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熱作模具鋼的發(fā)展

發(fā)布時(shí)間：2007-02-27 15:06:00

1 各國(guó)（前蘇聯(lián)、日本、美國(guó)、瑞典、中國(guó)等鋼牌號(hào)見(jiàn)表1）加熱模具鋼一覽表。

表1 加熱模具鋼一覽表

編號(hào)	中國(guó)	前蘇聯(lián)	美國(guó)	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(jiàn)表3				QRO-80M
21	見(jiàn)表3				QRO-90M
22	55CrNiMoV6				德國(guó)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(guó)鋼牌號(hào)，均有各國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼牌號(hào)和生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)鋼牌號(hào)。如SKD61是日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼牌號(hào)，但DAC、YHD-3是生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)鋼牌號(hào)

    3 每外國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的鋼牌號(hào)，均可找到與其對(duì)應(yīng)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鋼牌號(hào)。

    4 編號(hào)1-6、22-32等17種標(biāo)準(zhǔn)鋼牌號(hào)，是我國(guó)已生產(chǎn)過(guò)。

    熱作模具鋼中的合金元素

    國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(wú)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(fù)合合金化，強(qiáng)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(shì)。近年來(lái)研制的4Cr2MoVNi、5Cr2MoVNiSi、45Cr2MoVNiSi，高溫強(qiáng)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(jī)鍛模。80年代前蘇聯(lián)、日本等國(guó)錘鍛模具鋼的發(fā)展趨勢(shì)是：

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

    II鋼中加入鉻、鉬、鎢、釩的同時(shí)又添加鈷、鈮、鈦、稀土、微量的鈣、鋁、氮等元素，進(jìn)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(qiáng)韌性均有所提高，模具使用壽命可提高20%-120%?？偟内厔?shì)是向著低碳、沉淀、硬化方向發(fā)展。為此弄清楚各合金元素作用之前，必須說(shuō)明幾個(gè)原則。

    1 幾個(gè)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(shí)施多元復(fù)合合金化，以提高鋼的熱強(qiáng)性。合金化時(shí)，應(yīng)特別注意防止第二類(lèi)回火脆性。

    -研究實(shí)施合理的強(qiáng)韌化熱處理工藝，保證熱強(qiáng)性與熱韌良好的配合。

    -在達(dá)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(qiáng)度的關(guān)鍵因素，也是影響韌性的主要因素。國(guó)內(nèi)外關(guān)于低碳馬氏體的大量研究表明：若要獲得較好的綜合機(jī)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(shí)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(shí)，隨著鉻含量的增加，高溫強(qiáng)度隨之上升，但鉻含量大于2%時(shí)，高溫強(qiáng)度將隨鉻含量的增加反而下降。同時(shí)，還會(huì)引起碳化物偏析，將導(dǎo)致降低沖擊韌性。一般講，熱作模具鋼，鉻含量應(yīng)控制2%為宜。

    3）鎢和鉬

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

    鉬的加入，可以提高鋼的淬透性與熱強(qiáng)性，又可以防止第二類(lèi)回火脆性。但鉬加入過(guò)多，會(huì)造成鉬碳化物偏析，在回火過(guò)程中沿晶界呈針狀或網(wǎng)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(guò)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(dá)到0.5%就可以產(chǎn)生足夠的二次硬化效應(yīng)。釩量過(guò)高，在二次硬化溫度范圍內(nèi)回火，鋼的塑性、韌性將明顯下降，故釩加入量不能超過(guò)1%。

    5）鎳

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

    6）硅

    硅的加入可提高鋼的淬透性和基體強(qiáng)度。硅溶于α-Fe中，使其強(qiáng)化，并提高α-Fe轉(zhuǎn)變 r-Fe的轉(zhuǎn)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(shí)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(qiáng)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(wěn)定性很高的NbC，在1050℃剛剛開(kāi)始溶入奧氏體中，因此抑制晶粒長(zhǎng)大，可提高熱強(qiáng)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(guó)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(shí)，避免晶粒粗化，因此可以強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，均控制在少于0.03%范圍。

    國(guó)外熱作模具鋼

    1 國(guó)外熱作模具鋼

    對(duì)于要求高韌性、低耐熱性的錘鍛模用鋼，國(guó)外仍以5CrNiMo鋼為主。為進(jìn)一步提高鍛模壽命，開(kāi)發(fā)了韌性較高、耐熱性更好的鋼種，如前蘇聯(lián)已使用多年的30X3HMψ、4X3BMψ，美國(guó)的H10、H11、H13等，其模具壽命可為5CrNiMo鋼的1.5-3倍。

    對(duì)于小尺寸的錘鍛模，采用H10類(lèi)型的模具鋼雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但其性能受淬火冷卻速度的影響很大，冷卻速度慢時(shí)，韌性就會(huì)顯著下降。為此，日本愛(ài)知鋼廠將3Cr-3Mo系鋼加以改進(jìn)，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(chē)鍛件上，模具壽命提高了約0.8倍。表2給出了這類(lèi)鋼的化學(xué)成分，性能和模具壽命。

    近年來(lái)日本大同特殊鋼廠還開(kāi)發(fā)了一類(lèi)保留5%以上殘余奧氏體的熱作模具鋼。這類(lèi)鋼采用淬火后從550℃緩冷至150℃，或者在Ms點(diǎn)附近保溫的辦法，使奧氏體穩(wěn)定化，從而使鋼的韌性與持久強(qiáng)度比H10、H13提高1倍以上。

    表2 改進(jìn)后的日本3Cr·3Mo系鋼化學(xué)成分、性能及壽命

編號(hào)	化學(xué)成分-%										回火溫韌性值模具壽
編號(hào)	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(jī)鍛模用鋼發(fā)展的一個(gè)特征是迅速普及應(yīng)用大量析出硬化相模具鋼。由于用戶(hù)對(duì)此類(lèi)鋼買(mǎi)來(lái)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(lèi)典型模具鋼有3Ni-3Mo型，如日本的TP1、HD24、DH75，美國(guó)的6F4，法國(guó)的3455、20DN、3211。日本大同鋼廠還在3Ni-3Mo鋼基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，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(guó)模具鋼標(biāo)準(zhǔn)中都有一些含鈷的鋼種。日本在公布的新標(biāo)準(zhǔn)中就補(bǔ)進(jìn)了含鈷的美國(guó)H19類(lèi)鋼種，定名為SKD8。鈷的價(jià)格較高，屬于稀缺的戰(zhàn)略物資，只有在必要時(shí)才使用含鈷的模具鋼。
    另一條提高熱作模具鋼熱穩(wěn)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(lái)開(kāi)發(fā)了ORO80M、QRO090M、新鋼種，它是利用合理合金化配比，使其產(chǎn)生較多彌散的VC析出相，并在微量元素下，提高鋼的熱穩(wěn)定性、抗熱疲勞性。在這些性能方面均優(yōu)于3Cr2W8V鋼。其成份見(jiàn)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(lái)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(chǎn)較大的錠子和鍛件。據(jù)報(bào)道，200mmX200mm截面的鍛件，其偏析程度可達(dá)到瑞典用粉末冶金生產(chǎn)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(xiàn)已采用該鋼種。日本高周波鋼廠開(kāi)發(fā)的類(lèi)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(guó)外熱鍛模正向大型化和復(fù)雜化發(fā)展，模具材料的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)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(jìn)工藝，采用精煉技術(shù)，加上高溫?cái)U(kuò)散退火工藝，開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)的類(lèi)似鋼種取名為KDA，法國(guó)蒂森特鋼廠推出類(lèi)似鋼種取名為EFS。
    2 國(guó)內(nèi)熱作模具鋼
    一汽從20世紀(jì)50年代引進(jìn)模具材料到試驗(yàn)研究，生產(chǎn)實(shí)踐，再引進(jìn)，再研究，再生產(chǎn)的過(guò)程，正是我國(guó)模具發(fā)展的一個(gè)縮影。
    1）一汽的模具
    一汽的鍛壓設(shè)備是齊全的：模鍛錘、熱模鍛壓機(jī)、平鍛機(jī)、摩擦壓力機(jī)、高速鐓鍛機(jī)。生產(chǎn)模鍛件8萬(wàn)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(lián)引進(jìn)50CrNiMo模具材料。
    II 1958年蘇聯(lián)停止供應(yīng)模具材料后，自己先后開(kāi)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(yán)重而停止生產(chǎn)。
    III 又開(kāi)始采用整體模塊鋼，從日本、德國(guó)等國(guó)進(jìn)口，SKT4、2713。
    IV 20世紀(jì)80年代末，一汽棄雙金屬改用整體4Cr2MoVNi(B2)鍛鋼模具，廣泛應(yīng)用在錘鍛模和大型機(jī)鍛模。此前后又研究出適用于中、小機(jī)鍛模的模具材料——3Cr2WMoVNi(B3)
    2）其它科研單位、院校、工廠、嘗試過(guò)一些鋼種：為提高熱沖、熱軋、熱鍛及中、小機(jī)械壓力機(jī)用模具鋼的性能，以替代目前采用的5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V鋼種，國(guó)內(nèi)多年來(lái)進(jìn)行了許多研究，如7 0年代研制的35Cr3Mo3W2V(HMl)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3MoW4VNb(GR)等，在熱穩(wěn)定性、熱疲勞性等方面均有所提高。
    此外，國(guó)內(nèi)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(qiáng)韌性鋼28C r2NiMoWVSi、6Cr2Mn2SiMoV、65W8Cr4VFiC(LM 1)、65Cr5Mo3Mo3W2rSiTi(LM2)、4Cr2Mo2WV(TM)、4Cr3Mo2NiVNb(HD)，后面兩種鋼用來(lái)代替3Cr2W8V效果較好。
    為提高大截面機(jī)鍛模與錘鍛模的熱強(qiáng)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(chē)制造廠錘鍛模上應(yīng)用，其模具壽命提高30%-50%。
    正是后面兩種，在一汽使用已經(jīng)十幾年了，應(yīng)用效果還不錯(cuò)。
    結(jié)論：
    綜上所述，我國(guó)模具材料應(yīng)立足國(guó)內(nèi)資源，適合中國(guó)國(guó)情。筆者認(rèn)為，一汽從誕生那天起，近半個(gè)世紀(jì)引進(jìn)、生產(chǎn)、研究、再生產(chǎn)。證明了適合汽車(chē)廠、機(jī)車(chē)車(chē)輛工廠、工程機(jī)械廠等鍛壓用的熱作模具鋼：
    1 B3鋼(3Cr2WMoVNi)可適用于中小型機(jī)鍛模。
    2 B2鋼(4Cr2MoVNi)可適用于錘鍛模、大型機(jī)鍛模。

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