热锻模具钢的设计需综合考虑工况需求、材料特性、工艺可行性及成本效益，其核心目标是实现模具在高温、高压、高频冲击及冷热循环环境下的可靠性与长寿命。以下是设计过程中需重点关注的方面：

一、明确工况需求，精准定位性能指标

温度范围与热循环特性

确定模具工作温度（如800-1200℃）及温度波动频率，以此选择具有合适高温强度、热疲劳抗力和导热性的钢种。例如，高温合金锻模需选用抗蠕变性能优异的9Cr5NiMoV钢，而铝锻模可优先选择导热性较好的H13钢。

载荷类型与强度要求

分析模具承受的静态压力（如吨位）和动态冲击载荷（如锻打频率），确保材料在高温下具有足够的抗拉强度和屈服强度。例如，1.2344钢在600℃时抗拉强度仍≥1000MPa，适合高载荷工况。

金属材料特性

考虑被锻金属的流动性、粘模倾向及化学腐蚀性。例如，铝易粘模，需选择表面硬度高、抗粘模性强的钢种；钢锻造时需高硬度，可选用1.2344或H13钢。

二、优化材料成分与组织设计

合金元素协同强化

碳（C）：控制含量（通常0.3%-0.5%）以平衡硬度与韧性，避免过高导致脆性或过低影响耐磨性。

铬（Cr）：提高淬透性和耐热疲劳性，同时增强抗氧化性（形成Cr₂O₃氧化膜）。

钼（Mo）、钒（V）：抑制高温回火软化，细化晶粒，减少热疲劳裂纹萌生。

镍（Ni）：提升韧性，减少冲击载荷下的断裂风险。

硅（Si）：增强脱氧效果，提高高温强度。

组织控制

通过热处理工艺（如淬火+多次回火）获得均匀的马氏体基体+细小碳化物分布，避免粗大碳化物导致的应力集中和裂纹扩展。例如，H13钢经三次回火后，碳化物尺寸可控制在1-3μm，显著提升抗热疲劳性。

三、热处理工艺的精细化设计

淬火工艺优化

阶梯预热：采用多段预热（如400℃→850℃→淬火温度），减少热应力，避免开裂。

淬火温度：根据钢种调整（如H13钢为1020-1050℃），确保奥氏体化充分且晶粒不粗化。

冷却介质：选择油淬或高压气淬，平衡冷却速度与变形控制。

回火工艺设计

多次回火：消除淬火应力，促进二次硬化（如H13钢在550-650℃回火后硬度可达48-52HRC）。

温度梯度控制：避免回火温度过高导致硬度下降或过低导致韧性不足。

退火与应力消除

锻造后进行球化退火或等温退火，获得均匀球状珠光体，改善切削加工性。

机械加工后进行去应力退火，减少后续热处理变形。

四、表面处理与涂层技术的集成应用

表面强化处理

氮化：在模具表面形成硬氮化层（硬度可达1000-1200HV），提升耐磨性和抗粘模性。

PVD/CVD涂层：沉积TiN、TiAlN等涂层，进一步增强表面硬度和耐腐蚀性，延长模具寿命。

表面纹理设计

通过激光雕刻或化学蚀刻在模膛表面形成微凹坑或纹理，减少金属流动阻力，降低粘模风险。

五、模具结构与冷却系统的协同设计

结构优化

壁厚均匀性：避免局部过厚导致热应力集中，如模膛转角处采用圆弧过渡。

排气槽设计：在模膛边缘设置排气槽，防止气体压缩导致的表面缺陷。

模块化设计：将模具分解为易更换的模块，降低维修成本。

冷却系统集成

内部冷却通道：在模具内设计螺旋或直通式冷却通道，通过循环冷却水或油快速导出热量，控制模膛表面温度梯度。

冷却介质选择：根据工况选择水基或油基冷却液，平衡冷却效率与模具腐蚀风险。

六、经济性与可制造性平衡

材料成本控制

在满足性能前提下，优先选择成本较低的钢种（如5CrNiMo替代部分高端钢种）。

通过表面处理技术延长模具寿命，降低单位成本。

加工工艺可行性

评估模具结构的可加工性（如深腔、窄槽的加工难度），避免设计过于复杂导致制造周期延长或成本上升。

考虑热处理变形对精度的影响，预留足够的加工余量。

七、仿真与实验验证的闭环迭代

热-力耦合仿真

利用有限元分析（FEA）模拟模具在高温高压下的应力分布、温度场及热疲劳寿命，优化设计参数。

结合流体力学仿真（CFD）分析冷却系统效率，优化冷却通道布局。

实验验证与反馈

通过实际锻造试验验证模具性能，收集失效数据（如裂纹位置、磨损模式）。

根据实验结果调整材料成分、热处理工艺或结构设计，形成闭环优化。