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。
4 v% M5 T3 E( d- Z- t8 X. {
8 |4 j- d& c2 d1. 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。

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%。
1 S' q  o% a+ I) P( [A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%。
D组即高碳高铬冷作模具钢，有7个钢种，含碳量0.9%-2.5%。
: ?. w8 s& H) Z$ g+ T" pS组即耐冲击工具钢，有7个钢种，含碳量0.4-0.6%。
# ~9 V: Q6 C- d: G+ 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）。
" Z( f& k4 y. R! c. m, m
1 o6 x5 j! l) y7 D2. 冷作模具钢的选用

- B& a' a9 o: C  }) O9 z$ {; \3 o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。

; Q7 ^/ x0 Z$ ^( i7 R4 C$ t6 `  m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。
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。

3. 热作模具钢的分类
, g1 M% M2 `& y. A9 Y6 E- ~8 _0 w
# U5 |5 f) w1 z  c美国热作模具钢分二大类：热作模具钢和超级热强合金。

热作模具钢的选用

0 U5 P! W; L) j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。

按热强性排列的主系列进行选材：

* {  A  f8 L( h: Z( T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)。
! e4 D4 I% Z0 [' K* g( L  g
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。

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
3 p0 V; @1 o' E; [8 W/ x/ t2 Q
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。

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。

! a( A& X7 I4 N0 m9 H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。
  F" Q8 g* Z2 {
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：
) ]# F7 `3 ^! n: E
, a) O4 }4 }0 ~: S4 u+ S  P1 l" d1、基本属二次硬化金钢，500-600℃时的热强性好。
9 I0 j8 I  n; X1 ~) R, c2、含铬较高，大气腐蚀性好。
4 [, g: A5 [& W6 }, Q7 d3、淬透性极好，适用于大模块。
5 h' Y( ~4 c2 K4 C/ ~
9 r$ V3 L" ?! U8 X6 y: x不锈钢用于耐蚀性要求高的塑料模，主要钢号有420，414L，440，416。

  I$ ]0 z/ H- Q) y' m, N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。
6 p8 p7 V9 Z4 s( d2 t0 \4 T
- y1 _$ r( {" c$ d. Z9 s4 B5. 塑料模具钢的选用
; ]) Z# h1 T" _6 x# M) U
, ?8 A0 w* [7 X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。
, p9 n' x, }- O. i5 f* f& h$ E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。
% ]+ D$ l' o& V% |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。