周青春，吴晓春
上海大学材料科学与工程学院上海 200072
摘要：本文介绍了国内模具钢现状，并详细介绍了常用热作模具钢的性能及使用特点，为模具钢的选材和使用提供知道作用。文章对课题组开发的几种典型高性能热作模具钢的特点做了介绍。最后，对热作模具钢的未来发展趋势和方向作了展望。
关键词：热作模具钢；H13钢；热稳定性；热疲劳；碳化物
1我国模具行业现状
我国模具行业快速成长增速发展中规模持续扩大。2000年以来，受益于下游汽车、电子、塑料制品行业的快速发展，我国的模具行业取得了长足的发展。模具行业的行业收入从2003年的140亿元快速增长到2010年的1400亿元，8年间增长10倍，年平均增长率在28%以上。由于受欧洲债务危机等不利于经济发展因素的影响， 2011年我国模具工业发展速度也比上年有所回落，全国模具总销售额为1240亿元，比上年增长10.7%（图1）。金融危机仅仅使行业增速放缓到12.5%，仍然远远高于GDP的增速，可见我国模具行业的发展势头十分强劲。模具出口目的地最多的国家地区依次为香港、美国、日本、德国、印度，出口模具以出口货源地分主要来自广东、浙江和江苏，其次为上海、山东、天津、福建、辽宁、北京和吉林；模具进口货源地最多的国家地区依次为日本、韩国、德国、台湾省、美国，进口目的地最多的是广东、江苏和上海，其次是天津、北京、辽宁、吉林、福建、山东和浙江、湖南等地区；全国模具生产企业达3万多家，从业人员接近100万人，模具产业发生根本性变化。
图1 近10年我国模具钢销量及进出口情况
我国的模具行业具有明显的区域性，形成了昆山、无锡精密模具产业集群生产基地；泊头、芜湖汽车模具产业集群生产基地；宁波、黄岩、深圳、东莞大型精密模具产业集群生产基地。其中，珠三角、长三角地区是我国最为集中的模具产地。广东是我国模具行业最主要的市场，而且还是我国最大的模具出口与进口省，产值占全国的40%以上。长三角地区也是我国模具市场的另一个集中地，占我国模具市场的四成左右。其中以浙江省的规模最大，占长三角地区模具产量的70%以上，主要集中在宁波市和台州市。据国际模协常务副会长兼秘书长罗百辉调查，现在全国已建成或初具规模的模具园区约达50多个左右。特别是为模具制造配套服务的体系日趋完善，从模具材料、加工设备、加工刀具、专用软件开发到模具设计都形成专业子产业，这为我国模具产业的快速发展奠定了基础[1-3]。
但从总体来看，我国模具行业与国外发达国家比还有一定差距，主要体现在模具开发和生产方面，发达国家普遍采用并行工程和项目管理等技术和管理方法，加强了对工作流的控制，缩短了模具开发的周期。在专业化生产方面，发达国家更为普遍。在新技术研发创新方面，包括成形方法创新、成形品质改善创新、新材料成形技术的创新上，我们还没有掌握主动权，基本上是跟着发达国家技术发展的后面。
2热作模具钢现状与趋势
我国热作模具钢两极分化共存，一方面是以追求更低成本为目标的轧材，这在全球经济低靡的今天具有更有利的生存空间，如宝钢H13钢大方坯，在广东地区月销量就达到约2千吨，广东模具市场形成强劲冲击。这种H13轧材性能不高，适用于一些要求不高的模具加工，或者通过改锻成各种规格的模块，使其性能得到大幅度的提升，但总成本与模锻H13钢相比仍然要低，因此，在今后的一个相当长时期内将占据重要份额。另一方面是以追求质量为主的锻材，主要体现在高品质的热作模具钢，主要应有在压铸模和挤压模等热作模具，这是我国模具行业走向模具强国的必经之路。
3几种常用热作模具钢
由于热作模具的工作环境苛刻，通常热作模具钢要具有高的高温抗拉强度、良好的高温韧性、高抗回火性、高耐磨性和高热疲劳抗力。因此，热作模具钢质量评估通常包括高温抗拉强度、高温冲击值和显微组织（包括成分偏析和碳化物形态分布），尤其对高要求的热作模具钢，如压铸模用钢，这些性能指标是必不可少的。为此，美国压铸模协会专门针对压铸模用H13钢制定了一套完整贰严格的质量评估标准（NADCA#207）。
表1是欧洲常用热作模具钢的典型合金化学成分，表2和图2分别是对应的热处理作模具钢推荐的热处理工艺和回火特性曲线。图3和图4分别是几种热作模具钢的膨胀系数和热导率。
表1 欧洲常用热作模具钢的化学成分（wt.%）
表2 热作模具钢推荐的热处理工艺
图2 热作模具钢的回火特性曲线
图3 热作模具钢不同温度段的热膨胀系数
图4 热作模具钢不同状态的热导率
高的性能是模具使用长寿命的前提，但是由于每种模具钢都有自身的特点，只有正确选择模具材料和规范操作及保养，才能充分发挥模具材料的性能，达到满意的使用寿命。根据热作模具钢的性能特点和模具的使用类型，针对压铸模、热挤压模、热锻模和管道生产模具，推荐选用的模具钢材料和对应的使用硬度如表3和表4所示。
表3 热作模具钢的推荐使用类型
表4 热作模具钢的推荐使用硬度
4热作模具钢的组织控制与成分优化
热作模具钢的制造流程复杂繁琐，包括冶炼过程中的纯净度控制、热加工和多阶段的热处理，而且每个环节都必须精确控制，否则，最后的探伤、硬度、组织控制等质量检验达不到要求，而使模具钢品质降低或不合格，甚至出现开裂报废等问题，这也是为什么国产模具钢质量低于进口水平或质量不稳定的原因。
近十几年来，为提高国产模具钢的水平，开发具有自主知识产权的高品质模具钢材料，上海大学“先进模具钢及表面处理课题组”在新材料研究、冶金质量控制和热处理（如高温均质化处理和超细化处理等）和模具表面处理等作了大量细致的研究工作，并取得一定成果，使国产模具钢整体水平得到大幅度提高。如在改善合金成分偏析、液析碳化物和二次碳化物超细化控制方面成果显著，已应用于H13钢，成功为宝钢特钢（原上纲五厂）开发出了高品质的H13钢（宝钢牌号SWPH13，与进口H13钢性能相当）。另外，该课题组通过合金成分优化等研究开发出系列高性能热作模具钢专利产品，不断满足模具行业的需求，部分产品已成功推向市场，得到同行的认可。特别是新型压铸模材料、大型无缝钢管芯棒、大型塑料模块填补国内空白，达到了国外先进产品的质量要求。同时在先进真空热处理技术、先进表面技术等多方面保持国内领先优势。下面简单介绍一些开发的新型高性能热作模具钢SDH3、SDHA、SDHM和SDH13-Mod芯棒用钢。
1）SDH3热作模具钢
全面替代进口H13钢的新一代长寿命高热强性热作模具钢，主要用于热锻模、压铸模、热挤压模。SDH3钢是课题组在进口H13钢的基础上开发出来的具有自主知识产权的热作模具钢。基于Thermal-C、 JMP和均匀设计等方法的模具钢合金成分优化、基于稳定基体，还是碳化物的二种不同的合金设计思路来实现组织的设计，从而进行成分设计，并对组织进行产业化的高均匀性控制工艺，包括高温均质处理、组织细化处理、双细化处理等，从而降低钢的合金成本（相对于H13钢），并且性能与优质进口H13钢相当。图5和图6是SDH3钢的回火特性和热稳定性曲线及热疲劳裂纹形貌，图7是宝钢特钢厂生产的SDH3钢实物照片。
图5 SDH3钢回火特性和热稳定性曲线
图6 SDH3钢和H13钢热疲劳裂纹形貌
图7 宝钢特钢生产的SDH3钢
2）SDHA/SDHA+N奥氏体型超高热强性热作模具钢
针对模具使用温度高达750℃以上的超高温工作环境，课题组开发出来的高热稳定高热强性的奥氏体型热作模具钢SDHA，可替代国内3Cr2W8V钢用于超高温环境。图8是SDHA钢的高温抗压强度曲线，可以看出在温度高于700℃时，SDHA钢的强度高于3Cr2W8V钢。图9是SDHA钢和SDHA+N钢的780℃的热稳定性曲线，可以看出两种钢在780℃的高温下仍具有高的热稳定性。
图8 SDHA与3Cr2W8V钢在高温下的抗压屈服强度
图9 SDHA和SDHA+N钢在780℃的热稳定性
3）SDHM系列热锻模用钢
根据热锻模具的工作环境，课题组开发出了系列高热稳定性、高强韧性和高热导率热锻用模具钢，并得到较好的推广应用，受到用户一致好评。从图10 和图11可以看出SDHM DIEVAR 和SDHM DIEVAR +Nb钢具有好的的淬硬性（图10a）和热稳定性（图10b）以及热疲劳性能（图11）。
图10 三种钢的淬火硬度（a）和热稳定性(b)
图11 三种钢的热疲劳3000次后的表明形貌
4）SDH13-Mod芯棒用钢
课题组突破关键技术壁垒，自行研制，实现大直径芯棒国产化，降低我国钢管制造业的企业成本，提升了企业制造的效率，推动了我国重大冶金装备国产化进程。SDH13-Mod芯棒冲击韧性比NADCA#207标准的优质H13钢提高58.8%，比NADCA#207标准的高级优质H13钢提高26.8%。
SDH13-Mod芯棒经机加工、淬回火处理和表面镀铬处理后，对2支芯棒进行了编号（4904和4931），同时选用了3支新的进口芯棒（法国A&D公司提供，其编号为4925、4928、4929）组成一组，在同种工况条件下投入使用，并且现场进行了实际使用跟踪。在使用过程中轧制稳定，轧机负荷无异常，轧制钢管无缺陷产生。从2008年11月3日开始投入使用，到2009年4月30日共计使用了9次，轧制钢管支数如表5所示。按照Q/CG101-2009《芯棒工作段检查、验收、报废技术条件》进行检查，虽然芯棒表面已出现老化，但还可以继续使用。所有芯棒使用情况良好，达到了进口芯棒寿命2500支的考核指标，达到了预期目标（图12）。
表5 SDH13-Mod芯棒和进口芯棒使用寿命
图12 大直径实心芯棒的应用
为降低材料成本和减轻自重，课题组在实心芯棒的基础上成功开发出了大直径空心芯棒，其芯棒重量比相同规格的实心芯棒减轻约2/3，大大降低材料成本和机组动力消耗的能源。图13是在2011第十六届中国（上海）国际冶金工业展览会主展厅展出的空心芯棒展品。
图13 大直径空心芯棒
5展望
2011年7月，工业和信息化部装备工业司印发了《模具行业“十二五”发展规划》，这一规划必将指引广大模具企业和我国整个模具行业的发展。考虑到发达国家经济发展很难在短期内有较大起色，以及我国经济增长速度会进一步放缓，预计模具工业的发展也会放缓。但由于我国模具在国际市场上的比较优势仍旧存在，国内模具市场预期还继续看好，因此预计会有10%左右的增长。为我国模具行业到2020年步人世界模具强国奠定坚实的基础，这是模具行业“十二五”的总目标[4，5]。实施项目带动和出口带动是模具行业“十二五”的重要战略。模具产品向以大型、精密、高效、高性能模具为主要代表的，与高精工艺生产装备相配套的高新技术模具产品方向发展；模具生产向管理信息化、技术集成化、设备精良化、制造数字化、精细化、加工高速化及自动化和智能控制及绿色制造方向发展；企业经营向品牌化和国际化方向发展；行业向信息化、绿色制造和可持续方向发展。这是模具行业的发展趋势。
参考文献
[1]. 李勇，左秀荣，陈蕴博，王森辉，赵新。国内外热作模具钢的研究进展[J]。
2010，31（3）：20-23。
[2]. 李明珠，郭秀艳，咸洋。模具钢的发展与应用[J]。2011，47：702-709。
[3]. 赵昌胜。国内模具钢的选用及发展[J]。金属加工，2012，3：38-42。
[4]. 模具工业，“十二五”大力发展国产优质模具钢。2011，37（4）：77。
[5]. 模具工业，模具钢行业“十一五”发展回顾及“十二五”发展方向分析。
2011，37（8）：76-77。
English Version 
