模具是机械制造、冶金、电机电器制造及无线电、电工仪表等行业中，制造零件的主要加工工具。模具钢就是用来制造这类加工工具的钢种。根据模具的使用性质，可将模具钢分为两大类：

冷作模具钢：指使金属在冷状态下变形的模具钢，其工作温度一般小于250 °C。

热作模具钢：指使金属在加热状态或液态下成型的模具钢，其模腔表面温度高于 600 °C。

6.3.2.1　冷作模具钢

冷变形模具包括拉延模、拔丝模、压弯模、冲裁模（落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模等）、冷镦模和冷挤压模等。

冷作模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力较大，模具工作部分，特别是刃口受到强烈的摩擦和挤压，工作过程中还受到冲击力的作用，正常失效形式是磨损，也有断裂、崩刃及变形超差等失效形式。

所以冷作模具钢的性能要求是：高的硬度、强度及耐磨性，较好的淬透性和韧性。

与刃具钢相比，冷作模具钢在淬透性、耐磨性及韧性等方面的要求较高，而在红硬性方面的要求较低或基本没有要求。

模具的工作寿命还与模具设计和操作等因素有关。忽视这一点，即使选用优质的钢材制作模具，钢材的性能也得不到充分发挥。

常用的冷作模具钢种有：

（1）碳素工具钢：如T8、T10、T12，用于制作小尺寸、形状简单、载荷较轻的模具。其特点是加工性好，价格便宜，但淬透性低，耐磨性差，淬火变形大。

（2）低合金工具钢：如9Mn2V、CrWMn、9CrWMn等，用于制作尺寸较大、形状复杂、载荷轻的模具。其特点是淬透性较好，淬火变形小，具有较好的耐磨性。

（3）Cr12型模具钢：如Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1，用于制作尺寸大、形状复杂、重载的模具。其特点是淬火变形小，淬透性好，耐磨性高。

（4）耐冲击工具钢：如 4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si，用于制作刃口单薄，受冲击负荷的切边模、冲载模等。其特点是冲击韧性高。

碳素工具钢的成分、热加工、热处理及应用举例在前一节已经介绍。我国现行的国家标准GB/T 1299—2014对冷作模具用低合金工具钢、Cr12型模具钢及其他类型冷作模具钢的牌号及化学成分都做了规定，见表6.20。

表6.20　常用冷作模具钢的牌号和化学成分（摘自GB/T 1299—2014）

冷作模具用低合金工具钢的成分、热加工及热处理特点与刃具量具用合金工具钢相似，不再详述。下面重点介绍Cr12型模具钢的成分及热处理特点等。

Cr12型模具钢的成分特点是高碳高铬。其目的是获得高碳马氏体和足够数量的碳化物，并能在淬火及高温回火后，产生二次硬化作用，以使钢具有高的硬度和高的耐磨性。Cr12含碳2.00%～2.30%，是含碳量最高的钢，Cr12MoV和Cr12Mo1V1含碳量都在1.40%以上，是含碳量仅次于Cr12的钢。它们的含铬量都在 12%左右，属于高合金钢。加入Mo和V，可进一步提高钢的回火稳定性，增加淬透性，还能细化组织，改善韧性。

与高速钢相似，Cr12型模具钢也属于莱氏体钢，铸态组织中有网状共晶莱氏体组织，存在大量的共晶碳化物，主要为（Cr，Fe）7C3型，且分布不均匀。

Cr12型冷作模具钢在机加工成型前，坯料须合理锻造，一般要经过两次或三次以上的镦粗和拔长，以破碎共晶碳化物，使碳化物尽量分布均匀。

最后形成的锻坯，要求碳化物排列方向垂直于工件的工作面，锻后应缓冷。

坯料在锻造后应及时进行球化退火，退火后的组织为索氏体＋粒状碳化物，硬度为207～269 HB。

由于钢中大量铬的存在，使A1温度升高到 800～820 °C，因此球化退火工艺为，加热温度850～870 °C，保温3～4 h，炉冷至720～740 °C，等温6～8 h 后，炉冷至500 °C出炉空冷。

Cr12型钢具有很高的淬透性，空冷即可淬硬，但生产中一般采用油控冷淬火，即在油中冷至180～200 °C后出油空冷。淬火后的组织为马氏体＋碳化物＋残余奥氏体。

Cr12 型钢在淬火后于不同的温度回火，所得到的硬度不同。图6.17是回火温度对油淬Cr12MoV钢硬度的影响。淬火温度高于 1 010 °C，可看出明显的二次硬化效应，而且淬火温度越高，这种效应越显著。因此Cr12型钢的淬火及回火工艺，有一次硬化和二次硬化两种方法。

图6.17　回火温度对油淬Cr12MoV钢硬度的影响

一次硬化法：采用较低的温度淬火进行低温回火。选用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强度和韧性较好，热处理变形较小。Cr12钢淬火加热温度选用950～980 °C，Cr12MoV淬火加热温度选用 980～1 030 °C，260 °C硝盐分级淬火或采用油控冷淬火。这样处理后，钢中的残余奥氏体量在20%左右。回火温度一般在200 °C左右。

二次硬化法：采用高的温度淬火，然后进行多次高温回火，以达到二次硬化的目的。此工艺方法使钢有较高的红硬性和耐磨性，但强度和韧性下降，工艺上也较复杂，适用于工作温度较高（400～500 °C），且受载荷不大或淬火后表面需要氮化的模具。Cr12钢淬火加热温度选用1 080～1 100 °C，Cr12MoV淬火加热温度选用1 080～1 120 °C，500～520℃回火2～3次后，硬度为60～61 HRC。(www.daowen.com)

Cr12MoV钢制造冲孔落料模工艺路线为锻造→退火→机加工→淬火＋回火→精磨或电火花加工→成品。制定的热处理工艺曲线如图6.18所示。

图6.18　Cr12MoV钢制造的冲孔落料模及热处理工艺曲线

6.3.2.2　热作模具钢

热作模具钢共同的工作条件是模腔表层金属受热，且有热疲劳。锤锻模工作时的温度为400～450 °C，热挤压模模腔表面温度为500～800 °C，压铸模模腔表面温度约1 000 °C。

热作模具钢共同的性能要求是：高温硬度、高温强度较高；高的热塑性变形抗力，即回火稳定性高；高的热疲劳抗力。因此要求钢的导热性高，临界点（Ac1等）高，热疲劳倾向小。热作模具钢的含碳量为0.3%～0.6%。

锤锻模在工作过程中受到比较高的单位压力和冲击负荷，以及热金属对锻模型腔的摩擦作用。锤锻模用钢对塑性变形抗力及韧性要求高；锤锻模截面尺寸大，钢的淬透性要高。锤锻模用钢的成分和性能要求都与调质钢很接近，但强度、硬度要求更高些。常用钢种有5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV等。

热挤压模在工作过程中加载速度较慢，模腔受热温度较高，热挤压模用钢以高温强度、高热疲劳性能为主，对冲击韧性及淬透性的要求可适当降低。常用钢种有 3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2SiV等。

压铸模的工作条件及性能要求与热挤压模相近，主要要求高的回火稳定性与高的热疲劳抗力。压铸锌合金采用40Cr、30CrMnSi、40CrMo即可。压铸铝合金、镁合金采用4Cr5MoSiV。压铸铜合金采用3Cr2W8V。压铸黑色金属则需采用钼基合金和镍基合金。

常用热作模具钢的牌号及化学成分见表6.21。

表6.21　常用热作模具钢的牌号及化学成分（摘自GB/T 1299—2014）

（1）5CrNiMo和5CrMnMo

含碳量 0.50%～60%，属中碳范围，既保证一定硬度又有较高的韧性；Cr 主要提高淬透性，1.5%Ni显著提高强度和韧性，Mn代替Ni时，钢的强度不降，但塑、韧性有所降低。Mo主要是提高回火稳定性，减轻回火脆性，细化晶粒。

要经过各向锻造，并交替进行镦粗和拔长 2～3 次，使组织、性能均匀。锻造加热温度1 150～1 180 °C，终锻温度850～880 °C，锻后应缓冷，大件应进行防白点的等温处理（600 °C炉内等温，再冷至150～200 °C后空冷）。

退火加热温度为780～820 °C，保温时间4～6 h，炉冷至500 °C后空冷。组织为细片状珠光体＋铁素体。

淬火加热温度为 820～860 °C，淬火加热时为了保护模面和模尾，可在专用铁盘上铺一层旧渗碳剂等保护剂，锻模以模面向下放入，再用耐火泥密封。淬火冷却介质为锭子油或机油，冷却过程中须使油循环冷却，油温不得超过70 °C，油中冷却至150～200 °C取出，立即回火，不允许冷至室温。淬火后的组织为马氏体。

回火后应油冷，以避免回火脆性。回火后组织为回火索氏体。

用5CrMnMo制造扳手热锻模的生产工艺路线为锻造→退火→粗加工→成型加工→淬火＋高温回火→精加工（修型、抛光）。

技术要求：要求硬度351～387 HBW，σb=1 200～1 400 MPa ，Ak=32～35 J 。

根据技术要求，制定的热处理工艺曲线如图6.19所示。

图6.19　5CrMnMo制造扳手热锻模及其热处理工艺曲线

（2）4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2SiV

这类钢含有大约 5%的 Cr，并加入钼、钨、钒、硅。由于含铬较高，有较高的淬透性，加入1%的Mo时，淬透性更高，尺寸很大的模具淬火时可以空冷。因含铬、硅，这类钢的抗氧化性较好，硅、铬还提高钢的临界点，有利于提高其抗热疲劳性能。钒可加强钢的二次硬化效果，增加热稳定性。

表 6.22 是这类钢热处理后的力学性能。从表 6.22 中可见，淬火和高温回火后，这类钢具有很高的强度和韧性，可作为超高强度结构钢使用，牌号相应表示为 40Cr5MoSiV、

40Cr5MoSiV1、40Cr5W2SiV。

表6.22　部分热作模具钢的力学性能