“现代工业，模具领先”已成为制造行业的共识，模具工业水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。随着全球经济产业结构调整，制造业等传统工业由于欧美市场的日趋饱和，劳动成本逐年提升，利润逐渐减少，制造重心向发展中国家转移。我国劳动力资源丰富、廉价，所以中国的模具潜在市场很大，决定了中国将发展成为模具制造大国。在世界模具产值中，中国模具制造比例显著提高，模具钢的用量也在显著增加。

热作模具钢作为模具钢的重要组成部分，主要用于制造从加热到再结晶温度以上的固态金属或高温液态金属压制成型的模具。热作模具的工作特点是：在一定的负荷下使炽热的固态金属产生塑性变形，或使高温液态金属压铸成形。相较而言，热作模具钢的工作条件比较恶劣，合金元素含量较高，内部影响机制较复杂。

自从20世纪90年代我国模具行业快速发展以来，我国热作模具钢研究方面取得了较大的进展，但近年来，我国模具行业结构调整步伐加快，主要向大型、复杂、精密、高寿命、高效率方向发展。现代制造业的发展对热作模具钢性能提出了更高的要求。世界各国主要采用以下2种途径提高模具钢的性能：一是优化模具钢的成分和开发新钢种；二是改进模具生产流程和工艺控制技术。我国在“十二五”规划中明确提出：在热作模具钢方面，要开发具有自主知识产权的新型低成本、高寿命热作模具钢；开发超纯净、组织均匀的热作模具钢；获得极低的S、P含量及超细化组织；加入具有红硬性作用的合金元素以提高模具在高温下的硬度，提高热压铸模和热挤压模的使用寿命。

2 国内热作模具钢发展动态

我国热作模具钢两级分化并存：一方面是以追求更低成本为目标的轧材，这种轧材性能不高，适用于一些要求不高的模具，或者通过改锻成各种规格的模块，使其性能得到大幅提升，但总成本与锻材相比仍然要低，因此，它在今后相当长的一段时间内将占据热作模具钢市场重要份额；另一方面，是以追求质量为主的锻材，主要体现在高品质热作模具钢，如应用于压铸模、锻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。

虽然我国在研制开发新型模具钢方面做了大量工作，并对部分国外优良热作模具钢进行了国产化研究，为市场提供了质优价廉的模具钢，但能实际推向市场且广泛应用的相对较少，目前占市场主导地位的依然是从国外引进的H13系列通用型热作模具钢，而针对不同使用要求和工况的专用压铸模、热锻模及热挤压模依然很少。下面就国内近年来开发的具有应用前景的热作模具钢发展动态进行阐述。

2.1 压铸模具钢

由于压力铸造可以铸出外形复杂、精度高、表面粗糙度值小且具有良好力学性能的零件，用压铸法生产的铝、锌、铜、镁、铅及其它合金件日益增长，压铸行业发展迅速。但较长时间以来，我国该行业尚未寻得最佳的模具材料，均以国产的通用型热作模具钢如H13（4Cr5MoSiV1）、H11（4Cr5MoSiV）等替代，然而效果不理想：一方面是在板材锻造加工过程中容易出现表面微裂纹；另一方面是压铸模具的使用寿命较短，压铸出的产品表面质量不高。

为解决此问题，在20世纪七八十年代，上海材料研究所针对压铸模特点并结合我国矿产资源而研制出的Y系列模具钢，如铜合金压铸模专用钢Y4（4Cr3Mo2MnVNbB）和铝合金压铸模专用钢Y10（4Cr5Mo2MnVSi），具有较高的抗冷热疲劳性能、良好的耐热熔损性能、热处理变形小等特点，采用这2种专用钢制造的压铸模使用寿命比采用3Cr2W8V钢制造的压铸模使用寿命提高了4~6倍。

北京机电研究所研制的HM-3（2Cr3Mo3VNb）已纳入航空行业标准（HB 5137-1980），是一种超高强韧性热作模具钢，在航空工业中广泛应用于压铸模。青岛市机械研究所、青岛汽车散热器有限公司研制的5Cr5MoV1TiSiNb和南京理工大学研制的HD13（4Cr5MoVSiNb）均适用于铝合金压铸专用模具钢，且性能均比3Cr2W8V钢提高几倍；钢铁研究总院、北京首钢特殊钢有限公司等研制的5Cr4Mo2W2SiV适用于铜合金压铸模，且制造的压铸模使用温度可达700 ℃以上。

2000年左右，上海大学吴晓春教授领导的先进模具材料及表面处理课题组与宝钢特钢有限公司合作采用先进的技术和工艺方法，在有效提高钢材纯净度和等向性能后，成功研制了具有国际先进水平的压铸模具钢SWPH13（SDPH13），其综合性能已达到超过瑞典品牌ASSAB 8407的水平，不但取代了进口，还可以替代出口，开创了国产高品质压铸模具钢的先锋。

2005年左右，吉林大学姜启川等人研制出了长寿命、高Cr热作模具钢HHD（一种主要用于压铸模的通用型热作模具钢），提出了高Cr（Cr：10.0 wt.%）含量和微量N、Y-Ce、Ti、Ca-Si复合合金化的新合金成分设计思路，实现在马氏体基体上弥散分布纳米尺寸碳化物和抗高温氧化的致密氧化膜组织。HHD钢的使用寿命超过国际先进热作模具钢（H13系列），在提高黑色金属热挤压模具使用寿命方面取得了重大突破。

2009年前后，上海大学模具钢课题组通过合金成分优化等研究开发出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，得到专家及同行的认可。在压铸模具钢上，主要推出了SDH3和SDDVA+Nb通用型热作模具钢，可用于替代进口ASSAB 8407、AISI H13、DIEVAR等优质热作模具钢。与H13钢相比，SDH3钢在600 ℃以上仍具备优良的高温热强性和热稳定性，在620 ℃保温22 h，硬度仍在35 HRC以上。该钢在使用硬度范围内，在室温到700 ℃之间热循环3 000次后的表面裂纹和裂纹深度情况如图1所示，表现出优良的抗冷热疲劳性能。而SDDVA+Nb钢在620 ℃保温20 h后，硬度高于SDDVA钢1 HRC，高于H13钢6 HRC，表现出极为优良的热稳定性。该钢在使用硬度范围内，在室温到700 ℃之间热循环2 000次后的表面损伤程度比SDDVA钢小，而H13钢的表面损伤程度最大，如图2所示，SDDVA+Nb钢表现出优良的抗冷热疲劳性能。

2.2 热锻模具钢

为顺应热锻模具钢向大截面发展的趋势，我国在20世纪80年代对此做过大量的分析和研究，并推荐使用5CrNiMoV钢用于大型、复杂的重载荷锤锻模。对一些中、大型模具采用北满特殊钢有限责任公司研制的4Cr2MoVNi热作模具钢，以期达到提高模具使用寿命、产品质量和劳动生产率，降低生产成本，创造最大经济效益的目的，并在商品经济市场条件下提高企业的竞争力。在热锻模具钢方面，近几年来国内新研制钢种甚少，市场上依然流通的热锻专用模具钢介绍如下：

上海材料研究所研制的GR钢（4Cr3M03w4vTiNb）含有较高的W和少量的Ti和Nb，具有极高的高温强度、热稳定性以及良好的抗热疲劳性，适于制造使用温度较高，与工件接触时间长，容易引起热变形塌陷或热磨损失效的模具。GR钢成功应用于齿轮高速锻模、精密锻模、轴承套圈热挤压模、自行车零件及螺母热镦锻模、小型机锻模、辊锻模等领域，与3Cr2W8V钢相比，各类模具使用寿命均有大幅提高（从数倍至数十倍）。

ER8钢是上海材料研究所在20世纪80年代畅销欧洲的热作模具钢H10A的基础上研究发展的一种新钢种，属空冷硬化热作模具钢，具有良好的热强性、红硬性和耐磨性，高温冲击韧性可达102 J/cm²，有较高的抗冷热疲劳性能和极高的抗热震性，广泛用于压力机热锻模、热挤压模、压铸模等热作模具。

JDH3是一种最新研制的模具材料，其性能特点是强度高于HM3，韧性高于HM1，抗冷热疲劳性能高于H13钢。主要适用于热锻模、精锻模、辊锻模。

CH75钢是华中科技大学和大冶特殊钢股份有限公司共同研制的一种以碳化钒（VC）为强化相的新型热作模具钢。由于采用降低Cr含量，限制Mo含量，提高V和C含量，以VC为主要强化相的合金化方案，从而提高了钢的热强性、抗回火稳定性和热稳定性。

锤锻模具钢45Cr2NiMoVSi和5Cr2NiMoVSi具有较高的淬透性，热稳定性比5CrNiMo高出150 ℃，回火时有二次硬化效应，并有较高的强韧性，因此适宜于锤锻模。GIH-11高温热锻模具钢主要用于加工高温金属的热锻模，其模具使用寿命比H21钢制造的模具使用寿命有了较大的提高。

2006年，吴晓春教授领导的先进模具材料及表面处理课题组开发了一种新型高热强性热作模具钢SDH2，该钢主要用于热锻模，已在上海伊顿发动机零部件有限公司生产的气门热挤压模具和上海齿轮总厂第4分厂的双盘摩擦压力锻造机上使用，采用SDH2钢制造的热挤压模具的实际使用寿命是H13钢生产同类产品实际寿命的2.5~3倍，而采用SDH2钢制造的热锻模具的实际使用寿命是3Cr2W8V钢生产同类产品实际寿命的5倍，甚至更高。

随后，吴晓春等人开发了一种新型高热强韧性、高热稳定性、高热疲劳性的热锻模专用钢SDDM，可用于替代传统的3Cr2W8V钢和改善现有H13钢在600 ℃以上热稳定不理想的情况。SDDM钢在较高的硬度下（如50 HRC）仍具有较高的横向冲击韧性（≥300 J），以及极佳的强韧性配合和等向性能。

图3为SDDM、3Cr2W8V、H13钢的热稳定性对比图，由图3可见，SDDM钢在620 ℃下保温20 h后，高出3Cr2W8V约3 HRC，热稳定性能最好。图4为3种钢在室温到700 ℃之间冷热疲劳循环3 000次后的热疲劳裂纹形貌，由图4可见，SDDM钢的表面裂纹十分细小均匀，没有主裂纹的产生，截面裂纹深度较浅。

2.3 热挤压模具钢

5Cr4W5Mo2V钢是本钢集团有限公司生产的一种高热强性热作模具钢，使用寿命比3Cr2W8V钢模具高2~3倍。

HD（4Cr3Mo2NiVNb）系列钢是由华中科技大学和大冶特殊钢股份有限公司合作研制，为了适应700 ℃左右工作温度而研制的新型高耐热性钢。HD钢是在4Cr3Mo3V钢的基础上，适当降低Mo、V的含量，加入ω_Ni=1%、ω_Nb=0.15%，提高了钢的高温韧性及热稳定性，在700 ℃仍可以保持40 HRC的硬度。在硬度相同的情况下，HD钢比3Cr2W8V钢的断裂韧度高50%，700 ℃时抗拉强度高70%，冷热疲劳抗力和热磨损性能分别高出1倍和5%，用其制作的热挤压模使用寿命也高于3Cr2W8V钢。

广州冶金研究所研制的R521、R522、R523热作模具钢是一种Cr5系的铬钼钒硅系高合金模具钢。其合金元素的合理配比增强了钢的淬透性、耐磨性和热强性，改善了钢的韧性。为进一步提高R521钢的红硬性，配比中加入了W元素，形成了R522钢；为进一步提高钢的耐热疲劳和耐热裂性，又研制了含稀土元素的热作模具钢R523。3种钢的钢质洁净，元素分布均匀，组织致密，切削性能优于Cr12系钢和3Cr2W8V钢。主要用来制造铝合金型材和铜合金的挤压模、压铸模、热锻模以及厚金属片冲剪模、螺栓锻头模等各种热作模具。

近年来，吴晓春等人研制出一种新一代奥氏体型高热强性热作模具钢SDHA/SDHA+N，该钢在700 ℃以上表现出优良的高温强度和热稳定性，如图5所示。SDHA钢在冷热循环过程中，仍能保持较高的强度，抵制裂纹产生。图6为3Cr2W8V钢和SDHA钢在室温到700℃之间冷热循环3 000次后的表面裂纹和深度裂纹情况，SDHA钢表面裂纹布满整个试样表面，且深度裂纹分布均匀。

随后，吴晓春、周青春等人从经济角度出发打破传统的高钼研究方向，采用经济的硅、锰作为主要的合金化元素，自主开发了硅、锰比为1:1的高Si高Mn热作模具钢SDH3-MOD，该钢最大的特色是具有高的热稳定性，同时还具备高的韧性以及良好的抗冷热疲劳性能。

3 国外热作模具钢发展动态

模具材料作为模具工业发展的重要物质基础，世界各国均予以充分重视。我国模具工业的发展提供了一个很好的模具钢市场，世界制造模具钢的许多厂商也都十分看好中国的市场。除了业内熟悉的ASSAB Group（瑞典一胜百集团）、日本的大同工业株式会社和日立金属株式会社等企业外，法国的Arcelor Group（阿赛洛集团）、Aubert & Dural（奥伯杜瓦公司），德国的K ind & Co公司的Edelstahl werk（特殊钢工厂），Schmiede werke Gröditz GmbH（葛利兹钢厂）和日本的高周波钢业株式会社、山阳特殊钢株式会社等企业都在采取相关措施进入中国市场。

国外热作模具钢的研究方向主要体现在成分基本上向低C低合金化方向发展，通过降低常用合金元素而加入Ni、Al、Nb等微量元素来改变热作模具钢的使用性能。下面以近3年来在模具等展会上收集的世界各模具材料制造厂的资料和样本以及各制造商官网上公布的资料为依据，简述以上提及的国外模具钢生产厂家近两年来新钢种研发情况（介绍的钢种一般为这些公司常推荐或在杂志上刊出的），以期较好地反映当前世界模具材料生产的现状及进展。

3.1 压铸模具钢

近两年来，国外主要研发了一些高性能通用型热作模具钢，同时大部分为高性能压铸模具钢，其发展方向主要体现在高热导率、大截面、高等向性、长寿命。因此，为了满足当前下游模具制造商的需求，国外研究者主要通过提高Mo元素含量及加入Ni元素的方法做大截面压铸模，同时通过降低Si、Mn、Cr等主合金元素，加入微合金元素以提高热导率，研制出了较多新型压铸模具钢。这些国家主要以日本为主，该国近两年研发的高性能压铸模具钢品种最多，其次是法国和德国。

日本大同工业株式会社通过对已有钢种DH31-S的改进，结合DHA系列的优点开发出新型高性能热作模具钢H31-EX。H31-EX为该公司重点推荐使用的热作模具钢，它通过加入少量稀有金属来降低成本，具有优良的淬透性，同时采用该钢制造的大型模具既能保证硬度又能获得高韧性，还可以通过预防裂纹的产生而提高模具使用寿命。日本日立金属株式会社研发的DAC系列模具钢是A1、Zn合金压铸模具广泛使用的材料，具有优良的强度、韧度和耐热性。其中DAC55属高性能压铸模具钢，具有很高的使用寿命和适用于大型模具的高淬透性、极佳的强韧性和优良的抗冷热疲劳性。最近，日本日立在DAC55的基础上开发出以显著抗冷热疲劳性能著称的高性能低成本压铸模专用钢DAC-MAGIC，其为该公司重点推荐钢种。

德国Kind & Co公司的Edelstahl werk（特殊钢工厂）开发了用于压铸奥迪A8车身结构件的压铸模用钢TQ-1、HP1、HTR，主要是在H13钢基础上降低C、Si、Cr、V含量，加入一些微合金元素W、Nb，按最新的熔炼和锻造制作技术，经过合理的热处理工艺，获得高的韧性和优良的高温强度，并具有高的抗冷热疲劳性、抗热冲击开裂和高温耐磨性。

法国奥伯杜瓦公司开发的高合金精密压铸模用钢VOLVIC 10具有高耐磨性、高韧性、优良的高温综合性能。同时开发的超级压铸模用钢SDC(Super Die Cast) / X35CrMoNiV5-2-2相对于传统的Cr5系热作模具钢，在韧性、导热率、抗回火软化、抗热冲击性能等方面表现出极佳的平衡性，是一种综合性能极佳的新型热作模具钢。

法国阿赛洛集团开发了一种优质热作钢AH-61，可以避免使用时产生的热磨损和因热疲劳发生的龟裂，从而提高模具使用寿命。其S、P含量分别为0.001%和0.008%，相应非金属夹杂物控制在极低水平，使AH-61热作钢获得了较高的纯净度，具有优良的韧性和极佳的高温强度。

3.2 热锻模具钢

国外热锻模研发方向主要为高热强性、高温耐磨性能、长寿命，近两年来已成为热作模具钢中研究的重点，其市场需求也不断增加。较低的C、Si含量可以限制钢的偏析，从而使钢获得高的韧性以及优良的焊接性和高热导率；通过加入碳化物形成元素如Cr、Mo、V以获得不同二次硬化，使得高温下钢的强度增加；加入Ni来代替部分Cr以保证足够的淬透性；加入微量Nb细化晶粒，同时提高奥氏体化温度获得高淬透性。因此，国外研究者近年来也通过降低原有主合金元素，加入微合金元素，提高其淬透性、高温强韧性、热导率及抗冷热疲劳性能，研发了一些热锻模具专用钢种。

KDAMAX是日本高周波钢业株式会社近年来在SKD61基础上开发的一种高性能大型热作模具钢，KDAMAX的强韧性是该公司所研发的热作模具钢中推荐的强韧性配比最佳的钢种。制造的大型热作模具具有优良的热裂纹抗力，尤其在容易产生应力集中的模具圆角处，可阻止裂纹开裂，延长其使用寿命。

2012年7月，日本山阳特殊钢公司对外公布已成功开发出热轧金属模具用钢的新钢种QT41-HARMOTEX。原有的QT41（SKT4改良钢）是过去热轧金属模具用钢中韧性最佳的钢种，但新钢种QT41-HARMOTEX的韧性是QT41的2倍左右，抗软化性是QT41的1.5倍左右，且降低了合金元素，成本也有所降低。

德国葛利兹在考虑到CrMoV系和NiCrMoV系模具钢的优缺点后，通过降低Si、Cr、V含量，加入一定量Ni和Nb的方法，设计出了新型钢种0.35C-0.35Si-0.5Mn-2.70Cr-1.00Mo-0.20V-0.65Ni+Nb，其主要特色为高淬透性；与CrMoV系钢种相比，其热导率更高，具有优良的韧性、耐磨性、机加工性和焊接性。

3.3 热挤压模具钢

国外热挤压模研发方向主要为强韧性、高耐磨性、长寿命，因此，国外研究者通过合金成分优化及合理的热处理工艺控制热挤压模具钢的组织以提高热挤压模的使用性能，主要体现在高韧性和高耐磨性上，但近年来热挤压模具钢的研发相对较少，目前国外市场大多是将通用型热作模具钢用于热挤压模。

法国奥伯杜瓦公司开发了一种热挤压模具钢SMR7，其成分为0.40C-5.00Cr-3.00Mo-2.70Co-0.5V，主要性能特点为高耐磨性、高韧性和低的热冲击敏感性。

巴西J B BACALHAU等人开发了一种新型铝合金挤压用热作模具钢VEX（0.51C-0.3Si-0.3Mn-3.7Cr-0.6Mo-0.4V-0.56Al），其成分特点为：提高C含量，降低Si、Cr、Mo含量，合金含量比H13少2.4%，同时通过Cr、Mo的平衡来获得高回火抗力，加入Al以提高钢的耐磨性。因此，作为热挤压模具用钢，其最大的特点就是超高耐磨性和回火抗力。

4 总结及发展预测

制造业的快速发展对热作模具钢的要求越来越高，通过分析国内外热作模具钢的发展现状，认为我国热作模具钢水平相对国外较落后，国内开发的新型热作模具钢相对日本、欧洲诸国较少。然而，在“十一五”和“十二五”期间，国内热作模具钢在国家的支持下取得了较大的进展：一方面，对国内外关键工艺技术能够在生产线上进行较好的控制，比如高温均质化工艺、超细化处理工艺等在国内宝钢集团有限公司、东北特殊钢集团有限责任公司、中信泰富特钢集团及宏晟重工集团有限公司等大、中型企业得到很好的运用与控制，使生产出的热作模具钢具有与国外进口钢材同等甚至更好的综合使用性能；另一方面，国内主流模具钢生产企业已能掌握热作模具关键性能的评价体系，包括等向性能、球化退火组织、成分偏析、使用性能（如热熔损、热疲劳、热稳定性）、物理性能等。

在取得较大进展的同时，国内主流模具钢生产企业也存在一些不足：首先，不能准确掌握模具失效规律与性能、组织间的匹配关系，导致模具制造商在选材时有所偏差，使得模具钢整体使用水平下降；其次，产品稳定性较差，虽然企业都能掌握关键技术，但各企业掌握的情况参差不齐，导致产品质量相差很大，针对此情况，关键是要在管理上下功夫，抓好生产管理；另外，热作模具钢的生产工艺流程，如锻前加热、锻后冷却及后续热处理过程，在每个模具钢生产企业都有所不同，没有一个标准化的工艺流程控制，也导致市场上流通的热作模具钢产品质量参差不齐，甚至相差很大。

综上所述，为满足模具制造业向大型、复杂、精密、高寿命、高效率方向发展这一趋势，开发更多具有高热导率、高热强性、高韧性、良好热稳定性及优异抗热疲劳性能的大截面热作模具钢已成为企业急需解决的课题。对于今后热作模具钢的研究思路和发展方向，认为可从以下3种不同用途的热作模具钢加以考虑：

（1）压铸模具钢。综合国内外压铸模具钢研究现状，预测其发展趋势主要有2个方向：一是大型化，主要通过提高Mo含量同时加入Ni元素以提高压铸模具钢的淬透性，从而将压铸模具钢截面做得更大；二是高导热率，主要通过降低Si、Mn、Cr等主合金元素含量来提高压铸模具钢的导热率，这将是未来研究的重点及热点。同时需要提高压铸模具钢的使用性能，如强韧性、热熔损性能、抗冷热疲劳性能及热稳定能。国内外已开发出较多高性能压铸模具钢钢种，其重点是体现在产品的质量水平上，尤其是产品的质量稳定性，这将是未来模具钢企业在压铸模领域是否具备竞争力的关键因素。

（2）热锻模具钢。综合国内外热锻模具钢研究现状，预测其发展趋势为具有高热强性、高温耐磨性、高抗热疲劳性及高热稳定性的热锻模专用钢，其性能优于H13和3Cr2W8V钢。因此，国内外热锻模合金成分设计思路主要为：通过降低C、Si含量来限制钢的偏析，获得高韧性和优良的焊接性和高热导率；通过加入碳化物形成元素Cr、Mo、V获得不同的二次硬化效果，使得高温下强度增加；加入Ni来代替部分Cr以保证足够的淬透性；加入微量的Nb元素以细化晶粒，同时提高奥氏体化温度获得高淬透性。结合对当前热作模具钢的市场调研情况，认为热锻模具钢的市场需求将不断增长，或将成为未来热作模具钢中产量的增长点。

（3）热挤压模具钢。综合国内外热挤压模具钢研究现状，预测其发展趋势为：通过合理的成分优化，降低原材料成本，同时提高高温性能，达到良好的韧性、耐磨性、热疲劳性及热稳定性。国内外热挤压模具钢合金成分设计思路有2种：一种是提高Si、Mn含量，降低Mo含量；另一种是提高C含量，降低Si、Cr、Mo含量，同时使Cr、Mo平衡以获得高回火抗力。两种思路均可通过加入W、Nb等微量元素，以提高温下钢的强韧性，并通过加入Al提高钢的耐磨性。另外，国内外为满足热挤压模服役过程中的高温性能，将把高温奥氏体热作模具钢作为另一研究方向。

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