热作模具钢的发展
各国常见热作模具钢
1 各国（前苏联、日本、美国、瑞典、中国等钢牌号见表1） 加热模具钢一览表。
表1 加热模具钢一览表
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编号
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中国
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前苏联
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美国
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日本
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瑞典
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1
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5CrMnMo
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5XrM
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SKT3
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2
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5CrNiMo
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5XHM
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SKT4
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3
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4Cr5MoVSi
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4X5MψC
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H-11
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SKD6
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4
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4Cr5MoV1Si
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H-13
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SKD61
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8402
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4Cr5MoV1Si
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H-13
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DAC
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8407
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5
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3Cr2W8V
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3X2B8ψ
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H-21
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6
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4Cr5W2VSi
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4X2B8ψ
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7
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3Cr4W2Mo2V
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3X4B2M2ψ(πu-470)
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8
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40Cr2SiWMoVAe
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40X2CBMψm(πu-640)
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9
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4Cr5WMoVSi
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4X5BMψC
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H-12
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10
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4Cr4Mo2WVS
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4X4M2BψC(πu22)
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11
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3Cr3Mo3V
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3X3Msψ
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H-10
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12
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45Cr3W3MoV$i
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45X3B2MψC(πu23)
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13
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4Cr3W5Mo3V
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4X3B5M2ψC(πu-471)
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14
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3Cr3-3Mo系
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SKD7
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15
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3N13Mo系
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DH75
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16
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20Cr2Mo2WVNiCo
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YHD-3
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17
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4Cr5W5
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H-14
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18
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4Cr4W4MoV2C04
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H-19
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SKD8
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19
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4Cr3W11V
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H-22
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20
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见表3
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QRO-80M
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21
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见表3
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QRO-90M
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22
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55CrNiMoV6
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德国2713
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23
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5Cr4Mo3SiMnVAe(012Ae)
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24
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6Cr4Mo3Ni2WV(CG·2)
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25
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35Cr3Mo3W2V(HM-1)
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26
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3Cr3Mo3VNb(HM·3）
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27
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4Cr3Mo3W4VNb（GR）
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28
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4Cr3Mo2NiVNb(HD)
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29
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4Cr2MoVNi(B2)
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TF-1
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30
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3Cr2WMoVNi(B3)
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31
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45Cr2MoVNiSi
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32
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28Cr2WMoVNiSi
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2 各国钢牌号，均有各国家标准钢牌号和生产厂家标准钢牌号。如SKD61是日本国家标准钢牌号，但DAC、YHD-3是生产厂家标准钢牌号
3 每外国标准的钢牌号，均可找到与其对应的中国标准钢牌号。
4 编号1-6、22-32等17种标准钢牌号，是我国已生产过。
热作模具钢中的合金元素
国家标准中，有四种高韧性锤锻模具钢：5CrNiMo、5CrMnMo、5MnMoSiV、5Cr4Mo。其中5MnMoSiV是为改善5CrNiMo钢淬透性而研制的，5Cr4Mo钢，主要是作为堆焊电极材料。70年代研制了无镍钢锤锻模模具钢5MnMoSiV，主要用于大中型模具，该钢加入矾，并采用硅锰复合合金化，强度有所提高，但由于含碳量仍保持在0.50%左右，其韧性有所降低趋势。近年来研制的4Cr2MoVNi、5Cr2MoVNiSi、45Cr2MoVNiSi，高温强度有所提高，且含碳量有略微下降，因此韧性有所提高。上述钢均用于大吨位锤锻模和机锻模。80年代前苏联、日本等国锤锻模具钢的发展趋势是：
I把钢中碳含量降低，即从0.5%降到0.4%，个别的可降至0.30%。
II钢中加入铬、钼、钨、钒的同时又添加钴、铌、钛、稀土、微量的钙、铝、氮等元素，进行多元合金化，合金元素总量在5-10%不等。模具材料使用温度及强韧性均有所提高，模具使用寿命可提高20%-120%。总的趋势是向着低碳、沉淀、硬化方向发展。为此弄清楚各合金元素作用之前，必须说明几个原则。
1 几个原则
-降低钢中碳的含量，淬火后能得到以板条状马氏体为主的组织，以保证模具材料的高韧性。
-实施多元复合合金化，以提高钢的热强性。合金化时，应特别注意防止第二类回火脆性。
-研究实施合理的强韧化热处理工艺，保证热强性与热韧良好的配合。
-在达到要求的综合性能前提下，尽量减少其合金元素的用量，降低新钢种的成本。
2 合金元素的作用
1） 碳
是控制马氏体强度的关键因素，也是影响韧性的主要因素。国内外关于低碳马氏体的大量研究表明：若要获得较好的综合机械性能，钢中碳量要控制在0.45%-0.30%。
2） 铬
铬形成碳化物，可提高钢的淬透性。淬火加热时铬溶于奥氏体，淬火后固溶于马氏体中，可以提高钢的抗回火能力。热作模具钢中，α-Fe中铬含量少于2%时，随着铬含量的增加，高温强度随之上升，但铬含量大于2%时，高温强度将随铬含量的增加反而下降。同时，还会引起碳化物偏析，将导致降低冲击韧性。一般讲，热作模具钢，铬含量应控制2%为宜。
3） 钨和钼
钨的加入在多元复合合金化的热作模具钢中，可以明显地降低钢的过热敏感倾向，并提高钢的热稳定性。但钨的含量超过2-3%，钢的热强性不会再有明显提高，反而会使韧性下降。一般应控制在1%左右。
钼的加入，可以提高钢的淬透性与热强性，又可以防止第二类回火脆性。但钼加入过多，会造成钼碳化物偏析，在回火过程中沿晶界呈针状或网状析出，影响钢的韧性。在高韧性热作模具钢中，钼含量以0.6-1%为宜。
4） 钒
钒可以降低钢的过热敏感倾向。在低合金钢中加入0.1-0.3%的钒就有明显的效果。马氏体钢中，钒含量达到0.5%就可以产生足够的二次硬化效应。钒量过高，在二次硬化温度范围内回火，钢的塑性、韧性将明显下降，故钒加入量不能超过1%。
5） 镍
镍为非碳化合物形成元素，可提高钢的淬透性。对钢的强度与韧性，均有良好作用。但过量镍会促使沿奥氏体晶界析出碳化物，这会导致基体中合金元素含量降低，使钢热强性下降。大型锤锻模具钢镍含量一般不会超过1.5%。
6） 硅
硅的加入可提高钢的淬透性和基体强度。硅溶于α-Fe中，使其强化，并提高α-Fe转变 r-Fe的转变温度及高温抗氧化能力。硅是不溶于碳化物，但能提高回火时析出特殊碳化物的弥散度；近期研究表明：加入适量的硅可以改善钢的韧性，在以碳化物为强化相的热作模具钢中，硅量一般以0.5-0.8%为宜。
7） 锰
锰，除了能提高淬透性之外，还可以消除硫的有害影响。它的含量，一般控制在0.5-0.8%。
8） 钴、铌、钛
铌可形成稳定性很高的NbC，在1050℃刚刚开始溶入奥氏体中，因此抑制晶粒长大，可提高热强性和高韧性。
钴的加入可显著提高耐氧化性和红硬性（耐磨性能好），如美国的H-10钢中。加入3%的钴，可大大提高其钢的耐磨性能。
钛在钢中的作用，就是在高温时，避免晶粒粗化，因此可以强化钢的基体，又能提高钢的韧性。
9） 硫与磷
由原材料带入的有害元素，参照5CrNiMo钢的冶金含量标准，均控制在少于0.03%范围。
国外热作模具钢
1 国外热作模具钢
对于要求高韧性、低耐热性的锤锻模用钢，国外仍以5CrNiMo钢为主。为进一步提高锻模寿命，开发了韧性较高、耐热性更好的钢种，如前苏联已使用多年的30X3HMψ、4X3BMψ，美国的H10、H11、H13等，其模具寿命可为5CrNiMo钢的1.5-3倍。
对于小尺寸的锤锻模，采用H10类型的模具钢虽然有许多优点，但其性能受淬火冷却速度的影响很大，冷却速度慢时，韧性就会显著下降。为此，日本爱知钢厂将3Cr-3Mo系钢加以改进，提高了Si、Cr、Ni的含量，使韧性提高一倍以上。在重约100kg的汽车锻件上，模具寿命提高了约0.8倍。表2给出了这类钢的化学成分，性能和模具寿命。
近年来日本大同特殊钢厂还开发了一类保留5%以上残余奥氏体的热作模具钢。这类钢采用淬火后从550℃缓冷至150℃，或者在Ms点附近保温的办法，使奥氏体稳定化，从而使钢的韧性与持久强度比H10、H13提高1倍以上。
表2 改进后的日本3Cr·3Mo系钢化学成分、性能及寿命
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编号
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化学成分-%
|
回火温韧性值模具寿
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|||||||||||
|
C
|
Si
|
Mn
|
Ni
|
Cr
|
Mo
|
V
|
W
|
Nb
|
Ti
|
度/℃
|
比较
|
命/次
|
|
|
1
|
0.32
|
0.85
|
0.88
|
|
3.03
|
3.12
|
0.43
|
|
|
|
635
|
100
|
5050
|
|
2
|
0.38
|
0.84
|
0.72
|
0.84
|
5.52
|
3.48
|
0.63
|
|
|
|
635
|
224
|
8200
|
|
3
|
0.43
|
0.82
|
0.53
|
0.38
|
5.56
|
2.81
|
0.48
|
1.04
|
|
|
640
|
232
|
8550
|
|
4
|
0.41
|
0.93
|
0.75
|
1.32
|
5.63
|
3.52
|
0.81
|
|
0.16
|
|
635
|
245
|
8250
|
|
5
|
0.39
|
0.87
|
0.56
|
0.69
|
5.63
|
3.28
|
0.63
|
0.63
|
|
0.21
|
635
|
239
|
8150
|
压力机锻模用钢发展的一个特征是迅速普及应用大量析出硬化相模具钢。由于用户对此类钢买来后可不必淬火，不仅可以使制模周期缩短，而且使模具寿命获得提高，这类典型模具钢有3Ni-3Mo型，如日本的TP1、HD24、DH75，美国的6F4，法国的3455、20DN、3211。日本大同钢厂还在3Ni-3Mo钢基础上进一步改进，降低碳含量，加入2.5%的Co，使钢的韧性提高1.6倍，寿命提高50%。各国模具钢标准中都有一些含钴的钢种。日本在公布的新标准中就补进了含钴的美国H19类钢种，定名为SKD8。钴的价格较高，属于稀缺的战略物资，只有在必要时才使用含钴的模具钢。
另一条提高热作模具钢热稳定性与韧性的途径是合金元素含量更加合理化。瑞典Uddeholm公司近年来开发了ORO80M、QRO090M、新钢种，它是利用合理合金化配比，使其产生较多弥散的VC析出相，并在微量元素下，提高钢的热稳定性、抗热疲劳性。在这些性能方面均优于3Cr2W8V钢。其成份见表3。
表3 Uddeholm公司的新钢种
|
钢种
|
出厂硬度/HB
|
主要成分/%
|
淬火温度/℃
|
回火硬度/HRC
|
用途
|
|||
|
C
|
Cr
|
Mo
|
V
|
|||||
|
QR080M
|
180
|
0.4
|
2.6
|
2.0
|
1.2
|
1020
|
50
|
铜合金热挤压
|
|
QR090M
|
180
|
0.4
|
2.6
|
2.25
|
0.9
|
1020
|
50
|
热锻热挤压
|
波兰近年来也研究出WNWl钢，其成分为2.8Cr-1.5W-2.8Mo及少量的Ni、N等元素。该钢合金元素含量低，可生产较大的锭子和锻件。据报道，200mmX200mm截面的锻件，其偏析程度可达到瑞典用粉末冶金生产的ASP30水平。在其显微组织中，可看到弥散分布的TiC相，从而使钢材的硬度和耐磨性均获得较大的提高。波兰的一些工厂现已采用该钢种。日本高周波钢厂开发的类似钢种取名为KDWl，其耐热性比高速钢好，而冲击值为其2倍。
国外热锻模正向大型化和复杂化发展，模具材料的开发重点是提高材料的抗热疲劳性和减少热处理变形。瑞典Uddeh01m公司改进工艺，采用精炼技术，加上高温扩散退火工艺，开发了一种8407新钢种，使钢材的异向性获得显著改善。该钢种允许在较高硬度下使用，从而使热疲劳性能得到提高。日本高周波钢厂开发的类似钢种取名为KDA，法国蒂森特钢厂推出类似钢种取名为EFS。
2 国内热作模具钢
一汽从20世纪50年代引进模具材料到试验研究，生产实践，再引进，再研究，再生产的过程，正是我国模具发展的一个缩影。
1） 一汽的模具
一汽的锻压设备是齐全的：模锻锤、热模锻压机、平锻机、摩擦压力机、高速镦锻机。生产模锻件8万吨／每年，需要模具材料50CrNiMo近千吨，模具材料消耗也是很大的。
I 1956年一汽从前苏联引进50CrNiMo模具材料。
II 1958年苏联停止供应模具材料后，自己先后开始研制双金属5Cr2MnMo／45Mn2电渣堆焊模块、4Cr2MoVNi／30CrMnSi电渣重熔模块，但分别由于心部裂纹、表面裂纹严重而停止生产。
III 又开始采用整体模块钢，从日本、德国等国进口，SKT4、2713。
IV 20世纪80年代末，一汽弃双金属改用整体4Cr2MoVNi(B2)锻钢模具，广泛应用在锤锻模和大型机锻模。此前后又研究出适用于中、小机锻模的模具材料——3Cr2WMoVNi(B3)
2） 其它科研单位、院校、工厂、尝试过一些钢种：为提高热冲、热轧、热锻及中、小机械压力机用模具钢的性能，以替代目前采用的5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V钢种，国内多年来进行了许多研究，如7 0年代研制的35Cr3Mo3W2V(HMl)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3MoW4VNb(GR)等，在热稳定性、热疲劳性等方面均有所提高。
此外，国内还研制了5Cr4W2Mo2SiV、5Cr4Mo6Ni2WV、7W4Cr2MoNiV、5Cr4W5MoV等钢种，用于热精锻或热挤压模，效果也较好。80年代研制的高热高强韧性钢28C r2NiMoWVSi、6Cr2Mn2SiMoV、65W8Cr4VFiC(LM 1)、65Cr5Mo3Mo3W2rSiTi(LM2)、4Cr2Mo2WV(TM)、4Cr3Mo2NiVNb(HD)，后面两种钢用来代替3Cr2W8V效果较好。
为提高大截面机锻模与锤锻模的热强性，近年研制的钢种有5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi、55NiCrMoV、ER8、3Cr2MoWVNi、4Cr2MoVNi，最后一种钢在第一汽车制造厂锤锻模上应用，其模具寿命提高30%-50%。
正是后面两种，在一汽使用已经十几年了，应用效果还不错。
结论：
综上所述，我国模具材料应立足国内资源，适合中国国情。笔者认为，一汽从诞生那天起，近半个世纪引进、生产、研究、再生产。证明了适合汽车厂、机车车辆工厂、工程机械厂等锻压用的热作模具钢：
1 B3钢(3Cr2WMoVNi)可适用于中小型机锻模。
2 B2钢(4Cr2MoVNi)可适用于锤锻模、大型机锻模。
