我国模具钢市场前景

    目前，全世界模具总产值约680亿美元，我国在2005年模具销售额已达到610亿元(人民币)，名列日本、美国之后，居世界第三位。近十年来，国产模具产值每年平均递增1 5.5％，高于我国GPD的年增长速度，但是，模具总量仍然供不应求，国产模具的自配率不足80％，其中，中低档模具供过于求，而且高档模具近50％靠进口，尤其是大型、精密、复杂、长寿命的模具缺口更大。中国是模具进口大国，年进口金额相当于国产模具产值的25～30％。

    由于我国模具产业的高速发展，拉动了国产模具钢的消费，自21世纪以来，国产模具钢的产量迅速增加。

    随着全球经济正在进行产业结构转移，制造业向中国和东南亚转移，预计到2020年中国将成为世界制造强国和制造业中心。模具是现代制造业核心工具，是工业制造中不可缺少的成型工具。从日本、美国、德国等工业发达国家制造业的发展历程说明，凡是制造业发达的国家，模具产业必须繁荣，因此，中国必然成为制造模具的大国，而模具产业的发展，必定拉动模具钢的消费。

    从近几十年我国模具钢市场的现状和国内外模具钢发展的情况分析可以得出如下结论：即我国模具钢正处于发展的上升通道中，模具钢市场前景看好。

    重视塑料模具钢的发展

    近半个世纪，塑料工业发展迅速，产量急增，1 960年，世界塑料总产量仅670万吨，到2001年已达到16450万吨，如今，塑料已经和钢铁、木材、水泥一起构成现代社会的四大基础材料，是农业、工业、交通运输业、能源、信息产业、宇宙空间和海洋开发等领域不可缺少的重要的材料之一。中国塑料工业经50年发展历程，取得了很大成就，已跨进了世界塑料大国的行列，2001年，我国塑料制品已经超过2000万吨，仅次于美国，居世界第二位。

    塑料制品大部分必须依靠模具成形，因此，模具需用量迅速增加，2000年，国产塑料模具产值约100亿元(人民币)，而2003年已发展到176亿元，3年平均增长率为21％，高于模具行业总体发展速度近4个百分点。为此，塑料模具钢的用量急增，在这3年内，国产塑料模具钢的产量平均年增长率为32％。2004年国产塑料模具钢产量为31.3万吨，约占模具钢总产量的60%。由于塑料品种不同，性能各异，而且根据塑料制品的尺寸，形状复杂程度、精度、表面粗糙度和生产批量等各方面的不同情况，对塑料模具钢提出不同的要求，因此，工业发达国家的塑料模具钢已发展成为一个专用系列，其中包括碳素塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、易切削型塑料模具钢、耐蚀型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、非调质型塑料模具钢、高耐磨型塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢和无磁模具钢等。

    我国塑料模具钢的研制和开发起步较晚，在GBl299—2000标准中，合金塑料模具钢只有2个钢号，即3Cr2Mo(美国P20)和3Cr2MnNiMo(瑞典718)，不能满足生产需要。必须指出，近十几年来，我国家电市场需求量迅速发展，一批大型家电集团崛起，这些家电集团每年需用大量的大型、精密、复杂、长寿命的塑料模具，多数企业的模具费用高达数千万至上亿元。过去，这些高档的模具基本上依靠进口。为提高本企业的竞争能力和减少对昂贵进口模具的依赖，“海尔”、“科龙”、“美的”、“康佳”、“格力”、“荣事达”、“TCL”、“上海夏普”、“水仙”等集团先后建立自己的模具制造中心或模具分厂，均各自投入数千万至数亿元的资金引进一批世界一流的精密加工设备，生产企业所需的模具，已经具备批量生产高档模具的实力。但是由于国产模具钢的品种、规格、质量和交货周期不能满足需要，尤其是家电行业需要大量的P20、718等类型的预硬化塑料模具钢，国内冶金厂只能部分供应中小尺寸的钢材；而预硬化的大型模块，国内基本上不能供应。严重地影响塑料模具的质量、使用寿命和交货周期。至今，高档的塑料模具钢仍然大量依靠进口。从表1可见，自2003年以来，我国每年进口的塑料橡胶模具占模具总进口量的一半以上。因此，应重视发展塑料模具钢适应我国家电行业发展的需要。另外，从模具技术发展而言，我国塑料模具是模具行业中发展速度最快，市场化程度最高以及技术水平与国外最接近的模具种类。所以，塑料模具钢是个值得注意、有发展前途的模具钢新领域，其中，预硬型、耐蚀型和时效硬化型塑料模具钢的发展更值得注意。

    表1 2003年～2005年各类模具的进口情况
   

进口项目	模具进口金额亿美元	塑料橡胶模具		冲压模具		其它模具及标准件
年度		金额,亿美元	所占比例,%	金额,亿美元	所占比例,%	金额,亿美元	所占比例,%
2003	13.69	7.79	56.9	4.78	34.9	1.12	8.2
2004	18.13	9.86	54.4	5.61	30.9	2.66	14.7
2005	20.68	11.45	55.4	7.26	35.1	11.97	9.5

    提高模具钢质量的途径

    近一、二十年来，为了提高模具的质量和使用寿命，工业发达国家把提高模具材料的质量和性能放在重要的位置，主要措施如下：

    1 高纯净度模具钢

    钢的纯净度提高到一定水平，不但可以改进钢的原有性能，而且可以赋予钢的新性能。日本大同特殊钢公司把SKD61(4Cr5MoSiVl)钢中硫、磷含量从0.03％降到0.01％以下，冲击韧性提高一倍以上；日立金属公司把SKD61钢中的磷含量从0.03％降到0.001％，钢的冲击韧性从40J/cm2提高到130J/cm2；德国蒂森把2344(H13)电渣中的磷含量降低到≤0.003％且细晶化，钢的疲劳性能明显提高。将钢中的氧含量降低，也可以显著改善钢的韧性，国外有些特殊钢厂将模具钢的氧含量规定为≤15×10^-6。

    为了提高模具钢的纯净度，国外普遍采用二次精炼工艺，主要用真空炉外精炼、电渣重熔、真空白耗等手段生产模具钢，以提高钢的纯净度，降低钢中有害夹杂物含量，表2列出4Cr5MoSiVl电渣钢与电弧炉钢非金属夹杂物的检验结果。由于钢中非金属夹杂物含量降低，尤其是脆性非金属夹杂物含量降低，有效地提高钢的抛光性能和改善表面粗糙度，这对于高档的塑料模具钢尤为重要。因此，日本山阳特殊钢公司规定高纯净度的模具钢中的[0]≤10×10^-6、[S]≤50×10^-6。

    表2  4Cr5MoSiVl电渣钢与电弧炉钢非金属夹杂物级别的比较
   

冶炼工艺	规格(φ)/mm	检验炉数	氧化物/级				硫化物/级
			锭上部		锭下部		锭上部		锭下部
			最大	平均	最大	平均	最大	平均	最大	平均
电弧炉+电渣重熔	85-200	11	1.5	1.04	1.5	0.91	1.0	0.68	1.5	0.73
电弧炉	40-220	9	2.9			1.44	1.0			0.78

    2 高等向性能模具钢

    模具大部分是多向受力，因此提高钢的等向性能，改善钢的横向韧性和塑性，使其与纵向性能接近，就可以大幅度提高模具的使用寿命。近二十年来，国外不少特殊钢厂都采用不同工艺措施致力于开发高等向性能的模具钢，并且各自命名一些商业牌号。

    要获得高等向性能的模具钢，目前国外采用真空炉外精炼或电渣重熔、高温扩散退火和大锻造比的等向锻造工艺相结合，减小了大截面模块表面和心部横向和纵向性能的差异。

    以生产高等向性能的4Cr5MoSiVl模具钢为例，主要的生产工序如下：即采用电渣重熔，除了提高钢的纯净度、降低钢中的非金属夹杂物之外，还可以使钢中的枝晶间距变小，结晶结构改变。另一个重要生产工序是对钢锭或钢坯进行高温扩散退火，使钢中原先较小颗粒的一次碳化物完全溶解，并在随后冷却过程中析出球状的碳化物；而原先条状粗大的一次碳化物则通过高温扩散溶解一部分，使其变小和球化，结合适当的软化处理，可获得球状碳化物均匀分布在铁素体基体上的组织，从而显著地提高钢的横向冲击韧性，从表3可看出，经过高温扩散退火加软化处理的4CrSMoSiVl钢退火态的横向冲击功为101J，其淬回火态冲击功为24.2J，其冲击功均较未进行高温均匀化处理的试样冲击功高l倍以上。在热加工工序，采用多向锻造或交叉轧制技术，并配合大压下量，可进一步改善钢的碳化物分布。高等向性能的4Cr5MoSiVl模具钢的横向冲击功可达纵向冲击功的80～90%，有效地提高模具的使用寿命。

    表3 热处理工艺对4CrMoSiVl钢横向冲击韧性的影响
   

热处理工艺	冲击功(J)
高温扩散退火+高温回火	101
常规退火	44
高温扩散退火+高温回火+淬回火处理	24.2
常规退火+淬回火处理	9.9

    模具钢的品种规格的多样化、产品精料化、制品化

    为了提高模具制造业的生产效率和材料利用率，缩短模具制造周期，配合模具工业的标准化、系列化、设计和制造过程中CAD/CAM技术的应用，模具钢的品种规格迅速向多样化、精料化、制品化发展。

    1 多样化

    合金工模具钢品种可大致分为：热轧或热锻棒材、模块、板材、扁钢、冷拔棒材、带材、丝等，其中棒材的比例最大。但近20多年来，国外特殊钢厂的合金丁模具钢材的品种规格趋于多样化，其中，中小型棒材的比例明显下降，扁钢和中厚板的产量和所占的份额增长很快。这主要是由于大部分的模具是由几块扁平形的工件组合而成的。因此日本已形成了模具扁钢标准JIS506。美国ASTMA681标准也对扁钢、模块等作了相应的专门规定。
在扁钢和中厚板产品中，80%以上是塑料模具钢。扁钢比例的提高，不但缩短了模具制造周期，而且不必再进行棒材改锻和随后的退火处理。对于部分塑料模具钢的品种还易于(如：美国的P20系列塑料模具钢)实现予硬化，从而，大大缩短了模具的制造周期，并提高了材料的利用率。

    2 精料化

    目前，世界工模具钢的外型及尺寸精度发展的方向是精料化。就冶金生产厂而言，就是给中间商或模具制造厂提供尺寸精度高的产品。
对于锻材，通过采用精锻机和快锻液压机锻造，以提高钢材的精度。对于轧材，通过采用高精度连轧机和精密定径机等手段，提高轧材的精度。对于要求更高的模具钢材，则根据要求，采用冷拔、无心磨削、平面铣切、平面磨削、削皮、辊光等工艺方法，提供高精度、无脱碳层的精料。日本一些主要的模具钢生产厂，通过冷加工生产的精料占钢材总量的60％左右，美国的模具钢生产厂，为了提高锻材的精度，一般90%以上都是削皮材。

    3 制品化

    国外一些特殊钢厂大力开展模具钢产品的深加工，大批量提供经精加工和调质处理的模块、模板和标准件制品。如日本大同特殊钢公司在90年代专门成立了大同精密模具公司，能够提供17个钢号1400多个规格的经淬回火、精加工的模块以及标准模架和模具标准件；瑞典UDDEHOLM工具钢公司具有强大的热处理和机加工设备，能提供各种规格的精加工材料。模具制造厂可以根据需要选购标准模架和模块，只对模具的型腔部分或刃部进行精加工，与标准模架组装后以后，即可交货。可以有效的缩短模具制造周期，降低模具的生产成本。

    因此，从模具制造业的发展需要看，模具钢品种规格的多样化、精料化和制品化是当前模具工业的方向。

    模具钢的质量与标准的关系

    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，以Uddeholm公司生产的H13(8407)钢模块和国产H13钢模块对比研究结果表明，国产钢夹杂物、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，模块心部横向的冲击韧性只有纵向的0.2～0.3，而进口H13钢为0.6～0.8：进口H13钢中的硫、磷含较国产H13钢低一个数量级，生产实践证明，一般国产H13钢制的压铸模具寿命为3～5万模次，而进口的优质H13钢制的压铸模具寿命可达20万次。与进口优质钢相比，尽管国产钢存在较大的差距，却均是按中国标准生产的合格产品，用户也没有投诉的理由。而按北美压铸协会NADCA#207—90标准检验，由于退火组织、带状组织和冲击韧性等均有问题，所以是不合格的。这正是国产H13钢生产质量差的关键问题。

    全面对比不同国家H13钢的生产标准如表4所示，可见，国外H13钢标准控制指标最多达8项，而我国标准只有3项，其中纯净度、退火组织和冲击韧性三项指标是国外标准均采用的，而中国标准没有采纳。日前国产H13钢如果能达到这三项关键指标，其性能肯定能明显提高。

    表4 我国国家标准与部分国外标准对H13钢的材质要求
   

	化学成分	交货硬度	纯净度	超声波探伤	晶粒度	退火组织	带状	冲击韧性	断口或低倍	脱碳
中国GB1299-2000	●	●	—	—	—	—	—	—	●	●
北美NADCA#  207-2003	●	●	●	●	●	●	●	●	—	—
德DGM-97	●	—	●	—	●	●	●	●	—	—
法国 CNOMOEO1.17.221.N	●	—	●	—	—	●	—	●	—	—

    （注：“●”→检验；“—”→不检验）

    产品标准既是产品制造过程的工作依据，也是客户验收产品的依据，标准本身的水平象征产品的水平，也是企业参与市场竞争的有力砝码。在国外工业发达国家的企业，只是把国际标准作为最低的标准，而在这些企业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”。因此，我国模具钢的国家标准应尽量向国际标准靠拢，同时，模具钢主要生产厂应制订比国家更高的企业标准或“内控标准”，只有这样，才能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。

    开发高性能模具钢新品种

    近十几年来，我国模具工业下了很大的投资，尤其是国家优惠政策，对扶植重点专业模具厂的发展起了重要的作用；另外由于CAD/CAE/CAM的采用，制造加工中心、高速铣床等先进设备的引入等，使得国产模具产品质量提高了一个档次。与我国模具产业发展速度相比，国产模具钢在品种的开发和质量的提高就没有这么快了，所以一直处于被动的局面，即国产模具钢的品种规格、质量、性能和交货周期等与模具行业之间的适应度的差距拉大了。

    分析我国模具市场可以发现，销路较好的模具钢大概有十几种，即Cr12、C r12MoV、Crl2Mo1 Vl、CrWMn、5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V、4Cr5MoSiVl、3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo，这些典型模具钢种，大部分是我国上世纪50年代袭用国外钢号，其中有几个是上世纪80年代引进的，而近十几年来，由于科研开发投入力度不足，模具钢品种的研究和开发几乎处于停滞状态。即使在上世纪70～80年代，面对模具钢市场对高性能模具钢的迫切需求，国内也开发和引进不少适合国情的新钢种，满足了模具较高力学性能、特殊工艺性能和特殊使用性能的要求，解决了模具使用中的一些难题，大幅度地提高模具使用寿命；但由于推广不力，技术指导不够或使用不当，新钢种没有得到广泛的应用，年用量仅相当于国内模具钢总量的2％～2.5％。

    然而，近几年来，为了满足模具工业的发展需要，面对激烈的市场竞争，国外许多钢厂开发了不少高性能的模具钢，并向市场推出一批新钢号(见表5)。通过产品的更新换代，以巩固在国际市场竞争的领先地位。也就是说，在模具钢品种方面，尤其是高性能模具钢的品种，国产钢与国际先进工业水平相比，差距也拉大了。

    表5 近年来国外推出的新型模具钢化学成分(mass%)
   

钢号		C	Cr	Mo	V	Si	Mn	Ni	W	其他
冷作模具钢	DC53(日本)	1.00	8.00	2.00	0.28	0.91	0.32
	VascoDIE(美国)	0.82	7.95	1.50	2.50	1.00
热作模具钢	W400(奥地利)	0.39	4.67	1.40	0.40	0.19
	DIEVAR(瑞典)	0.39	4.80	2.40	0.50	0.24
	GS344(德国)	0.43	5.00	2.92	0.50	0.25
	GS999(德国)	0.45	3.00	5.00	1.00	0.20
	DAC55(日本)	0.42	5.11	2.44	0.70	0.20		0.64		Co:0.58
	DH31-s(日本)	0.41	4.90	2.20	0.51	0.20
	AMAX(日本)	0.40	5.50	3.20	0.80	0.10		0.60		Co:0.60
	YHD3(日本)	0.20	2.80	1.80	0.40			0.80	0.70	Co:1.00
塑料模具钢	PMF(日本)	0.52	1.05	0.30	0.20	0.25	1.00	2.00		S:0.05-0.20
	DKA-F(日本)	0.38	5.00	1.10	0.60	0.50	0.80			S:0.08-0.13  Se:0.10-0.15
	40CrMnMo7(德国)	0.40	1.90	0.20		0.30	1.50			Ca:0.002
	NAK80(日本)	0.10	0.30	0.35		0.40	1.55	3.00		Al:1.00 Cu:1.00

    由于国产模具钢的品种少，规格不全，而且质量和售后服务也不很好，因此，缺乏市场竞争力。自进入WTO以来，模具钢已取消进口配额，国外各厂商都看好中国市场，纷纷在我国建立分销或代销点，使我国钢铁企业失去了模具钢中的高端市场，也就是失去利润最高的一块市场，这对我国冶金企业和模具制造业的发展极为不利，因此，应加大科技投入，积极开展高性能和有特殊性能的模具钢新钢种的研制和开发工作，为市场提供高性能、高质量模具钢产品。

    创造高档模具钢的民族品牌

    近十几年来，为了适应我国模具钢工业的发展，生产高档的模具钢产品，我国生产模具钢的骨干企业如上钢五厂、抚顺钢厂、长城特钢等均做了大量的技术装备改造工作，上钢五厂、抚顺钢厂还引进了具有国际先进水平的模具钢生产设备和技术；如今，这些企业在冶炼、热加工等主机设备方面与国际一流的模具钢专业生产厂如瑞典的乌德霍姆、日本的日立等已经不相上下，但是生产线还不配套，主要是后步生产工序还不完善。再加上这几年来，我国在模具钢的技术投入不足，这就决定了国产模具钢在质量、品牌等方面仍然不尽人意，使得国产模具钢产品的价格及附加值远远落后于国外模具钢产品，造成每年要进口大量的模具钢材和模具，这也是国内冶金企业急需调整的环节。关于我国模具钢的发展战略，中国钢铁工业学会指出，“在模具钢发展观念走在各家特钢企业前面的上钢五厂，投资建设模具热处理及加工中心是值得其它模具钢生产厂家借鉴的做法”，这个意见是正确的。作者认为，那些拥有生产模具钢先进设备的生产厂，如果再下点本钱，完善模具钢生产的后步工序，并加强模具钢的科技投入力度，创造具有国际先进水平的模具钢民族品牌这个目标，在不久的将来，是可以实现的。