模具钢材

定义

模具钢材是制造模具主要零件的钢材统称。模具是使金属、塑料等材料成形为所需形状的工具，其型腔、型芯、模架、镶件、滑块等零件对材料硬度、韧性、耐磨性和加工性能的要求各不相同，因此模具钢材是一个由多种牌号构成的材料群，而不是单一钢种。^[3]在标准体系中，模具钢材属于工具钢的范畴，是按用途划分出的专门类别。^[4]

按工作条件，模具钢材通常分为三类。冷作模具钢用于冷冲、拉延、冷镦、冷挤压等常温成形模具，要求高硬度、高耐磨和足够韧性；热作模具钢用于热锻、热挤压和压铸模具，要求高温强度、抗热疲劳与良好导热；塑料模具钢服务于注塑、压塑和挤出模具，强调抛光性、耐蚀性与尺寸稳定。^[3]此外，还有无磁模具钢、耐蚀模具钢等用于特殊场合的品种。^[4]

中国现行通用标准是《工模具钢》（GB/T 1299），由全国钢标准化技术委员会归口。^[5]2014 年版于 2014 年 12 月 5 日发布、2015 年 9 月 1 日实施，代替此前的《合金工具钢》与《碳素工具钢》两份标准，按用途把钢分为刃具模具用非合金钢、量具刃具用钢、耐冲击工具用钢、轧辊用钢、冷作模具用钢、热作模具用钢、塑料模具用钢、特殊用途模具用钢 8 类，共 92 个牌号。^[2]该标准规定了钢的分类、订货内容、尺寸外形与允许偏差、技术要求、试验方法与检验规则等，适用于热轧、锻制、冷拉、银亮以及机加工交货的钢材。^[6]

原理

模具钢材的性能由化学成分与组织决定。冷作模具钢多为高碳钢，碳质量分数常在 0.8% 以上，并加入铬、钼、钨、钒等元素形成碳化物以提高耐磨性，铬还能改善韧性与淬透性；热作模具钢碳含量一般为中碳，强调钨钼钒带来的热强性与铬带来的抗氧化性；塑料模具钢常选用低碳并添加铬、镍，以兼顾耐蚀和加工性能。^[3]淬火后回火是形成使用性能的关键环节：冷作模具钢通常淬火后低温回火，热作模具钢淬火后高温回火，预硬化塑料模具钢则在钢厂完成调质后交货，避免模具加工后再淬火产生变形。^[7]

模具在服役中承受多向应力，材料的等向性因此十分关键。普通电弧炉冶炼的钢材横向冲击韧度往往明显低于纵向，某厂 4Cr5MoSiV1 钢横向值仅为纵向的 31%，经电渣重熔后提高到约 70%。^[8]要进一步提高等向性，通常把炉外精炼或电渣重熔、高温扩散退火与大锻造比的多向锻造结合起来，使大截面模块表面与心部的纵横性能差距缩小。^[9]

常用工艺路线可概括为：电炉冶炼并精炼，再经真空脱气或电渣重熔降低氢、氧、硫与夹杂物，随后锻造或轧制，最后进行退火、调质等热处理与精整。以某企业生产 H13 类热作模具钢为例，流程为电炉炼钢、LF 精炼、VD 真空脱气、保护气氛电渣、高温扩散、镦粗与大锻比多向锻造、球化退火，以改善偏析并提升等向性能。^[10]对纯净度要求更高的品种，还可采用真空自耗重熔乃至粉末冶金工艺。^[8]

硬度是选用模具钢材最常用的量化指标。冷作模具钢淬火回火后硬度可达 HRC 60 左右甚至更高，热作模具钢多在 HRC 40～55 区间使用，预硬化塑料模具钢交货硬度常在 HB 270～340 之间；不同牌号的硬度、淬透性与抛光等级在钢厂产品资料中均有明确标注。^[11]用公式表示，硬度与耐磨性的关系可粗略写作 $W \propto HV$，即耐磨性随硬度提高而增强，但过高硬度会牺牲韧性，需按模具受力状况平衡取舍。^[3]

发展历程

模具钢材的标准化经历了由分散到整合的过程。早期的《碳素工具钢》与《合金工具钢》两份国家标准分别规定工具钢的不同部分，模具钢牌号分散其中；2000 年版的 GB/T 1299《合金工具钢》曾按用途细分出量具钢、刃具钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢和无磁模具钢等类别。^[12]2014 年的修订把相关标准合并，形成《工模具钢》一部标准，并一次性增加 55 个牌号。^[6]

2025 年发布的 GB/T 1299 新版代替 2014 年版及《合金工模具钢板》标准，将分类调整为非合金工模具用钢和合金工模具用钢两大部分，后者再包括量具刃具用钢、耐冲击工具用钢、锻钢冷轧辊用钢、冷作模具用钢、热作模具用钢和塑料模具用钢，并新增了 4CrNi4Mo、7Mn15Cr2Al3V2WMo 等牌号。^[13]

产业方面，中国模具产值在 2020 年以后已超过 2000 亿元人民币，约占世界模具产值的三分之一，成为模具制造大国，带动模具钢消费持续增长。^[14]国内模具钢产能主要分布在华东、华中、东北地区，广东、浙江、江苏、上海构成主要流通区域。^[14]高端品种长期依赖进口，近年国产替代加快，热作与部分冷作模具钢已实现规模化替代。^[15]

应用

冷作模具钢主要用于常温下的材料成形加工，典型零件包括冷冲模、冷挤压模、拉延模、压印模、搓丝板、滚丝板、冷镦模和冷剪切刀等。^[7]常见牌号有 Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、D2、SKD11、DC53 等，用于下料模、冲头、滚丝轮和剪刀片等；对耐磨性要求极高、淬火变形要求很小的场合，常选用高碳高铬钢。^[16]

热作模具钢用于把加热后的金属或液态金属压制成形，包括热锻模、热挤压模、压铸模和高速锻造模。^[7]H13(4Cr5MoSiV1)及其对应牌号 SKD61、1.2344 是铝合金挤压模与压铸模的主力钢种，3Cr2W8V 等则用于工作温度更高的场合。^[16]近年来汽车一体化压铸工艺的发展，对超大型、高寿命压铸模具钢的纯净度与抗热疲劳性提出了更高要求。^[17]

塑料模具钢用于注塑、压塑和吹塑模具的型腔、型芯、模架与镶件。P20(3Cr2Mo)与 718(3Cr2MnNiMo)是最常见的预硬型通用钢种；NAK80 等镜面钢可抛光至较高光洁度，S136、2316 等耐蚀钢适用于 PVC、POM 等腐蚀性塑料；含玻纤、碳纤填料的塑料则宜选用 S7 类高耐磨钢。^[11][18]

从下游看，汽车行业是模具钢消费的第一大领域，约占市场总量的 35%，家电约占 20%，电子通讯行业的精密冲压模与精密塑料模合计也占相当比重。^[14]此外，建筑型材、医疗器械与包装制品同样消耗大量模具钢材。^[15]

局限

模具钢材的性能上限受冶金质量制约。钢中非金属夹杂物是模具内部裂纹的起源，硫、磷等杂质偏高会明显降低冲击韧性，因此高纯净度品种需要真空精炼、电渣重熔等成本较高的工艺。

组织的不均匀性难以完全消除。大截面莱氏体钢心部的共晶碳化物不均匀度可比表层高出 2～3 级，横向韧性与纵向性能仍有差距，即便采用多向锻造，高等向钢的横向冲击韧度也只相当于纵向的 90% 左右，尚未达到完全各向同性。^[8]

性能要求之间存在内在冲突。提高硬度与耐磨性往往降低韧性，增大淬透性又可能带来变形与开裂风险；模具钢也无法同时兼顾高导热、高耐蚀与低成本，某些场合不得不改用铜合金、铝合金等非钢材料，或借助表面涂层与氮化处理弥补基体不足。^[8]

此外，模具钢材只是模具寿命的影响因素之一。模具的结构设计、加工与热处理质量、使用中的冷却与维护都会改变实际寿命，即便选用高牌号钢材，若热处理控制不当仍可能出现变形、裂纹或表面质量问题。^[19]

参见

• 工具钢 —— 模具钢材所属的钢材大类，还包括刃具钢与量具钢。

• 冷作模具钢 —— 用于冷冲、冷镦、冷挤压等常温成形模具的模具钢材。

• 热作模具钢 —— 用于压铸、热锻、热挤压等高温成形模具的模具钢材。

• 塑料模具钢 —— 用于注塑、压塑模具，强调抛光性与耐蚀性的模具钢材。

• 电渣重熔 —— 提高模具钢材纯净度与致密度的重要冶炼工艺。

• 工模具钢 —— 中国国家标准 GB/T 1299 的标准名称，规定模具钢材的分类与牌号。