模具材料現(xiàn)狀及其發(fā)展
模具失效或模具壽命在相當(dāng)大程度上與模具材料相關(guān)。因此，要求模具材料具有如下良好的使用性能和工藝性能：力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、延伸率、沖擊韌性和硬度）、機(jī)械疲勞和冷熱疲勞性能、物理性能（相變點(diǎn)、彈性模量、線膨脹系數(shù)）、組織穩(wěn)定性、冷熱加工工藝性能和冶金質(zhì)量等。
熱作模具鋼
我國(guó)常用熱作模具鋼多是中等C含量（0.3%～0.6%）并加入的合金元素主要有Cr、Ni、Mn、Si、Mo和V等的亞共析鋼，而平鍛機(jī)鑲塊模具以及切邊和熱校正模具等承受相對(duì)平衡的載荷和應(yīng)力，通常采用高硬度的C含量較高的工具鋼（如8Cr3）。根據(jù)合金元素、尤其是碳對(duì)熱作模具鋼的使用性能（如工作溫度、強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性）的影響，可以將熱作模具鋼分為四類：
C含量為0.5%～0.6%的低合金高韌性半耐熱模具鋼
這類模具鋼C含量為0.5%～0.6%，并含有適量（合金元素總量為2%～3%）的Cr、Ni（或Mn）、Mo（或W）、Si和V等元素。除5CrNiMo、5CrMnMo和5CrMnSiMoV外，這類模具鋼中還有5CrNiSiW、5CrNiSi、5CrNiW和5CrNiTi等，其中我國(guó)最常用的和大批量生產(chǎn)的鋼是5CrNiMo及其代用鋼5CrMnMo。由于化學(xué)成分的限制，這類鋼通常為半馬氏體組織，正常使用情況下采用油淬，又稱油淬鋼，是熱模鍛的經(jīng)典模具材料。
這類模具鋼具有高的沖擊韌性，在350℃～450℃工作時(shí)具有較高的強(qiáng)度，屬于高韌性的耐熱鋼，常用于制造錘鍛模具，也可用作機(jī)械壓力機(jī)和螺旋壓力機(jī)鍛模鋼的代用材料。
5CrNiMo鋼是世界通用的熱作模具鋼，該鋼的合金元素含量較低，但具有較高的強(qiáng)度、耐磨性和良好的韌性。5CrNiMo鋼在室溫和500℃的力學(xué)性能幾乎相同，在500℃的硬度仍能保證在300HB以上。由于該鋼中含有Mo，因此對(duì)回火脆性不敏感，或從600℃緩慢冷卻，其沖擊韌性稍有降低。該鋼具有良好的淬透性，300mm×400mm×300mm的大鋼坯在820℃油淬和560℃回火后，截面各部分的硬度幾乎一致。該鋼廣泛用于制造大、中型鍛模。必須指出，該鋼易形成白點(diǎn)，需要控制冶煉工藝和鍛軋后的冷卻速度。
5CrMnMo鋼具有與5CrNiMo鋼相類似的性能，但淬透性稍差，在高濕工作時(shí)，其抗熱疲勞性能較5CrNiMo鋼差。該鋼較便宜，是5CrNiMo鋼的代用材料，若要求沖擊韌性較高時(shí)，可采用電渣重熔工藝冶煉。
5CrMnSiMoV為無鎳鍛錘模具用鋼，也可以用于壓力機(jī)熱鍛模具材料。該鋼含有一定量的Mo和V，因此具有良好的高溫性能、抗執(zhí)疲勞性能和回火穩(wěn)定性。雖然該鋼的沖擊韌性稍低于5CrNiMo鋼，但由于它的強(qiáng)度高，耐熱性好，模具的使用壽命高于5CrNiMo鋼，所以可以5CrNiMo以鋼使用。
為彌補(bǔ)5CrNiMo鋼和5CrMnMo鋼在較大截面和較高溫度時(shí)的熱穩(wěn)定性、熱疲勞和淬透性不足的缺點(diǎn)，我國(guó)開發(fā)了合金化程度較高的5Cr2NiMoVSi(5Cr2)鋼和45Cr2NiMoVSi(45Cr2)鋼，提高了相變溫度和淬透性。截面尺寸在500mm×500mm以下的模塊，經(jīng)970℃～990℃淬火和650℃～680℃回火后，硬度可達(dá)到36HRC～44HRC。它們的高溫強(qiáng)度較5CrNiMo鋼高50%，熱穩(wěn)定性提高100℃～150℃，沖擊韌性與5CrNiMo鋼，用于制造120MN機(jī)械壓力機(jī)和16t模鍛錘的模具，其壽命是5CrNiMo鋼制造的同種模具壽命的數(shù)倍。
C含量為0.3%～0.45%的中等韌性耐熱模具鋼
這類模具鋼含有較高（合金元素總量為6.4%～8.4%）的Cr、Mo（或W）、Si和V等元素，為了提高鋼的韌性，緩和多種合金元素的脆化作用，將這類鋼的C含量降低至0.3%～0.45%。這類鋼具有較高的沖擊韌性，在500℃～600℃工作時(shí)具有較高的強(qiáng)度，屬于中等韌性的耐熱鋼。這類鋼的適用范圍較廣，常用于制造機(jī)械壓力機(jī)和螺旋壓力機(jī)鍛模，也可以制造鍛錘的鑲塊模。
由于這類模具鋼的合金化程度較高，在模塊尺寸不太大的情況下，經(jīng)奧氏體化后空冷即可得到馬氏體組織，因而除采用油淬外，在某些情況下還可以采用空氣淬火。
1）4Cr5W2VSi熱作模具鋼
4Cr5W2VSi鋼為空冷硬化的熱作模具鋼，在500℃～600℃具有較高的強(qiáng)度和硬度，并具有較高的耐磨性和韌性以及較好的耐冷熱疲勞性能。為了得到較好的模向性能，可選擇電渣重熔工藝。該鋼廣泛用于制造熱模鍛壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)鍛模以及熱擠壓攘塊模和芯棒等。
2）4Cr5MoV1Si和4Cr5MoVSi熱作模具鋼
4Cr5MoV1Si和4Cr5MoVSi鋼為空冷硬化的熱作模具鋼，具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，尤其是在600℃的中溫具有較高的強(qiáng)度和硬度、高的耐磨性和韌性，且有較好的耐冷熱疲勞性能。由于這種鋼具有良好的綜合性能，廣泛用于制造熱模鍛壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)鍛模以及熱擠壓鑲塊模和芯棒、精鍛機(jī)鑲塊模具等，也可以制造鍛錘的鑲塊模。
3）我國(guó)新開發(fā)的中碳高強(qiáng)度熱作模具鋼
此類熱作模具鋼中，除上述4Cr5W2VSi、4Cr5MoV1Si和4Cr5MoVSi國(guó)際通用的鋼外，我國(guó)還開發(fā)了3Cr2MoVNi(B2)、3Cr2MoWVNi(B3)、2Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2MnVB(ER8)、4Cr3Mo3W4VNb(GR)及3Cr3Mo3VNb鋼等3%Cr-3%Mo和3%Cr-2%Mo型中碳高強(qiáng)度熱作模具鋼，以及具有優(yōu)異韌性和良好冷疲勞性能的3Cr5MoV1Si鋼。
（1）其中，3Cr3Mo3VNb鋼是在2Cr3Mo3VNb鋼和美國(guó)的H10（3Cr3Mo2.5V）鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整成分研制的熱作模具鋼，3%左右的Mo既提高了鋼的淬透性，又提高了熱穩(wěn)定性，V和Nb則可細(xì)化晶粒，降低鋼的過熱敏感性，因此，該鋼的中溫強(qiáng)度、硬度、韌性及冷熱疲勞性能良好。該鋼與國(guó)際通用的4Cr5W2VSi、4Cr5MoV1Si和4Cr5MoVSi鋼相比降低了C和Cr，其Mo含量約為對(duì)比鋼的2倍，并添加了強(qiáng)碳化物形成元素Nb在鋼中與C形成穩(wěn)定性的NbC，NbC不僅有抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化晶粒的作用，而且可以顯著提高鋼的熱強(qiáng)性。
3Cr3Mo3VNb與4Cr5W2VSi、4Cr5MoV1Si和4Cr5MoVSi鋼相比，在基本不降低室溫強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性的基礎(chǔ)上，當(dāng)溫度上升時(shí)，其強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性緩慢下降。當(dāng)溫度達(dá)到600℃以上時(shí)，該鋼的強(qiáng)度和硬度都優(yōu)于4Cr5W2VSi鋼；在650℃以上，3Cr3Mo3VNb鋼的沖擊韌性明顯超過4Cr5W2VSi鋼。該鋼的相變溫度較高，因此耐冷熱疲勞性能和熱穩(wěn)定性良好，主要用于制造熱模鍛壓力機(jī)和螺旋壓力鍛模、精鍛機(jī)鑲塊模具以及鍛錘模具等。
（2）3Cr2MoWVNi（B3）鋼也具有良好的綜合性能。該鋼是在日本的20Cr2Mo2WVNiCo（YHD-3）鋼基礎(chǔ)上開發(fā)的，采用電渣重熔處理，鋼質(zhì)純凈，力學(xué)性能基本各向同性，具有高的熱強(qiáng)性、高的冷熱疲勞性能、較高的韌性和抗高溫軟化性能，且易于補(bǔ)焊。
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