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工模具材料分类及其应用

工模具是国民经济各部门重要的工艺装备，加工工件需要刀具，夹持工件需

要夹具，检验工件尺寸精度需要量具，工件成形需要模具，机械各行业与工模具

都息息相关。材料是基础，没有好的材料要想造出好的工模具是不可能的；有了

好材料，没有精湛的热处理技术，同样生产不出高质量、长寿命的工模具。

（1）刀具材料

人类历史上最早使用的金属刀具应该是铜质刀具，早在公元前2700年至公

元前1900年我国就出现了黄铜锥和纯铜的锥、钻、刀等。18世纪后期，随着蒸

汽机等机器的出现，整体高碳钢刀具得以应用。1898年，美国的泰勒和怀特发明

高速工具钢（高速钢）。1923年，德国施勒特尔发明了硬质合金。在当时的条件

下，碳钢刀具的切削速度约为5m/min，高速钢刀具切削速度约为20～30m/min，

并且，被加工件的表面质量和尺寸精度也得到了相应提高。

在20世纪30年代以后，非金属材料刀具出现了，德国德古萨公司取得了关

于陶瓷刀具的专利。1957年，美国GE公司压出立方氮化硼（CBN）单晶粉。人

造金刚石（PCD）的研究始于1940年，1954年美国正式宣告研制成功。这些材

料发展很快，以后相继研制、生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼（PCBN）

刀片。我国于20世纪60年代，研制成功了单晶CBN、PCBN和PCD。由于这类

刀具材料具有超常硬度，所以可以加工包括淬硬钢、硬质合金等难加工材料，使

刀具实现了切削速度在500m/min以上的高速切削。

刀具材料的发展对促进国民经济的发展发挥着不可估量的作用。在已过去的

20世纪里，由于刀具材料的不断进步，使刀具的切削效率提高了150多倍。

目前市售的刀具材料主要是高速钢和硬质合金。国内市场上，高速钢刀具产

值占据总量的60%左右，硬质合金刀具产值大约占总量35%；在美国、德国和日

本等工业发达国家，硬质合金刀具要占70%左右。展望未来，刀具材料无疑是硬

质合金的天下。

（2）量具材料

GB/T1299—2014《工模具钢》中列出6种量具刃具用钢。量具没有专门用

钢，根据情况，可用渗碳钢、碳素工具钢、低合金工具钢、轴承钢、弹簧钢及高

碳铬不锈钢，甚至用高速钢、硬质合金等。

量具是机械制造中检验制品的工具，在选择量具用钢和热处理工艺时，首先

要考虑量具的耐磨性、尺寸稳定性和可加工性，其次要注意钢的耐蚀性和热处理

工艺性等。

1）耐磨性。量具的工作面必须有很高的耐磨性才能在长期的使用过程中始

终保持很高的精度。一般希望金相组织是在马氏体基体上分布着均匀细小的碳化

物或合金渗碳体。

2）尺寸稳定性。量具在使用和存放过程中应保持最小的尺寸变化，因此应

使组织中残留奥氏体越少越好，应力越小越好。

3）工艺性。良好的工艺性可以保证高的生产率，减少或避免发生磨削烧伤

和磨削裂纹，同时在精研时可以得到理想的表面精糙度。

4）耐蚀性。因为量具在大气中保存，而且在使用过程中又经常要与手汗接

触，所以要求具有较高的耐蚀性。因此，量具除选用不锈钢制造外，同时又采用

镀铬等防腐处理。

5）热处理的变形性。对于形状复杂，加工余量小或热处理后直接研磨的量

具，常选用热处理变形小的钢种，也可以采取等温淬火或分级淬火，尽量减少热

处理变形。

6）淬透性。尺寸较大或较厚的量具，应选用淬透性高的钢件，以保证获得

均匀一致的高硬度。

7）对冶金质量的要求。由于量具工作面要求有较高的精度和较低的表面粗

糙度值，所以当钢中的非金属夹杂物、碳化物偏析等缺陷暴露在有表面粗糙度要

求的表面时，就会给淬火后的研磨带来困难，并造成量具在使用中生锈。此外，

非金属夹杂物还可能产生区域性的残余应力分布、碳化物偏析、带状组织等，从

而导致物理性能和力学性能的各向异性，在热处理时就容易引起不均匀的变形。

严重的碳化物偏析和带状组织也会造成难以清除的残留奥氏体的不均匀分布，影

响尺寸的稳定性。因此，量具用钢对退火组织、残余碳化物网、非金属夹杂物都

有一定的技术要求。

对于要求高精度、高耐磨性、尺寸稳定、淬火变形小、硬度均匀及尺寸较大

的量具，常采用Cr、W、Mn等元素的低合金工具钢或轴承钢，如GCr9、GCr15、

GCr15SiMn、CrMn、CrWMn、9Mn2V等。对于量具零件，可选用T10、T10A等碳

素