我国模具钢生产与发展现状

    近几年，我国模具工业一直以每年15%左右的增长速度发展，在世界模具产值中，比例显著提高，模具钢的用量也在显著增加。图1是从1995年到2005年之间我国模具总产值的发展状况。近三年我国模具总产值分别达450亿元、530亿元和620亿元。

    模具制造的首要问题是模具材料，建国以来我国模具钢生产技术发展较快，从无到有，从仿制到自己开发，目前我国模具钢的产量已跃居世界前列。 经过几次钢种整顿的标准修证在GB/T1299-2000《合金工具钢》标准中包含了37个钢种，基本上形成了我国特色的模具钢系列。据冶金工业联合会调研，我国模具钢按照使用状态主要分为：塑料模具钢，约占60%；冲压模具钢，约占20%；压铸模具钢，约占6%~8%。随着我国模具工业的持续发展，对于高档模具用钢进口量不断攀升。模具用钢进口主要来自日本、德国、瑞典、奥地利、韩国等国家，进口总量约在6万吨左右。

    我国塑料模具钢、热作模具钢和冷作模具钢分述如下：

    塑料模具钢：主要品种有S50C、S45C、3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMnMo(718)、10Ni3MnCuAl等，占模具钢总产量的62%，而合金塑料模具钢3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMnMo(718)、10Ni3MnCuAl等占塑料模具钢总量的12%左右，占合金模具钢总量的23%左右；

    热作模具钢：主要品种有4Cr5MoSiV1(H13)、3Cr2W8V、5CrNiMo、5CrMnMo等四个钢种，占模具钢总产量的21%，占合金模具钢总量的42%。在热作模具钢中主要是以美国AST2MA681标准的通用型钢H13(4Cr5MoSiV1)为主，总产量近30000t，占热作模具钢总产量的54. 2%，已占主导地位。而国外已较少用的3Cr2W8V钢，在我国的产量虽然逐年减少，但仍占很大比例(14573t)，达26. 4%；

    冷作模具钢：主要品种为Cr12 (D3)、Cr2WMn(01)、Cr12MoV、Cr12Mo1V1(D2)等，占模具钢总量的17%，占合金模具钢总量的34 %。在Cr12系列的模具钢中，仍然以Cr12钢为主，2001年产量高达17000t，占该系列钢的46%，而D2(Cr12Mo1V1)钢仅占18. 2%。可见我国模具钢的产量，已有了很大的发展，但有的钢种还需进一步开发。

    虽然近几年我国模具钢制造水平取得了长足的进步，但我国合金模具钢与美、日、法及瑞士等国际先进水平相比还存在一定的差距，在品种、质量、尺寸规格及性能等方面都难以满足市场需求，导致我国每年大批的中高档模具必须从国外进口。进口模具钢的规格主要是大尺寸的锻制模块(厚250~800mm) × (宽600~1200mm)及大尺寸的模具扁钢(厚30~300mm) × (宽400~1500mm)，这在国内目前只有少数钢厂能生产。进口材料中：热作模具钢约占20% (2万t/年左右)，主要是H13 (日本牌号SKD61)；冷作模具钢约占20% (2万t/年左右)，主要是D2 (日本牌号SKD11)；塑料模具钢约占60%(6万t/年左右)，主要是P20及其改进型738。进口模具钢的价格很贵，一般为国产钢的3~5倍，可以认为，对于进口模具钢材，大部分产品我国有能力进行研究开发，关键问题在于加强模具钢的基础研究和生产工艺的攻关，提高国产模具钢的质量和性能水平。另外，塑料模具钢必须以预硬化状态交货，并有良好的抛光性能。模块最好能六面光并且有良好的内在质量。

    国外模具钢的发展

    目前随着模具制造业的不断发展，对模具钢从冶金质量、数量、性能上要求不断提高，在国外出现高合金、高质、优化、低级材料强化及扩充材料领域等趋向，模具材料由低级向高级发展，发展的趋向是碳素工具钢→低合金工具钢→高合金工具钢，相继出现一系列新型模具材料，模具标准钢号的合金化程度也日趋提高，例如美国，15种热作模具钢合金元素全部大于5%，而合金元素大于10%的有10种，用量占80% 。

    国外相继开发的新型热作模具钢包括：（1）高淬透性特大型锻压模具钢，如国际标准ISO中的40NiCrMoV7，法国NF标准中的40NCD16等；（2）高热强性模具钢，如美国H10A，日本日立金属公司的YHD3，以及特殊钢公司的5Mn15Ni5Cr8Mo2V2钢等；（3）高温热作模具钢，如美国T2M、T2C，日本的Nimowal等。

    为了满足冷作模具的特殊要求，各国发展的新型冷作模具钢有：（1）高韧性、高耐磨性模具钢，如美国钒合金钢公司的VascoDie(8Cr8Mo2Vsi)钢，日本大同特殊钢公司的DC53钢等；（2）低合金空淬微变形钢，如美国ASTM标准钢号A14、A16，日本的G04和ACD37等；（3）火焰淬火模具钢，如日本爱知SX5、SX105V，日本日立HMD1、HMD5等钢；（4）粉末冶金冷作模具钢，如美国CPM10V，德国320CrVMo13.5等。

    国外新型塑料模具钢的发展趋势主要有以下几个方面：（1）易切削、抛光性好的塑料模具钢，如美国的412、M-300，日本的YAG，英国的EAB，瑞典的STAVAX-13等；（2）预硬化型塑料模具钢，如美国P20、445，日本的PDS，德国MOVTREX-A(2312)等；（3）整体淬硬型塑料模具钢，如美国A2、D3和H13等；（4）耐腐蚀塑料模具钢，如国标ISO中的110CrMo17，瑞典ASSAB公司的4Cr13等；（5）无磁塑料模具钢，如日本大同特殊钢公司的NAK301等。

    总之，国外模具制造业正在向通用化、标准化、系列化、高效率、 短制造周期发展，CAD和CAM的应用日益普及。为了适应模具制造业发展的需要，模具材料日益向多品种、精细化、制品化的方向迅速发展。随着模具工作条件的日益苛刻，对模具的质量，特别是钢的纯净度、等向性的水平提出了更高的要求。为达此目的，国外普遍采用电炉+炉外精炼工艺生产纯净度高的模具钢，对于大截面锻压模块和大型的钢材规定采用真空处理。对于纯净度要求更高的模具钢，大部分采用电渣重熔，以进一步提高钢的纯净度、致密度、等向性和均匀性，减少偏析。 因此，模具钢的质量有了较大提高。为了加强竞争力量，适应经济全球化的发展趋势，国外模具钢的生产从分散趋向于集中，并多家公司进行跨国合并。为了更好地进行竞争，这些公司都建成了完善的技术先进的模具钢生产线和模具钢科学研究基地，形成几个世界著名的工模具生产和科研中心，以满足迅速发展的模具工业。

    国内外模具钢应用及发展之比较

    1 国产模具钢存在的问题以及与国际水平的差距

    八十年代以来，我国模具工业进入了快速发展时期，这极大地促进了模具钢生产、应用技术的进步，通过引进先进的设备和技术，已能生产高质量的模具钢，国产模具钢的品种和质量有了较大的发展和提高。但是，从总体水平而言，我国模具钢还比较落后，尤其是用于制造高档次模具的钢材，仍然在使用进口钢，与国际先进水平相比，主要有以下差距：

    1) 模具钢品种、规格不全，低档次较多，高档次较少。高质量、高性能模具钢的品种少。从品种方面，尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷等专用的模具钢系列。钢材中扁钢、模块、精料制品比例比较低，钢材的利用率较国外低10 %左右。为满足制造大型、精密、复杂、高寿命模具的需要，国外发展预硬化钢，而国产钢基本上停留在退火阶段，或热轧状态供货，并且供货周期较长，这是我国家电行业大量进口模具钢的主要原因。

    2) 模具钢的专业化生产程度较低。钢材的质量、性能稳定性较差，外观质量较差。中国模具钢分散在几十个企业生产，大部分生产厂家的生产工艺装备不配套，特别是后部工序，深加工设备落后，从而制约国产模具钢质量的提高和性能的提高。

    3) 模具钢供销渠道有待畅通。模具制造多为单件或小批量生产，并所需钢材的品种多、规格多、数量少、需求供货及时的行业特点，与冶金厂的批量生产有矛盾。国外通过钢材商店可随时解决零售问题。国内近几年来也出现了部分代理商、钢材商店等中间销售环节，但在模具钢销售的服务意识和水平与国外先进水平还有一定差距，影响了国产模具钢的推广和应用。例如Bohler - Uddehum的全球10 万用户中，大多是工程师指导用户使用。

    值得注意的事，我国模具的质量和服务，离用户需求的差距相当大，因而出现了不少“宁可出高价买国外的，不愿以低价买国内的”的不正常现象。部分的国内外模具钢价格比较见表1。由表可知，进口钢材价格要比国内价高出3~6倍，从同一钢种的价格差距上反映出我国模具钢的落后面貌。
  
    表1 　国内外常用模具钢的价格比较
   

    2 我国模具钢标准有待提高

    根据对国内外模具钢的对比研究发现，国外模具钢的品质主要体现在：纯净、均匀、组织细小、尺寸精确。这些方面的差距造成我国冷作模具钢在与进口钢同样强度下韧性不足，耐磨性低下；而热作模具钢的高温强度和热疲劳性能都低，使国产模具钢的模具寿命较进口钢的模具寿命明显的低。

    以H13为例，与进口H13相比，国产H13夹杂物、一次碳化物较多；退火组织中碳化物有明显沿晶界分布现象；心部横向冲击韧性只有纵向的0.2~0.3等等。但是，尽管这些国产H13钢存在上述诸多质量问题，却均是按国家标准生产合格的正规产品。这就暴露我国国家标准GB1299-2000与北美压铸协会标准NADCA#207-90的差距。表2是不同国家H13钢的化学成分标准。以北美压铸协会标准考核检测时可发现的退火组织、带状组织、和冲击韧性等问题，均不是我们国家所考核的指标。这正是国产H13钢生产质量差的关键问题。
 
    我们要清楚地认识到，在国外先进国家的企业，只是把国际标准作为最低标准，他们真正贯彻或执行的是比国际标准更高的“企业标准”或“内控标准”，如瑞典UDDEHOLM公司和奥地利Bohler公司均有非常严格的企业标准。这一现实正好与我国目前的情况相反，是不利于我国模具钢发展的。为此，我国模具钢的国家标准应尽可能地向国际先进标准靠拢，这样才会促进我国模具钢水平的提高，改变我国模具钢质量普遍较低的现象。

    我国模具钢产业的展望

    1 模具钢发展方向

    －模具日趋大型化:模具成型零件日趋大型化，另一方面，为提高生产效率，一模多腔，因此大型模块钢需求量将逐年增加。

    －模具的精度越来越高，要求钢材的质量好，尺寸稳定性好。

    －塑料模具钢、压铸模具钢的需求量不断增加。

    －中高档模具钢的需求量不断增加，低挡模具钢过剩。

    另外，随着模具标准件应用日益广泛，模具标准化、商品化程度的提高，对于模具钢产品质量、品种规格、以及交货周期将提出更高的要求。
因此，钢铁企业要根据国内模具制造业发展的趋势和模具市场的需求，抓紧研制开发高精度、高韧性、耐腐蚀、高质量的模具钢新品种，使国产的热作和冷作模具钢达到世界先进水平。

    2 发展我国模具钢的几点建议

    －合金工模具钢品种规格多样化、精料化和制品化

    模具厂可以根据需要采购标准模块，对模具的型腔和刃部进行精加工、组装。

    －加强基础理论研究，提高合金工模具钢品种、质量和性能

    工具尤其是模具的关键部位或部件大部分是多向受力，因此提高钢材的等向性，改善横向的韧性和塑性，可以大幅度地提高工模具的使用寿命，这是近年来合金工具钢主要的发展方向之一。

    另外，提高合金工模具钢的纯洁度，即降低合工钢中有害杂质的含量是改善钢的性能的有效措施，采用各种精炼工艺、生产高纯洁度的钢材，是当前各冶金钢厂的主要努力的方向。

    最后，在品种方面，我国对国外先进的模具钢品种只停留在简单仿制阶段，缺乏深入的研究，也影响了我国模具钢的制造和使用水平。

    －实现冶金厂模具钢的生产专业化

    模具钢有不少特殊要求，所以国外模具钢的生产过程也是从分散到集中为了进行竞争，各主要模具钢生产厂都配备了技术先进的生产线，并加强科研力量和研究基地的建设工作。

    －发展非金属制品的模具钢

    随着塑料工业的发展，对模具钢质量性能提出了更高的要求，数量增多。当前，应重点大力开发以预硬化状态交货的大型塑料模具扁钢和模块。

    －疏通模具钢的流通渠道

    冶金厂需大力推行代理制或建立销售仓库，通过代理制，起到化零为整，化整为零的作用，以疏通模具钢的流通渠道。另外，还要做好售前和售后服务工作，提高模具行业用钢水平，开发和推广高效模具钢，提高模具钢的国产化率。

    －扩大模具钢的出口量

    近几年来，我国的模具钢的出口量减少很多。每年仅5000~6000t左右，占模具钢总产量的2%左右，并且比例逐年下降，应利用我国的劳动力便宜和钨、钼、锰、钒合金资源丰富的优势，提高模具钢的质量水平，扩大模具钢的出口量。