21MnCr5工具钢：高性能冷作模具钢的综合解析
一、材料概述
21MnCr5是一种冷作合金模具钢，以优异的耐磨性、高强度和良好的韧性著称。其成分设计平衡了碳元素的强化作用与铬、锰元素的淬透性提升，适用于高精度、高负荷的冷作模具及机械零件制造。该钢种经热处理后硬度可达58-62 HRC，且变形率低，被广泛应用于汽车、电子、机械等精密制造领域。
二、化学成分设计
21MnCr5的化学成分经过优化，在保证硬度的同时兼顾韧性：
- •
- 碳（C，0.18-0.24%）：提供基础硬度和耐磨性，但含量适中以避免脆性。
- •
- 铬（Cr，1.00-1.30%）：增强淬透性、耐磨性和耐腐蚀性，通过形成碳化物提升表面硬度。
- •
- 锰（Mn，1.10-1.40%）：提高淬透性和韧性，稳定奥氏体组织。
- •
- 硅（Si，0.15-0.35%）：辅助脱氧和强化基体。
- •
- 磷、硫（P/S≤0.030%）：严格控制杂质含量，减少晶界脆性。
三、物理与机械性能
1. 物理性能
参数
数值
密度
7.85 g/cm³
弹性模量
210 GPa
热导率
30 W/(m·K)
线膨胀系数
11×10⁻⁶/K
比热容
0.46 kJ/kg·K
高导热性与低热膨胀系数确保模具在反复冷热循环中保持尺寸稳定性。
2. 机械性能（淬火+回火态）
- •
- 硬度：58-62 HRC
- •
- 抗拉强度：≥1200 MPa
- •
- 屈服强度：≥1000 MPa
- •
- 伸长率：12%
- •
- 断面收缩率：35%
- 高屈服强度与适度延伸率的结合，使其兼具抗冲击性和抗变形能力。
四、热处理工艺
21MnCr5的性能高度依赖热处理工艺，核心流程包括：
- 1.
- 退火
- •
- 温度：680-710℃
- •
- 冷却方式：随炉缓冷
- •
- 目的：降低硬度至约217 HBW，改善切削加工性并消除内应力。
- 2.
- 淬火
- •
- 温度：810-840℃
- •
- 冷却介质：油或水
- •
- 效果：获得马氏体组织，硬度达60 HRC以上，确保高耐磨性。
- 3.
- 回火
- •
- 温度：150-200℃（低温回火）
- •
- 保温时间：依工件尺寸调整
- •
- 作用：消除淬火应力，小幅降低硬度（维持58-62 HRC），提升韧性并稳定组织。
关键控制点：回火温度超过300℃时硬度显著下降（如400℃回火硬度降至54 HRC），需严格控制工艺。
五、核心优势
- 1.
- 高耐磨性与硬度
- 淬火后硬度达62 HRC，可抵抗金属冷加工中的剧烈磨损，延长模具寿命。
- 2.
- 低变形率与尺寸稳定性
- 热处理过程中体积变化小，配合低热膨胀系数，适合精密模具（如冲压模、注塑模）。
- 3.
- 良好的加工适应性
- 退火态硬度低（217 HBW），易于机械加工；淬透性优异，大截面工件也能均匀硬化。
- 4.
- 耐腐蚀性
- 铬元素形成钝化膜，抵抗塑料熔体腐蚀及潮湿环境氧化。
六、典型应用领域
领域
应用部件
性能需求
汽车制造
车门冲压模、发动机零件冷镦模
高抗冲击性、耐磨性
电子行业
连接器冲模、外壳注塑模
高精度、低变形率
机械制造
齿轮、轴类零件、切削工具
高硬度和疲劳强度
塑料模具
家电外壳注塑模、吹塑模
耐腐蚀性、表面光洁度
冷作模具
冲裁模、拉伸模、冷挤压模具
高频次载荷下的耐磨性
七、总结与展望
21MnCr5凭借成分优化（碳铬锰协同强化）、可控的热处理响应（低变形淬火+回火）及多场景适应性，成为冷作模具钢中的高效能选择。其核心价值体现在：
- •
- 寿命与经济性：高耐磨性减少停机换模次数，降低生产成本；
- •
- 精度保障：低变形率维持复杂模具的尺寸公差，提升产品一致性；
- •
- 工艺灵活性：适用锻造、轧制、机加工等多种成型方式。
随着新能源汽车、微型电子元件等精密制造领域的快速发展，21MnCr5在轻量化部件、高精度微成型模具等场景的需求将进一步扩大，持续推动高端制造业的技术革新。
