美国模具工业用材分析

潘多拉

美国按模具服役条件将模具钢分为三大类，美国金属学会工具钢委员会列出了：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。其中，冷作模具钢又分出12小类，热作模具钢9小类，塑料模具钢2小类。每个小类的选材又取决于三个主要因素：(1)尺寸大小和形状的复杂性；(2)被加工的材料；(3)耐久性要求或设计寿命。

: [& I% a" G' |& c/ o7 }1. 冷作模具钢的分类

冷作模具钢分为五组：W组、O组、A组、D组、S组。
8 O6 b5 a- Y" @6 Q
1 t2 Z. B% f9 j3 v5 d4 ?W组即水淬工具钢，有11个钢种，7个碳素工具钢，含碳量从0.7%-1.3%。
O组即油淬冷作模具钢（俗称油钢），有4个钢种，含碳量在0.85-1.55%。
$ e( R* W" \- _) v7 NA组即空淬中合金冷作模具钢，有9个钢种，含碳量从0.5-2.25%。
7 w  g1 s3 y: x1 D4 SD组即高碳高铬冷作模具钢，有7个钢种，含碳量0.9%-2.5%。
1 o+ ~! V" O8 p4 l0 _9 W" AS组即耐冲击工具钢，有7个钢种，含碳量0.4-0.6%。
# M9 b9 x$ y2 ]1 _5 w8 y
用于冷作模具还有高速钢（HSS组）和超高速钢（SHSS组），钴基硬质合金和钢结硬质合金（HA组），粉末钢和工程陶瓷（PIM组），碳钨工具钢（F组），特殊用途工具钢（L组）。
5 r* M. {$ D* ?  {# m; H, Q
2. 冷作模具钢的选用
7 }' |# O  ~/ N2 t  n
冷作模具钢的主系列是高硬冷作类，主要用于要求高抗压和耐磨为主的模具，硬度高于HRC60-62。对于要求耐冲击、韧性高的模具，硬度低于HRC60-62，主要用S类和部分A类和最普通的调质钢、弹簧钢、热作模具或基体钢。对于大型冲压模，如汽车外型冲压件，主要用铸铁类。简易或寿命数量少的用锌基合金或高分子复合材料。

# f) p4 d/ L. C) m- O$ c高速钢和超高速钢在冷作模具中的应用迅速增长。主要是有高的“抗压强度／硬度”比值。且硬度可在HRC60-70之间选择。
9 b9 K# N: n' _  o( H# f1 q粉末模具钢有优良的耐磨寿命，硬度不大于HRC60-62，应用相当多。
碳素工具钢在寿命10万件的冲头或软材料冲压模仍有一定的应用范围。

+ a( ]! u7 b1 l* ^, @" T3. 热作模具钢的分类

( E- c9 }" K1 s2 B: k& ^美国热作模具钢分二大类：热作模具钢和超级热强合金。
+ Q# [& e: e  M* i) \1 \
热作模具钢的选用
  E" `+ F6 E8 `2 [6 C+ B8 U  G
热作模具由于在有温度的条件下工作，要求材料具有热强性和热耐磨性，为了保证模具的使用寿命模具要冷却，热冷交替模具会出现龟裂，即热疲劳裂纹，所以材料又要求有抗裂纹能力和抗热疲劳性能。
) U4 v8 E8 Y' s7 S* p4 W3 r( g. w  i
按热强性排列的主系列进行选材：

* t: y# h% K- j- w: ~/ C! R+ X低合金调质模具钢（6G，6F2，6F3）—中铬热作模具钢（H11、H12、H13)—钨热作模具钢(H21、H22)。
3 Z) J) q/ p% r2 {
非标准的热作模具钢：例如热镦锻模具用时效硬化型的6H4。使用H11、H12、H13出现了不能满足热耐磨性时，可以选择6H1、6H2。
. V. o) e! P+ l7 \: _* Q/ O" `
当要求模具以热作耐磨性为主时，可以选择D2、D4——M2、M4——粉末钢。钢结硬质合金、钴基硬质合金的高温耐磨性是很高的，但其热疲劳性（即冷热抗疲劳裂纹）很差，不能在急冷急热状态下使用。

4. 塑料模具钢的分类
0 w0 a; Y6 z. D$ Q. B/ u
美国是最早在工具钢中列出塑料模具专用钢的国家，以P来表示为主，共分为五类。

" e" h" a$ P# G( B7 |4 b3 p渗碳型塑料模具钢：P1，P2，P3，P4，P5，P6。这类钢含碳量很低，主要是美国早期及用挤压成型制模法，要求冷塑性好，有高的挤压性能，成型后表面渗碳淬火提高表面硬度，使用寿命长。芯部超低碳可使淬火时变形量最小。

调质型塑料模具：P20，P21。目前塑料模具中P20的用量很大，已成为主体，大多数在预硬状态时使用。
' u/ }9 @. p. x5 U& A
中碳合金工具钢用于热固性塑料模。钢号有H13，而L12和S7，O1和A2也有应用。这一类的特点是：
! c5 j' F- \- q8 ~& P- x
# _. b& P$ o. R- t! p1、基本属二次硬化金钢，500-600℃时的热强性好。
0 l7 t( }% t) a& w0 \2、含铬较高，大气腐蚀性好。
3、淬透性极好，适用于大模块。

1 f. `8 f8 f, y; I6 S不锈钢用于耐蚀性要求高的塑料模，主要钢号有420，414L，440，416。
8 R$ ?' m! A2 x/ p  x  o; P
时效钢是经过时效处理而获得高的使用性能。有两种，一种是P21低碳Ni-A1时效钢；另一类是18Ni马氏体时效钢。后者是用于宇航工业的无碳高纯度、高强度、高韧性的材料。用于力学性能、尺寸精度、光洁度和耐蚀性都要求高的塑料模具中。
  v8 [* S4 f5 G0 p' \/ z2 d' s. n. i
5. 塑料模具钢的选用
6 O5 Y- ~3 w' i
薄壁的塑料箱体，生产批量在小于10万件时，用P20、P21预硬态（HB250-300)，腐蚀性较强时用414L。
) [0 }+ m7 J" i4 S1 \高寿命的普通塑料模，用P6或P20，经渗碳—淬火后硬度在HRC54-58；塑料件不太大时，可用O1、S7。腐蚀性较强时用420。
非高温的热固性模用P6、P20经渗碳淬火后使用。腐蚀性强用420。
高温热固性塑料模用H13和S7或渗碳钢P4。这些含铬较高有好的抗回火性和抗高温氧化性。