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熱作模具鋼的發(fā)展

發(fā)布時間：2007-02-27 15:06:00

1 各國（前蘇聯(lián)、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(lián)	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(lián)、日本等國錘鍛模具鋼的發(fā)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%。總的趨勢是向著低碳、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(wěn)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(wěn)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(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(yōu)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(fā)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(wěn)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(fā)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(zhàn)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(wěn)定性與韌性的途徑是合金元素含量更加合理化。瑞典Uddeholm公司近年來開發(fā)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(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(fā)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(fā)展，模具材料的開發(fā)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(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。日本高周波鋼廠開發(fā)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(fā)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(lián)引進50CrNiMo模具材料。
    II 1958年蘇聯(lián)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(wěn)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。

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