆塌、腔壁胀裂等损伤，而出现模具的失效。

④冷挤压模。冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品的模具。根据金属坯料的流动方向与凸模运动方向之间的关系，可将冷挤压分为正向挤压、反向挤压、复合挤压和径向挤压四种类型。

在进行冷挤压加工时，金属坯料承受强烈的三向压应力。在模具的作用下，金属坯料沿凸、凹模间隙或凹模模口产生剧烈流动，变形位移大。而模具承受强大的挤压力（来自金属坯料的反作用力），同时产生很大的摩擦力。一般在正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压挤压钢材时，正挤压力约为2000～2500MPa，反挤压力为3000～3500MPa；在挤压有色金属材料时，其挤压力也会达到1000MPa。在挤压时形成的摩擦功和变形能会转化为热能，产生挤压中的热效应，导致模具的局部表面产生400℃以上的高温。此外，由于金属坯料载荷不平整、凸模与凹模之间的间隙不均匀和中心线不一致等因素，还会使凸模在挤压时承受很大的偏载或横向弯曲载荷。因此，冷挤压模的失效形式主要有塑性变形失效、磨损失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效及纵向开裂失效等，对于冷挤压凹模有时还会产生胀裂失效。

（2）从失效特征来分。根据各种失效的共性，冷作模具的失效形式可以主要归类为断裂、变形、磨损和疲劳失效等形式，其中断裂与变形失效可划分为一类，即过载失效。

①断裂失效。断裂失效是指模具在使用中突然出现大裂纹或破损而失效，如凸（凹）膜破裂、刃口崩刃、冲头折断。这是冷作模具破坏的极端形式，容易造成生产事故。

模具制造材料韧度不足和强度不够，是产生断裂失效两大因素。冷作模具的工作负载大，材料的力学性能差，必然导致模具断裂失效。冷挤压模和冷镦模工作时，由于成形的力大，金属变形过程中模具表面的瞬时温度高，造成温度循环加速疲劳裂纹的产生，也容易导致模具的断裂失效。另外，如果冷挤压时模具润滑不好，就会增大负载力，也将导致模具工作零件的强度、韧性不够而失效破坏。

②磨损失效。磨损失效是指模具的工作部件与被加工材料之间相对运动产生的损耗过大而失效，包括均匀磨损、不均匀磨损和局部脱落等，例如冲裁模的刃口磨损和冷挤压模、冷镦模的型腔磨损。均匀磨损是常见的磨损，不均匀磨损是外界杂质、碳化物、磨损形成的硬颗粒等引起的磨粒磨损，而局部脱落属于疲劳磨损，是由于剪切力的作用，模具局部疲劳而产生微裂纹，最终扩展以至脱落。冷作模具在工作过程中都会磨损，模具的正常磨损失效，直接影响模具的使用寿命。对表面尺寸要求严格的冷冲压、冷挤压模具，在保证材料不断裂的前提下，模具寿命取决于它的表面抗磨损能力。模具工作部位与被加工材料之间的均匀摩擦损耗，使其形状和尺寸发生变化而最终引起失效。冷作模具也存在非正常磨损失效。这是因为模具在局部高压力作用下，摩擦热积累较多，从而引起模具的局部温度升高，在温度和压力的作用下，模具工作部位与被加工材料间发生咬合，促使被加工材料“冷焊”到模具表面，或模具材料“冷焊”到加工材料表面，引起产品或模具的表面形状和尺寸发生突变，或者在加工产品的表面出现深划痕等严重缺陷，导致模具不能加工出合格产品而产生失效。

③变形失效。变形失效指模具发生永久变形，造成模具失效破坏，如凸模镦粗、弯曲、凹模型腔下沉塌陷、棱角堆塌、模孔胀大等。造成冷作模具变形失效的原因有：挤压变形量太大，挤压力超过了模具的屈服强度；模具的抗压强度不够而镦粗；抗弯强度不够而弯曲；硬度和屈服强度不够导致永久变形；凸模的长度和直径比大，使得凸模不稳定。

④疲劳失效。冷作模具的工作周期性突出，疲劳特征明显，一般认为疲劳失效是模具的正常失效。疲劳失效产生的原因是模具在应力应变作用下，微裂纹不断生成、扩大，量变引起质变。例如，在反复的交变应力作用下，模具表面的应力集中部位，以及工作零件的材料缺陷、加工裂纹、表面损伤等局部疵点，都可能出现疲劳裂纹。实际应用中，这些疲劳产生源很多，其断口形状与脆断类似。如果这些问题不能及时发现并加以弥补，就会使模具出现疲劳失效，降低模具寿命。

3.3.2.3　注塑模具的主要失效形式

塑料模具是用于成型塑料制品的模具，根据成型方法的不同，一般可分为注射模、压缩模、压注模、挤出模和气动成型模等。其中以注射模应用最广，通常用于热塑性塑料制件的成型；其次是压缩模和压注模，多用于热固性塑料制品的成型；另外，挤出模主要用于生产热塑性塑料的型材，气动成型模主要用于生产中空塑料容器。

塑料模的服役条件如下。塑料模一般有凸模、凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等，这些零部件构成了塑料模的型腔，用来成型塑料制品的各种表面，它们直接与塑料相接触，经受其压力、温度、摩擦和腐蚀等作用。塑料模按成型固化不同分为热固性成型塑料模和热塑性成型塑料模两类。

①热固性塑料模的工作温度为150～250℃，工作压力为2000～8000MPa，物料以固体粉末状态或预制坯料状态进入模具型腔，受力大、易磨损、受热、有时有腐蚀。热固性塑料模可压制各种胶木粉，一般含有大量的固体填料，多以粉末状态直接放入模具型腔，经过热压成型，受力大，磨损较严重。

②热塑性塑料模的工作温度为150～250℃，工作压力为3000～6000MPa，物料以黏流状态进入模具型腔。受热、受压、受磨损、有时有腐蚀，但不严重。一般不含有固体填料，多以软化状态注入到模具型腔。当含有玻璃纤维填料时，对模具型腔的磨损较大。塑料模具在服役过程中，可产生磨损失效、腐蚀失效、塑性变形失效、断裂失效、疲劳失效及热疲劳失效等。热固性塑料模具在工作时，塑料呈固态粉末状态或预制坯料状态，加入型腔后在一定的温度下经热压成型。模具受力大并伴随有一定的冲击力作用，摩擦力较大，热机械载荷及磨损较严重。当塑料中含有较硬的固体填料，如硅砂、钛白粉、玻璃纤维等时，对模具的磨损程度将更大。

热塑性塑料模具是在塑料呈黏流状态下，通过注射、挤压等方式进入型腔加工成型的模具。模具的塑性变形抗力小，受热、受压、受磨损不严重；但当在塑料中加入固体填料，如石英砂、玻璃纤维等时，磨损量会有所增加；若使用模具加工某些含有氯原子或氟原子的塑料，由于塑料受热会产生少量的热分解，所形成的HCl、HF等气体会对模具的型腔表面产生腐蚀作用，从而使模具产生失效。

由于模具的机械载荷和热载荷的交替循环作用，会产生疲劳裂纹，而出现疲劳断裂失效。一般来说，压缩模受力较大，易产生疲劳裂纹，而注射模的温度变化较急剧，易产生热疲劳裂纹。

3.3.3　模具的失效机理分析

实际生产中使用的模具种类繁多，工作状态差别很大，损伤形式和损伤部位各不相同，而失效机理也有差别。

（1）磨损失效。由于模具表面的相对运动，而从模具的接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损。模具在工作中会与坯料的成形表面相接触，产生相对运动而造成磨损，当这种磨损使模具的尺寸发生变化或使模具表面的状态发生改变而使其不能正常工作时，则称为磨损失效。

磨损有很多种类型，按磨损机理不同可分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损等。

①磨粒磨损。工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。

当磨粒与工件和模具表面相接触时，作用在磨粒上的作用力可分为与模具表面平行和垂直的两个分力，垂直分力使磨粒压入金属表面，平行分力使磨粒与金属表面产生相对切向运动，从而构成了一个完整的磨粒磨损过程。影响磨粒磨损的因素主要有磨粒的形状和大小、磨粒硬度与模具材料硬度的比值、模具与工伴的表面压力、工件厚度等。磨粒的外形越尖，则磨损量越大；磨粒的尺寸越大，模具的磨损量越大，但当磨粒的尺寸达到一定数值后，磨损量则会稳定在一定的范围内；磨粒硬度与模具材料硬度的比值小于1时，磨损量较小，比值增加到1以上时，磨损量急剧增加，而后逐渐保持在一定的范围内；随着模具与工件表面压力的增加，磨损量会不断增加，当压力达到一定数值后，由于磨粒的尖角变钝而使磨损量的增加得以减缓；工件厚度越大，磨粒嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。

通过上面的分析可知，提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，有利于减少模具的磨损量；对模具进行表面耐磨处理可以在保证模具具有一定韧性的条件下，提高其耐磨损性能；在模具的使用过程中，及时清理模具和工件表面上的磨粒，可以减少磨粒侵入的概率，能有效地减少模具的磨损。

②黏着磨损。由于模具与工件表面的凸凹不平，使其在相对运动中造成黏着点发生断裂而使模具材料产生剥落的现象称为黏着磨损。

由于模具和工件表面存在一定的不平度，其中只有少数微观凸起的部分相接触，峰顶承受的压力很大（有时会高达5000MPa），因而导致模具局部表面的塑性变形，并且由于塑性变形和摩擦而产生很高的热量，破坏了模具材料表层的润滑膜和氧化膜，造成新鲜模具材料表面的暴露，而与工件材料产生原子之间的相互吸引和相互渗透，造成材料之间的局部黏着。随着模具和工件之间相对运动的进行和接触部分的迅速冷却，峰顶金属相当于进行局部淬火处理，黏着部分的金属强度与硬度迅速提高，形成淬火裂纹，并在运动中造成撕裂和最后剥落，形成黏着磨损。

影响黏着磨损的主要因素有材料性质、材料硬度、表面压力等。根据金属的强度理论可知，塑性材料的破坏取决于切应力，脆性材料的破坏取决于正应力，而在表面接触中，最大正应力作用在表面上，最大切应力出现在离表面一定深度处。因而可知，材料的塑性越高，则黏着磨损越严重。相同的金属或者互溶性大的金属形成摩擦副时，黏着效应明显，易产生黏着磨损。从材料的组织结构来看，具有多相组织的金属材料，由于其强化效果而比单相金属材料具有更高的抗黏着磨损能力。模具材料与工件材料的硬度越接近，磨损越严重。随着表面压力的增大，黏着磨损量将不断增加，但达到某一范围后会逐渐趋缓。

通过以上讨论可知，选择与工件材料互溶性小的模具材料，可减少两种材料之间的溶解性，降低黏着磨损量；合理选用润滑剂，形成润滑油膜，可以防止或减少两金属表面的直接接触，有效地提高其抗黏着磨损能力；采用多种表面热处理方法，改变金属摩擦表面的互溶性质和组织结构，尽量避免同种类金属相互摩擦，可降低黏着磨损。

③疲劳磨损。在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生的表层金属疲劳剥落的现象称为疲劳磨损。在模具和工件的相对运动中，会承受一定的作用力，模具的表面和亚表面存在多变的接触压力和切应力，这些应力反复作用一定的周期后，模具表面就会产生局部的塑性变形和冷加工硬化现象。在那些相对薄弱的地方，会由于应力集中而形成裂纹源，并在外力的作用下扩展，当裂纹扩展到金属表面或与纵向裂纹相交时，便形成磨损剥落。

影响疲劳磨损的因素主要有材料的冶金质量、材料硬度、表面粗糙度等。钢中的气体含量，非金属夹杂物的类型、大小、形状和分布等是影响疲劳磨损的重要因素，特别是脆性较大和带有棱角的非金属夹杂物的存在，破坏了基体的连续性，在循环应力的作用下，会在夹杂物的尖角处形成应力集中，并因塑性变形引起冷加工硬化形成疲劳裂纹。材料硬度的影响比较特殊，一般情况下硬度提高，可以增加模具表面的抗疲劳能力，但硬度过高时又会加快疲劳裂纹的扩展，加速疲劳磨损。材料的表面粗糙，会使接触应力作用在较小的面积上，形成很大的接触应力，加速疲劳磨损，因此降低模具表面粗糙度值可以提高模具的抗磨损能力。

为了更好地提高模具的抗疲劳能力，应选择合适的润滑剂，用以润滑模具与工件的表面，避免或减少模具与工件材料之间的直接接触，降低接触应力，减少疲劳磨损量。其次，可以在常温状态下，通过对模具表面进行喷丸、滚压等处理，使模具的工作表面因受压变形而产生一定的残余压应力，有利于提高模具的抗疲劳磨损的能力。

④其他磨损。除上述几种主要的磨损形式外，还有气蚀磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损等。

当模具材料与工件材料在一定的环境中产生摩擦时，金属材料便与环境介质产生化学或电化学反应，并形成反应物。在随后的模具与工件之间的相对运动中被磨掉，即形成了腐蚀磨损。

（2）断裂失效。模具在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。模具断裂通常表现为产生局部碎块或整个模具断成几个部分。对于模具来说，断裂是最严重的失效形式。断裂失效有很多种分类方法，按照断裂的性质可分为脆性断裂和韧性断裂；按照断裂路径可分为沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂；按照断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂等。

由于模具材料多为中、高强度钢，塑性相对较差，断裂时没有或仅有少量的塑性变形发生，因而经常表现为脆性断裂。

①一次性断裂　模具在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂称为一次性断裂。一次性断裂的断口呈结晶状，根据裂纹扩展路径的走向不同，可将其分为沿晶断裂和穿晶断裂两种。

一般来说，晶界强度与晶内强度都随温度发生变化。材料温度高于等强温度时易产生沿晶断裂，材料温度低于等强温度时易产生穿晶断裂。

应该指出，材料温度较高时，原子的能量高、活动能力强，位错源容易被启动而释放位错。因此，位错堆积后产生的应力集中，易被临近位错源的启动而松弛或抵消，不易产生穿晶裂纹。在低温下，原子的能量低、活动能力弱，位错堆积后产生的应力集中，难以通过临近位错源的启动而松弛或抵消，易形成穿晶断裂。

②疲劳断裂　疲劳断裂是指在较低的循环载荷作用下，工作一段时间后，由裂纹缓慢扩展，最后发生断裂的现象。疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成，模具的疲劳裂纹萌生于外表面或次表面，但其形成方式各有不同。当模具内部受力不均时，就会在局部范围内出现较大的应力集中，在循环载荷的作用下，裂纹便会在应力集中处最先出现，而在裂纹的前沿形成尖锐的缺口，造成新的应力集中区，并在以后的模具工作过程中，使裂纹不断扩展直到模具发生破坏。

影响模具断裂失效的因素主要是模具结构和模具材料。一方面，由于模具成形结构工艺性的要求，在模具零件上会存在截面突变、凹槽、尖角、圆角半径等，正是这些部位容易产生应力集中，形成裂纹并导致断裂失效，所以，适当增大模具零件中的圆角半径、减小凹模深度、减少尖角数量、尽量避免截面突变等，均能减少模具零件中的应力集中，降低断裂失效倾向。另一方面，模具材料的冶金质量和加工质量也对模具的断裂失效有较大影响，模具材料的断裂韧度越高，则越有利于防止裂纹的萌生及扩展，从而减少模具的断裂失效。

（3）塑性变形失效。模具在使用过程中由于发生塑性变形而不能通过修复继续服役的现象称为塑性变形失效。塑性变形失效的主要形式有塌陷、镦粗、弯曲等。

模具在工作时一般要承受很大的不均匀应力，当模具的某些部位所承受的应力超过工作温度下模具材料的屈服强度时，就会产生塑性变形而造成模具的失效。在不同温度下工作的模具是否会产生塑性变形失效，主要取决于不同温度下模具材料的强度。在室温下工作的模具是否会产生塑性变形失效，主要取决于模具的载荷与室温屈服强度；而在高温下工作的模具是否会产生塑性变形失效，主要取决于模具的工作温度和模具材料的高温强度。

由于模具的受力复杂，工作条件苛刻，在使用过程中可能同时出现多种损伤形式，各种损伤交互作用，最后形成了一种主要的失效形式。例如，磨损沟痕可能成为裂纹的发源地，由磨损形成的裂纹在应力作用下发生扩展就会产生断裂；模具产生局部磨损后，便会使其承载能力下降，将造成另一部分承受过大的应力而产生塑性变形；局部塑性变形会改变模具零件之间的正常配合关系，均匀的承载状况被打破，将会造成模具的不均匀磨损，也可能由于应力集中的出现而产生裂纹，造成模具的过早断裂。

3.4　模具寿命及其影响因素

模具正常失效前生产出来的合格产品的数目称为模具的正常使用寿命，简称模具寿命。模具首次修复前生产出的合格产品的数目称为模具的首次寿命；模具一次修复后到下一次修复前生产出的合格产品的数目称为模具的修模寿命。模具寿命是模具的首次寿命与各次修模寿命的总和。

模具寿命与模具材料类型、设计与制造过程、模具结构以及模具的服役条件、安装使用与维护等一系列因素有关，模具寿命是一定时期内模具材料性能、模具设计与制造水平、模具的热处理技术以及模具维护水平的综合反映。要提高模具的使用寿命，就要从改善这些条件的相应措施出发，研究模具使用寿命的影响因素。

（1）模具材料与模具寿命。为了提高生产效率，提高毛坯精度和材料利用率，采用和发展少、无切削新工艺、新设备，对模具提出了向精密、多型腔、高寿命方向发展的要求。模具寿命的提高，最根本的办法是采用高性能的模具材料。尽管影响模具寿命的因素是多方面的，但模具材料的选用是一个很重要的因素。

模具材料对模具使用寿命的影响主要体现在模具材料的类别、组织结构、力学性能、冶金质量等因素的综合影响上，其中，模具材料类别的影响最为明显。

①材料的类别　模具材料的类别对模具的使用性能影响很大，如选择同一种工件，采用不同的模具材料，经过正常的热处理工艺操作后进行弯曲试验。例如，某冲裁模选用9Mn2V钢时，模具的使用寿命为5万余次；选用Cr12MoV钢时，其使用寿命可达到40多万次。

20世纪60年代以来，我国研制出不少适合我国特点的新型高效模具钢，如热作模具钢中的3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、4CrMnSiMoV、4Cr2NiMoV、5Cr4Mo3SiMnVAl等，冷作模具中的65Cr4W3Mo2VNb、7Cr7Mo3V2Si、7CrSiMnMoV、6CrNiMnSiMoV等新钢种的采用，均获得提高模具寿命数倍的效果。如冷作模具钢选用65Cr4W3Mo2VNb（65Nb）代替T10、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2等制作多工位冷镦机用的内六角凸模、十字槽光凸模、螺栓切边模、冷镦螺栓顶模、钢板弹簧冲孔凸模、螺栓压角凸凹模、螺栓平圆头冲模、圆环冷冲模等；热作模具钢选用3Cr3Mo3W2V（HMI）代替3Cr2W8V钢等制作轴承套圈的热冲压凸模和凹模、连杆辊锻成形模、小型机锻模等都显著提高了模具寿命。

因此，对于模具材料的选择，应根据成形件的批量大小、精度要求、加工温度、尺寸因素等综合考虑，合理进行模具材料的选用。

②硬度　模具零件的硬度高低对模具的使用寿命影响很大，但并不是硬度越高，模具的使用寿命越高。如采用T10钢制作硅钢片冲裁模，硬度为53～56（HRC）时，只冲几千次，模具便产生磨损，冲裁件上的冲裁毛刺就已经很大；若将硬度提高到60～63（HRC），则刃模寿命可达2万～3万次；但如果继续提高硬度，则会使模具出现早期断裂。

对于采用Cr12MoV钢生产的六角螺母冷镦凸模，硬度为56～60（HRC）时，模具的使用寿命只有2万～3万件，即出现崩裂失效：但若将硬度降低到50～56（HRC），则模具的使用寿命可提高到6万～8万件。所以，模具的硬度范围应根据其具体的工作条件及主要失效形式进行综合确定。

③冶金质量　模具材料的冶金质量也对模具寿命产生较大的影响，特别是高碳高合金钢，冶金缺陷多往往容易造成淬火开裂或模具的早期破坏。钢中的非金属夹杂物、中心疏松、白点、成分偏析、碳化物大小、形状及分布不理想，均能降低钢的强韧性及疲劳抗力，从而降低模具使用寿命。因此，对模具钢的冶金质量要提出相应要求，并按标准进行原材料进厂检验，检验合格后方可进行改锻或加工。否则，因材料问题严重影响模具寿命，会使整个加工制造工序前功尽弃，造成相当大的损失。

采用先进的冶金生产技术如电渣重熔、炉外精炼、真空脱气等都可明显提高模具钢冶金质量及模具寿命。因此，提高模具材料的冶金质量也是提高模具使用寿命的重要手段。

④热处理工艺　模具的热处理工艺是否得当，决定着模具热处理后的组织状态和性能。处理不当或工艺参数选择不正确，都可能造成模具的过早失效。所以说应该根据模具的具体工作条件和性能要求，正确选择热处理工艺参数，获得均匀的符合模具具体性能要求的组织结构，切实提高模具的使用寿命。同时，注意采用新的热处理工艺，充分挖掘现有材料的应用潜力，有助于提高模具的使用寿命。

虽然采用上述各项措施能够提高模具的使用性能和模具的使用寿命，但提高的幅度还是十分有限的。随着科技的发展，特别是模具加工工艺的进步，越来越趋向于高温、高压、高速、重载，模具的服役条件越加苛刻。因此，要大幅度提高模具的使用寿命，必须不断研制、开发和应用新的模具材料。

（2）热加工及热处理工艺与模具寿命

①热加工工艺对模具的影响。模具加工制造工艺，特别是锻造工艺对模具的失效影响也极大。合理的锻造工艺，可以使大块状碳化物破碎，使之细小均匀分布，但若锻造工艺不合理，则达不到打碎晶粒、改善方向性、提高钢的致密度等目的，甚至引发锻造裂纹等缺陷。因此，对锻造加热温度的控制、加热时间的控制、锻后冷却速度的控制均应严格掌握。锻后退火目的是为了去除锻后应力。退火是否充分对模具钢的断裂抗力影响也很大，需要对退火工艺予以足够重视；模具的切削加工应严格保证尺寸过渡处的圆角半径，圆弧与直线相接处应光滑，工作部位严禁留有刀痕，保证工作部位光滑无痕。如出现尖角或表面粗糙，留有刀痕，将容易在刀痕或尖角处萌发疲劳裂纹，造成模具疲劳失效；不正当的磨削工艺如进给量过大、冷却不足等容易烧伤模具表面或产生磨削裂纹，降低模具的疲劳强度和断裂抗力；模具电加工（包括线切割及电火花成形）能使模具表面产生拉应力及显微裂纹，也易导致模具早期开裂和表面剥落。有时因模块中的内应力，特别是淬火硬化模块的内应力很高，电加工前未采取措施降低内应力，则在电加工进程中由于应力重新分布，易导致模具变形或开裂。

目前我国模块标准化程度很低，钢材规格也很少，用户需将所购进的圆钢改锻成所需的模具毛坯，因此，锻造的首要目的是使钢材达到模具毛坯的尺寸及规格，为后续加工做好准备。

改锻的第二个目的是改善模具钢的组织和性能，如使大块碳化物破碎，获得均匀分布状态；改善模具金属纤维的方向性，使流线合理分布；消除或减轻冶金缺陷如焊合气孔、提高钢的致密度等。

从冶金厂购进的钢材首先要检验共晶碳化物的不均匀度，如果碳化物不均匀度级别大于3级，则钢材力学性能下降；如果未经充分改锻，则因组织不均匀而造成组织应力，热处理时易发生变形及开裂。因此，对这类钢材最好采取多向多次镦拔，以便尽量击碎碳化物和改善锻件金属纤维方向性。

模具钢含碳量及合金元素含量均较高，导热性差，特别是高碳高合金钢锻造温度范围较窄，如操作不当极易锻裂。因此，模具钢要有严格合理的锻造工艺。首先，加热速度不能太快，加热要均匀，注意钢料在炉中的位置要适当，有时加热还要翻转棒料，以使其受热均匀。加热温度不能过高，要防止过热和过烧。锻打时要轻重掌握适度，打击力过大，变形量太大，易产生裂纹。停锻后的冷却速度也很重要，冷却过快也易开裂。因此，如果锻造工艺不合理，不仅达不到改善模具钢质量和提高其性能的目的，甚至会造成锻造缺陷而恶化钢材质量。

因改锻工艺的改进而提高模具寿命的实例很多，如某配件厂的冷冲模材质为Cr12，毛坯尺寸ф90mm，共晶碳化物大于5级，不经改锻，由轧材直接车削加工，使用寿命仅数件至数十件，最高达3000件，均以崩刃、纵向开裂或碎裂而失效；后改用ф60mm棒料，经镦粗锻制成ф90mm，共晶碳化物为3～4级，分布也较均匀，制成模具后，使用寿命达8000件以上。

②热处理对模具寿命的影响。模具热处理包括预备热处理，如正火、高温回火、球化退火、调质处理等。也包括最终热处理，如淬火、回火、表面强化处理等。模具通过热处理从而获得所需的组织和性能，保证在正常服役条件下能具有一定的使用寿命。但是，如果热处理工艺不合理或操作不当，将会产生明显缺陷，如变形、开裂或严重影响到模具钢的组织状态，引起模具早期失效，缩短模具寿命。

预备热处理主要目的是为模具最终热处理做组织准备。热处理关键是加热温度的选择（保证碳化物充分溶解或合金元素充分固溶），冷却速度或等温温度的选择（保证所析出的碳化物均匀分布，能获得合适的切削硬度）。

最终热处理的关键是淬火工艺的制定。淬火加热温度过高会引起钢中晶粒长大，从而使冲击韧度下降，导致模具开裂及脆断，特别是对承受巨大冲击载荷的锻模及冷作模具更应严格控制钢的晶粒度不使其长大。如果淬火温度太低，则不能保证有足够的合金元素固溶于基体之中，就会降低钢的高温强度、组织稳定性及冷热疲劳抗力，使模具容易产生塑性变形或压塌等早期失效。淬火冷却速度也要严格掌握，如果冷却过快或油温过低均容易出现淬火裂纹，这将会严重缩短疲劳寿命，甚至引发早期断裂。淬火时的保护或盐浴炉脱氧也很重要，如果不当，将引起表面脱碳。脱碳层强度低、耐磨性差、易产生微裂纹，如未经去除，则会降低模具耐磨性及疲劳抗力。

最终热处理中的回火也是重要工序，首先模具回火要充分，高合金模具一般要求回火两次以上，这是因为钢中的残留奥氏体是在回火冷却过程中转变为回火马氏体，经两次以上回火可以使残留奥氏体充分转变。否则，将在模具中残留较大的淬火应力、降低模具韧性容易发生早期断裂。为缩短工时、提高设备利用率，回火时间可适当缩短些。

具体热处理工艺的制定要依据模具类型及对模具的性能要求而定。如淬透性很高的火焰淬火模具钢，退火冷却制度相当重要，稍不注意就可能硬度偏高而难以加工。如果冷速过快，还可能产生裂纹。对应用于压力机上的较高合金含量的机锻模与用于锻锤上的锤锻模相比，因机锻模具经受冲击力较小，与热工件接触时间较长，这就要求高温强度高而冲击韧度可低于锤锻模。在制定淬火工艺时，则可采用较高的温度淬火，以保证有足够的合金元素固溶于基体之中，以提高钢的高温强度、组织稳定性和冷热疲劳抗力。

对于高精度、高合金钢制造的模具，为提高硬度及尺寸稳定性，在淬火后可采用-80～-40℃或-180℃的深冷处理，处理时间为30～120min。为减少深冷处理的内应力，应分级冷却。深冷处理后，温度也应分级回升到室温，并立即进行回火。

对于精密模具及性能要求高的模具，可以采用真空加热或保护气氛加热。特别是真空热处理，可确保无表面缺陷，能脱除部分有害杂质，提高硬度，显著提高模具的强韧性及使用寿命。如Cr12MoV钢制造的录音机机芯冷冲模，常规热处理平均便用寿命10万次，采用调质和真空热处理，使模具寿命提高到25万次，接近日本同类模具的寿命水平。

为了提高模具使用寿命，还可采用一些表面强化技术，特别是化学热处理技术，如渗硼、渗硫、渗氮、气体及液体氮碳共渗、化学气相沉积、物理气相沉积、表面涂覆、刷镀等，在提高模具使用寿命上均有显著效果。

（3）模具的设计及制造与模具寿命。模具结构包括模具几何形状、模具间隙、冲头模具的长径比、端面倾斜角、过渡角大小、热作模具中开设冷却水路、装配结构等。模具结构的合理性对模具的承载能力和受力状态都有很大的影响，合理的模具结构能使其在工作时受力均匀，应力集中小；不合理的模具结构可能引起严重的应力集中和工作温度升高，导致模具的过早失效，降低其使用寿命。由于模具的种类繁多，服役条件各不相同，对模具结构的要求也不相同，下面仅从几个共性的方面加以讨论。

①模具型腔过渡圆角半径的影响　模具型腔大多含有过渡圆角，过渡圆角的合理性对模具的使用寿命影响很大。过小的凸圆角半径在板料拉深过程中会增加成形力，在模锻中易形成锻件的折叠缺陷。过小的凹圆角半径会使模具的局部受力情况恶化，在圆径处产生较大的应力集中，易使模具萌生裂纹，导致断裂。相反地，增大圆角半径可使模具受力均匀，不易产生裂纹。

另外，模具非工作部位的凹圆角半径过小，也会在模具的服役过程中产生应力集中，降低模具的抗冲击和抗偏载的能力。

②模具型腔结构的影响　冷挤压模、冷镦模、热锻模等，一般所受应力较大，冲击力较高。若采用整体式结构的模具，则不可避免地会存在凹圆角半径，这很容易造成模具工作部位的应力集中，并引起模具的局部开裂或模具的整体开裂。而采用组合式结构的模具，则可避免出现模具型腔的开裂现象。

采用整体式结构会在凹模的应力集中处形成裂纹；而采用组合式结构模具后，可降低模具的表面拉应力，避免出现应力集中，可有效地防止模具开裂现象的出现。

采用组合式结构模具时，可根据具体的服役条件，给模具的不同组成模块选用不同的模具材料，既便于机械加工，又便于模具零件的更换，能有效地提高模具的使用寿命。对于小间隙或无间隙的大、中型型腔模具（如冲裁模等），可采用导向装置对模具中的零件进行定位，以保证模具各部分之间的精度，增加模具的抗弯曲和抗偏载的能力，避免模具出现不均匀的磨损。

③模具工作部位角度的影响模具工作部位的角度对成形过程中金属坯料的流动及成形力都会产生很大的影响。

锤锻模、压铸模、塑料模等型腔模具的拨模斜度对制件的脱模及模腔底部圆角处的应力状态也有直接地影响，设计模具时要给予考虑。

3.5　模具材料延寿技术在制造工程领域的应用现状

3.5.1　模具材料质量的控制

提升检测手段，完善检测标准，才能满足高端模具产品要求。

国家标准应尽量向国际标准靠拢，同时，模具钢主要生产厂应制订比国家更高的企业标准或“内控标准”，对不同种类的模具钢应区别检验，可参照国外相关模具厂商的检验标准。

根据需方要求，对合金工具钢可增加非金属夹杂、晶粒度、淬透性等项目的检验，具体试验方法、试样个数、评级标准、合格级别等均按供需双方协议执行。

3.5.2　模具材料的合理选材及使用

模具的种类繁多，它们的服役条件也有很大差别。因此选用模具钢应根据具体工作条件、失效形式及对模具钢提出的抗力指标要求和所使用的模具材料本身具有的使用特性来抉择。应按各类模具的抗力指标体系和抗力指标要求来评述与确定相应模具的选材。此外，无论对机械零件或模具构件最薄弱环节的实际有效能即抵抗失效的能力，由于材料的内因和服役条件外因的影响，往往不一定与标准试样在特定条件下测得的数据一致，所以除了测定材料的常规性能外，还必须根据并模拟实际模具工况条件进行有关使用特性的研究工作。

（1）模具钢性能及失效抗力评价体系。长期以来，评价热作模具的性能时，主要沿用室温和高温条件下的硬度、强度和冲击韧性分别表征材料的耐磨性、变形抗力、静载断裂和冲击抗裂的能力。但从热作模具的失效形式来看，许多模具都存在热疲劳、机械疲劳破坏。它要求材料必须具有热疲劳抗力、低的热疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性以及其他相关特性。

根据对各种模具材料的各项性能进行实测所得的性能指标数据，结合对不同类型模具的失效分析和各类模具实际寿命对比考核结果，得到不同类型模具应具备的各种主要抗力指标及其与材料性能间的关系。为了便于各钢种之间的相互比较，人为地把各种性能均分为A、B、C、D四个级别，见表2-3-9～表2-3-11，且规定了各类各级别的数值范围（在确定中），作为模具钢性能优劣和正确选材的依据。

失效抗力指标体系及抗力指标是建立在大量失效分析、试验，确定失效抗力评价体系、弄清各类模具实际抗力要求、结合数以万计的材料性能测试和模具寿命的考核结果，再经综合分析试验结果得出的对每类模具设计和选材时提出的具体指标要求，已确保模具的可靠性和使用寿命。显然，这对变革模具选材的传统习惯，使热作模具选材向科学化、量值化转变提供了范例，奠定了基础。

（2）数字化专家选材系统

①在建立失效抗力指标体系的基础上，通过利用计算机辅助管理功能，综合众多专家在长期实践中总结出来的选材经验并加以提炼和完善，建立了模具钢材料数字化选材系统。使模具材料的选材方式由传统的经验式选材向科学数字化选材方式转变，模具材料的选材更加合理，避免了选材过程中的人为错误。

②系统包括了上百种模具材料属性数据的归纳、整理入库，并利用计算机的辅助功能建立了基于数据查询、模具性能比较、模具材料决策推选等众多的功能模块，对模具材料的选材有着指导性的意义，可对热作模具、冷作模具及塑料模具进行专家选材，应用范围广。

3.5.3　先进制造加工技术的应用

模具今后的发展方向之一就是大力发展结构复杂、精度高、技术含量高的高档模具，包括多工位自动化模具、级进模、多功能模具以及热成形模具等新型模具，这些类型模具的需求量将会越来越大。同时，针对具有复杂型腔、要求高加工精度的模具，复合加工、精细电加工及化学机械抛光技术在模具加工过程中的应用也必将得到快速发展。

（1）粗加工向高速加工发展，主要以高速铣削加工为代表。高速铣削机床（HSM）主要用于大、中型模具加工，如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料模等曲面加工。

（2）成形表面的加工向精密、自动化发展。实现从测量实物-建立数学模型-输出工程图纸模具制造全过程，成功实现了逆向工程技术的开发和应用。

（3）光整加工向自动化发展。

（4）快速成形加工模具技术将得到发展。

低熔点合金模、精铸模、层叠模、环氧树脂模等一些快速经济型模具将进一步得到应用，适合于多品种少批量生产用模。

高速扫描及数字化系统用于逆向工程，扫描系统和加工中心结合，从实物扫描到加工一步完成，可大幅缩短制模周期。适合仿造零件和模具的加工，不需要图纸，直接用实物就能加工。

（5）模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展。

（6）模具检测、加工设备向精密、高效和多功能方向发展。

一模多腔、大型多工位级进模、大型复合模等高效模具的使用越来越广泛。超精加工和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到发展。在多工位级进模上开发多功能复合模，如将冲压、叠片攻螺纹、铆接等工序复合在一副模具中的电机铁芯组件多功能复合模，一副模就能生产成批的组件。

3.6　模具材料未来的发展重点

3.6.1　产品发展重点

在塑料模具钢方面，要发展超大规格汽车保险杠预硬化塑料模具钢，单重达到35t的特大型预硬化塑料模具钢模块产品，替代进口；开发厚度≥400mm的大规格沉淀硬化型超镜面塑料模具钢模块；开发新型耐腐蚀塑料模具钢，满足特种塑料（含氟、氯等）对模具钢的耐腐蚀性能的高要求。

在热作模具钢方面，要开发具有自主知识产权的新型低成本、高寿命热作模具钢，开发超纯净、组织均匀的热作模具钢，极低的S、P含量及超细化组织，添加具有红硬性作用的合金元素提高模具在高温下的硬度，提高热压铸模具和热挤压模具的使用寿命。

在冷作模具钢方面，要针对汽车高强度钢板（抗拉强度>800MPa）冷冲压成型的模具材料及表面处理技术工艺。开发低合金高强度、高耐磨性、高韧性的冷作模具钢。通过降低碳含量及合金元素总量提高韧性和耐磨性。

另针对相关行业需求，发展新型快速经济模具、多功能复合模具、模具标准件（模架、导向件、推管推杆、弹性元件、热流道元件）等。

3.6.2　技术发展重点

（1）研发特种模具技术——满足个性化模具质量需求。合金工模具钢品种规格多样化、精料化和制品化。模具厂可以根据需要采购标准模块，对模具的型腔和刃部进行精加工、组装。

热作模具钢——开发长寿命压铸模具用钢、长寿命热锻模具用钢，长寿命铜合金挤压模具用钢，大型薄壁精密复杂压铸模和镁合金压铸模具用钢、大型汽车覆盖件模具用钢；关键技术为高热稳定性及高韧性。

塑料模具钢——开发超大规格高硬度均匀性的预硬型塑料模具钢；开发大型非调质塑料模具钢（环境友好，节能减排）；开发耐蚀高抛光塑料模具钢（高等级）。

冷作模具钢——开发耐磨性及韧性俱佳的冷作模具钢，如精密冲压模具用钢。

（2）研发高端模具技术——满足高品质、高附加值需求，摆脱进口依赖。研究采用大型模具用钢组织与缺陷控制机理、多元多合金化复杂体系中合金化元素的交互作用机制，建立激冷凝固条件下高致密度、高均匀度、低偏析的“多元多相”强化组织形成理论与调控技术；研究热-力耦合作用下固相扩散诱发的合金微结构演变动力学，准确调控晶间和晶内组织；建立满足工业应用要求的高端模具钢的一体化制备技术体系。如大型多元多合金易偏析模具钢，精密控制成形技术研究。

（3）组织结构控制的精确控制——实现“经济纯净度”及高“等向性”，满足模具抛光及长寿命等要求。从材料共性基础技术入手，分析高端模具钢不同析出相类型、析出顺序、形核、长大、分布以及与制备工艺参量间的关系，研究提出纳米析出相与材料凝固变形加工和热处理过程交互影响机理的精确控制，及其在失效过程中的组织转变机制，研究提高高端模具钢使用性能和使用寿命的措施，如模具钢组织转变控制机理研究。

（4）热处理及表面处理等新工艺、新技术。利用辐射损伤强化、晶粒细化强化、非晶强化等机理，通过离子注入方式，实现显著提高模具钢表面硬度、耐磨性、耐疲劳性和抗氧化性等性能。如模具钢表面离子束纳米化复合镀层技术。

通过研究，实现对高温固溶、正火、球化退火等工艺流程的精确控制，达到消除模具钢偏析、网状碳化物、组织粗大等缺陷目的。如精确热处理控制技术。

（5）提升检测手段，完善检测标准——满足高端模具产品要求。国家标准应尽量向国际标准靠拢，同时，模具钢主要生产厂应制订比国家更高的企业标准或“内控标准”，对不同种类的模具钢应区别检验，可参照国外相关模具厂商的检验标准。

（6）提升制备手段，完善工艺流程——满足模具质量、规格要求

冶炼装备——真空精炼+真空浇注，降低钢中气体含量。同时亦可采用加压电渣炉，开发高氮模具钢。

热加工装备——大吨位锻压机（4000t以上吨位压机），满足超大规格模具钢需求。

热处理设备——喷淬装置，满足高合金模具钢预硬化处理需求。