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熱作模具鋼的發展

發布時間：2007-02-27 15:06:00

1 各國（前蘇聯、日本、美國、瑞典、中國等鋼牌號見表1）加熱模具鋼一覽表。

表1 加熱模具鋼一覽表

編號	中國	前蘇聯	美國	日本	瑞典
1	5CrMnMo	5XrM		SKT₃
2	5CrNiMo	5XHM		SKT₄
3	4Cr5MoVSi	4X₅MψC	H-11	SKD₆
4	4Cr5MoV1Si		H-13	SKD₆₁	8402
	4Cr5MoV1Si		H-13	DAC	8407
5	3Cr2W8V	3X₂B₈ψ	H-21
6	4Cr5W2VSi	4X₂B₈ψ
7	3Cr4W2Mo2V	3X₄B₂M₂ψ(πu-470)
8	40Cr2SiWMoVAe	40X₂CBMψm(πu-640)
9	4Cr5WMoVSi	4X₅BMψC	H-12
10	4Cr4Mo2WVS	4X₄M₂BψC(πu22)
11	3Cr3Mo3V	3X3Msψ	H-10
12	45Cr3W3MoV$i	45X₃B₂MψC(πu23)
13	4Cr3W5Mo3V	4X₃B₅M₂ψC(πu-471)
14	3Cr3-3Mo系			SKD₇
15	3N13Mo系			DH75
16	20Cr2Mo2WVNiCo			YHD-3
17	4Cr5W5		H-14
18	4Cr4W4MoV2C04		H-19	SKD8
19	4Cr3W11V		H-22
20	見表3				QRO-80M
21	見表3				QRO-90M
22	55CrNiMoV6				德國2713
23	5Cr4Mo3SiMnVAe(012Ae)
24	6Cr4Mo3Ni2WV(CG·2)
25	35Cr3Mo3W2V(HM-1)
26	3Cr3Mo3VNb(HM·3）
27	4Cr3Mo3W4VNb（GR）
28	4Cr3Mo2NiVNb(HD)
29	4Cr2MoVNi(B2)			TF-1
30	3Cr2WMoVNi(B3)
31	45Cr2MoVNiSi
32	28Cr2WMoVNiSi

    2 各國鋼牌號，均有各國家標準鋼牌號和生產廠家標準鋼牌號。如SKD61是日本國家標準鋼牌號，但DAC、YHD-3是生產廠家標準鋼牌號

    3 每外國標準的鋼牌號，均可找到與其對應的中國標準鋼牌號。

    4 編號1-6、22-32等17種標準鋼牌號，是我國已生產過。

    熱作模具鋼中的合金元素

    國家標準中，有四種高韌性錘鍛模具鋼：5CrNiMo、5CrMnMo、5MnMoSiV、5Cr4Mo。其中5MnMoSiV是為改善5CrNiMo鋼淬透性而研制的，5Cr4Mo鋼，主要是作為堆焊電極材料。70年代研制了無鎳鋼錘鍛模模具鋼5MnMoSiV，主要用于大中型模具，該鋼加入礬，并采用硅錳復合合金化，強度有所提高，但由于含碳量仍保持在0.50%左右，其韌性有所降低趨勢。近年來研制的4Cr2MoVNi、5Cr2MoVNiSi、45Cr2MoVNiSi，高溫強度有所提高，且含碳量有略微下降，因此韌性有所提高。上述鋼均用于大噸位錘鍛模和機鍛模。80年代前蘇聯、日本等國錘鍛模具鋼的發展趨勢是：

    I把鋼中碳含量降低，即從0.5%降到0.4%，個別的可降至0.30%。

    II鋼中加入鉻、鉬、鎢、釩的同時又添加鈷、鈮、鈦、稀土、微量的鈣、鋁、氮等元素，進行多元合金化，合金元素總量在5-10%不等。模具材料使用溫度及強韌性均有所提高，模具使用壽命可提高20%-120%?？偟内厔菔窍蛑吞?、沉淀、硬化方向發展。為此弄清楚各合金元素作用之前，必須說明幾個原則。

    1 幾個原則

    -降低鋼中碳的含量，淬火后能得到以板條狀馬氏體為主的組織，以保證模具材料的高韌性。

    -實施多元復合合金化，以提高鋼的熱強性。合金化時，應特別注意防止第二類回火脆性。

    -研究實施合理的強韌化熱處理工藝，保證熱強性與熱韌良好的配合。

    -在達到要求的綜合性能前提下，盡量減少其合金元素的用量，降低新鋼種的成本。

    2 合金元素的作用

    1）碳

    是控制馬氏體強度的關鍵因素，也是影響韌性的主要因素。國內外關于低碳馬氏體的大量研究表明：若要獲得較好的綜合機械性能，鋼中碳量要控制在0.45%-0.30%。

    2）鉻

    鉻形成碳化物，可提高鋼的淬透性。淬火加熱時鉻溶于奧氏體，淬火后固溶于馬氏體中，可以提高鋼的抗回火能力。熱作模具鋼中，α-Fe中鉻含量少于2%時，隨著鉻含量的增加，高溫強度隨之上升，但鉻含量大于2%時，高溫強度將隨鉻含量的增加反而下降。同時，還會引起碳化物偏析，將導致降低沖擊韌性。一般講，熱作模具鋼，鉻含量應控制2%為宜。

    3）鎢和鉬

    鎢的加入在多元復合合金化的熱作模具鋼中，可以明顯地降低鋼的過熱敏感傾向，并提高鋼的熱穩定性。但鎢的含量超過2-3%，鋼的熱強性不會再有明顯提高，反而會使韌性下降。一般應控制在1%左右。

    鉬的加入，可以提高鋼的淬透性與熱強性，又可以防止第二類回火脆性。但鉬加入過多，會造成鉬碳化物偏析，在回火過程中沿晶界呈針狀或網狀析出，影響鋼的韌性。在高韌性熱作模具鋼中，鉬含量以0.6-1%為宜。

    4）釩

    釩可以降低鋼的過熱敏感傾向。在低合金鋼中加入0.1-0.3%的釩就有明顯的效果。馬氏體鋼中，釩含量達到0.5%就可以產生足夠的二次硬化效應。釩量過高，在二次硬化溫度范圍內回火，鋼的塑性、韌性將明顯下降，故釩加入量不能超過1%。

    5）鎳

    鎳為非碳化合物形成元素，可提高鋼的淬透性。對鋼的強度與韌性，均有良好作用。但過量鎳會促使沿奧氏體晶界析出碳化物，這會導致基體中合金元素含量降低，使鋼熱強性下降。大型錘鍛模具鋼鎳含量一般不會超過1.5%。

    6）硅

    硅的加入可提高鋼的淬透性和基體強度。硅溶于α-Fe中，使其強化，并提高α-Fe轉變 r-Fe的轉變溫度及高溫抗氧化能力。硅是不溶于碳化物，但能提高回火時析出特殊碳化物的彌散度；近期研究表明：加入適量的硅可以改善鋼的韌性，在以碳化物為強化相的熱作模具鋼中，硅量一般以0.5-0.8%為宜。

    7）錳

    錳，除了能提高淬透性之外，還可以消除硫的有害影響。它的含量，一般控制在0.5-0.8%。

    8）鈷、鈮、鈦

    鈮可形成穩定性很高的NbC，在1050℃剛剛開始溶入奧氏體中，因此抑制晶粒長大，可提高熱強性和高韌性。

    鈷的加入可顯著提高耐氧化性和紅硬性（耐磨性能好），如美國的H-10鋼中。加入3%的鈷，可大大提高其鋼的耐磨性能。

    鈦在鋼中的作用，就是在高溫時，避免晶粒粗化，因此可以強化鋼的基體，又能提高鋼的韌性。

    9）硫與磷

    由原材料帶入的有害元素，參照5CrNiMo鋼的冶金含量標準，均控制在少于0.03%范圍。

    國外熱作模具鋼

    1 國外熱作模具鋼

    對于要求高韌性、低耐熱性的錘鍛模用鋼，國外仍以5CrNiMo鋼為主。為進一步提高鍛模壽命，開發了韌性較高、耐熱性更好的鋼種，如前蘇聯已使用多年的30X3HMψ、4X3BMψ，美國的H10、H11、H13等，其模具壽命可為5CrNiMo鋼的1.5-3倍。

    對于小尺寸的錘鍛模，采用H10類型的模具鋼雖然有許多優點，但其性能受淬火冷卻速度的影響很大，冷卻速度慢時，韌性就會顯著下降。為此，日本愛知鋼廠將3Cr-3Mo系鋼加以改進，提高了Si、Cr、Ni的含量，使韌性提高一倍以上。在重約100kg的汽車鍛件上，模具壽命提高了約0.8倍。表2給出了這類鋼的化學成分，性能和模具壽命。

    近年來日本大同特殊鋼廠還開發了一類保留5%以上殘余奧氏體的熱作模具鋼。這類鋼采用淬火后從550℃緩冷至150℃，或者在Ms點附近保溫的辦法，使奧氏體穩定化，從而使鋼的韌性與持久強度比H10、H13提高1倍以上。

    表2 改進后的日本3Cr·3Mo系鋼化學成分、性能及壽命

編號	化學成分-%										回火溫韌性值模具壽
編號	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	V	W	Nb	Ti	度/℃	比較	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

    壓力機鍛模用鋼發展的一個特征是迅速普及應用大量析出硬化相模具鋼。由于用戶對此類鋼買來后可不必淬火，不僅可以使制模周期縮短，而且使模具壽命獲得提高，這類典型模具鋼有3Ni-3Mo型，如日本的TP1、HD24、DH75，美國的6F4，法國的3455、20DN、3211。日本大同鋼廠還在3Ni-3Mo鋼基礎上進一步改進，降低碳含量，加入2.5%的Co，使鋼的韌性提高1.6倍，壽命提高50%。各國模具鋼標準中都有一些含鈷的鋼種。日本在公布的新標準中就補進了含鈷的美國H19類鋼種，定名為SKD8。鈷的價格較高，屬于稀缺的戰略物資，只有在必要時才使用含鈷的模具鋼。
    另一條提高熱作模具鋼熱穩定性與韌性的途徑是合金元素含量更加合理化。瑞典Uddeholm公司近年來開發了ORO80M、QRO090M、新鋼種，它是利用合理合金化配比，使其產生較多彌散的VC析出相，并在微量元素下，提高鋼的熱穩定性、抗熱疲勞性。在這些性能方面均優于3Cr2W8V鋼。其成份見表3。
    表3 Uddeholm公司的新鋼種

鋼種	出廠硬度/HB	主要成分/%				淬火溫度/℃	回火硬度/HRC	用途
鋼種	出廠硬度/HB	C	Cr	Mo	V	淬火溫度/℃	回火硬度/HRC	用途
QR080M	180	0.4	2.6	2.0	1.2	1020	50	銅合金熱擠壓
QR090M	180	0.4	2.6	2.25	0.9	1020	50	熱鍛\熱擠壓

    波蘭近年來也研究出WNWl鋼，其成分為2.8Cr-1.5W-2.8Mo及少量的Ni、N等元素。該鋼合金元素含量低，可生產較大的錠子和鍛件。據報道，200mmX200mm截面的鍛件，其偏析程度可達到瑞典用粉末冶金生產的ASP30水平。在其顯微組織中，可看到彌散分布的TiC相，從而使鋼材的硬度和耐磨性均獲得較大的提高。波蘭的一些工廠現已采用該鋼種。日本高周波鋼廠開發的類似鋼種取名為KDWl，其耐熱性比高速鋼好，而沖擊值為其2倍。
國外熱鍛模正向大型化和復雜化發展，模具材料的開發重點是提高材料的抗熱疲勞性和減少熱處理變形。瑞典Uddeh01m公司改進工藝，采用精煉技術，加上高溫擴散退火工藝，開發了一種8407新鋼種，使鋼材的異向性獲得顯著改善。該鋼種允許在較高硬度下使用，從而使熱疲勞性能得到提高。日本高周波鋼廠開發的類似鋼種取名為KDA，法國蒂森特鋼廠推出類似鋼種取名為EFS。
    2 國內熱作模具鋼
    一汽從20世紀50年代引進模具材料到試驗研究，生產實踐，再引進，再研究，再生產的過程，正是我國模具發展的一個縮影。
    1）一汽的模具
    一汽的鍛壓設備是齊全的：模鍛錘、熱模鍛壓機、平鍛機、摩擦壓力機、高速鐓鍛機。生產模鍛件8萬噸／每年，需要模具材料50CrNiMo近千噸，模具材料消耗也是很大的。
    I 1956年一汽從前蘇聯引進50CrNiMo模具材料。
    II 1958年蘇聯停止供應模具材料后，自己先后開始研制雙金屬5Cr2MnMo／45Mn2電渣堆焊模塊、4Cr2MoVNi／30CrMnSi電渣重熔模塊，但分別由于心部裂紋、表面裂紋嚴重而停止生產。
    III 又開始采用整體模塊鋼，從日本、德國等國進口，SKT4、2713。
    IV 20世紀80年代末，一汽棄雙金屬改用整體4Cr2MoVNi(B2)鍛鋼模具，廣泛應用在錘鍛模和大型機鍛模。此前后又研究出適用于中、小機鍛模的模具材料——3Cr2WMoVNi(B3)
    2）其它科研單位、院校、工廠、嘗試過一些鋼種：為提高熱沖、熱軋、熱鍛及中、小機械壓力機用模具鋼的性能，以替代目前采用的5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V鋼種，國內多年來進行了許多研究，如7 0年代研制的35Cr3Mo3W2V(HMl)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3MoW4VNb(GR)等，在熱穩定性、熱疲勞性等方面均有所提高。
    此外，國內還研制了5Cr4W2Mo2SiV、5Cr4Mo6Ni2WV、7W4Cr2MoNiV、5Cr4W5MoV等鋼種，用于熱精鍛或熱擠壓模，效果也較好。80年代研制的高熱高強韌性鋼28C r2NiMoWVSi、6Cr2Mn2SiMoV、65W8Cr4VFiC(LM 1)、65Cr5Mo3Mo3W2rSiTi(LM2)、4Cr2Mo2WV(TM)、4Cr3Mo2NiVNb(HD)，后面兩種鋼用來代替3Cr2W8V效果較好。
    為提高大截面機鍛模與錘鍛模的熱強性，近年研制的鋼種有5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi、55NiCrMoV、ER8、3Cr2MoWVNi、4Cr2MoVNi，最后一種鋼在第一汽車制造廠錘鍛模上應用，其模具壽命提高30%-50%。
    正是后面兩種，在一汽使用已經十幾年了，應用效果還不錯。
    結論：
    綜上所述，我國模具材料應立足國內資源，適合中國國情。筆者認為，一汽從誕生那天起，近半個世紀引進、生產、研究、再生產。證明了適合汽車廠、機車車輛工廠、工程機械廠等鍛壓用的熱作模具鋼：
    1 B3鋼(3Cr2WMoVNi)可適用于中小型機鍛模。
    2 B2鋼(4Cr2MoVNi)可適用于錘鍛模、大型機鍛模。