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- y8 u$ r1 i! }: k; u
1. 冷作模具钢的分类
+ v  l5 N" n% W0 [0 v
冷作模具钢分为五组：W组、O组、A组、D组、S组。
9 w  t' h" u; b  J6 k3 D
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%。
. _8 g* i( v- @5 D) w% ~* KO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%。
; S+ H' R* B& l9 `  k1 s% 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%。
. c9 c4 }) w+ e8 ~3 oD组即高碳高铬冷作模具钢，有7个钢种，含碳量0.9%-2.5%。
3 f. A( M( h* e( i, a* x8 wS组即耐冲击工具钢，有7个钢种，含碳量0.4-0.6%。

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）。
, q- G3 Z- B. `1 n, j2 h9 Q( _! \- P
2. 冷作模具钢的选用

+ L  K: U- L" C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。

% J. d% n' \+ Z, ?. s7 J: h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。
, U8 k' d: b+ D9 z% E0 e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。

) p( N$ B: ~& j3. 热作模具钢的分类

7 {3 f1 w2 ?* N6 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
1 D6 z% ]$ }4 X5 z
( p* U( h# p' f: A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。

7 `1 P& L' o9 s" [5 @. O按热强性排列的主系列进行选材：

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)。

5 T* s! n' l. H" p& U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。

0 i- e8 g0 x+ L, |" ~1 `% G0 d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。

% q5 Z( o- `. ?+ I0 l* m$ ?4. 塑料模具钢的分类

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。

& Q4 Z/ c. ?3 n, X2 _9 W) \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。
4 E* @' A4 w3 U: ]0 d2 W, ?0 F0 ^
/ N3 y( _' L  Y5 i8 }- S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。
/ @+ Z9 t2 M9 G1 f2 b. g+ P
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：

( b7 T/ z- O$ g( r6 ~6 c1、基本属二次硬化金钢，500-600℃时的热强性好。
2、含铬较高，大气腐蚀性好。
3、淬透性极好，适用于大模块。

不锈钢用于耐蚀性要求高的塑料模，主要钢号有420，414L，440，416。

; v$ [! m; d4 |) [# j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。

5. 塑料模具钢的选用
4 h+ w0 y% _. J8 ]% k
% T) F3 t0 r% M3 u' 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。
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。