我国热作模具钢性能数据集（续）
4Cr3Mo2NiVNbB钢（HD）
4Cr3Mo2NiVNbB钢是一种空冷硬化型的热作模具钢。是在UHBQR080钢的基础上我国自行研制的钢种，该钢不含钴，增加了1%镍和微量铌、硼。其高温强韧性、高温硬度、热稳定性、抗热疲劳性等均较好。4Cr3Mo2NiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，虽然其合金元素含量较低，但620-700℃的回火稳定性、600℃的抗氧化化性、800-950℃的抗热磨损性、650℃和750℃的抗热疲劳性，以及易切削性和1000-1100℃可锻造性能均优于3Cr2W8V钢。由于这种钢的综合性能良好，适用于制作受热温度较高，使用条件苛刻的热作模具。如黑色、有色金属材料的热挤压模、铜铝压铸模和精锻模等。本试验数据用钢由大冶钢厂生产，大气电炉炼。
1 化学成分（质量分数，%）
| 状态 | C | Cr | Mo | V | Si | Mn | Ni | B | Nb | S | P |
| 要求成分 | 0.35-0.45 | 2.50-3.00 | 1.80-2.20 | 1.00-1.40 | ? | ? | 0.80-1.20 | 0.2 | 0.20-0.30 | ≤0.030 | ≤0.030 |
| 试样成分 | 0.40 | 2.81 | 2.04 | 1.21 | 0.18 | 0.15 | 1.00 | 0.0022 | 0.25 | 0.011 | 0.014 |
4Cr3Mo2NiVNbB钢试样化学成分与3Cr2W8V钢试样相比，除不含钨（少8.18%）外，其余碳、铬、钼、钒、镍、铌和硼分别增加0.04%、0.29%、2.04%、0.89%、0.94%、0.25%和0.0022%。 4Cr3Mo2NiVNbB钢试样的合金元素总量达到7.64%，比3Cr2W8V钢减少3.87%。
2 试样的热加工工艺
2.1 锻造
| 项目 | 加热温度/℃ | 始锻温度/℃ | 终锻温度/℃ | 冷却方式 |
| 钢锭 | 1140-1180 | 1080-1140 | ≥900 | 砂或坑缓冷 |
| 钢坯 | 1120-1160 | 1060-1120 | ≥850 | 砂或坑缓冷 |
4Cr3Mo2NiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，其900℃的变形抗力高于3Cr2W8V钢，而800℃和1000-1100℃的变形抗力较低，但1200℃时的伸长率要低9.2%，所以4Cr3Mo2NiVNbB钢的锻造加热温度和终锻温度均低于3Cr2W8V钢。
2.2 退火
| 名称 | 装炉方式 | 加热温度℃ | 保温时间h | 等温温度℃ | 保温时间h | 冷却方式(HB) |
| 去应力退火 | <500℃入炉随炉升温 | 730-760 | 2+1min/mm | ? | ? | 随炉冷<500℃出炉空冷(≤250) |
| 锻材等温温火 | <500℃入炉随炉升温 | 840-860 | 1+1min/mm | 730±10 | 2+1min/mm | 随炉冷<500℃出炉空冷(≤250) |
4Cr3Mo2NiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，锻材退火加热温度约高10℃，等温温度相同，退火后硬度较高。
2.3 淬火
| 第一次预热 | 第二次预热 | 淬火温度/℃ | 保温时间/s?mm-1 | 冷却介质 | 硬度/HRC |
| 箱式炉550℃保温时间 30min+1min/mm | 盐浴炉850℃保温时间 10min+0.5min/mm | 1130±10 | 20-25 | 油 | 53.8-54.5 |
4Cr3Mo2NiVNbB钢的淬火温度与3Cr2W8V钢相同，淬火后硬度约低2HRC
2.4 回火
（1） 回火温度与硬度的关系
| 回火温度/℃ | 硬度HRC | 回火温度/℃ | 硬度HRC |
| 100 | 56.0 | 500 | 51.5 |
| 200 | 55.0 | 550 | 52.5 |
| 300 | 53.0 | 600 | 52.3 |
| 400 | 50.0 | 650 | 48.5 |
| 450 | 49.0 | 700 | 40.0 |
4Cr3Mo2NiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，同样达到48HRC其的回火温度约高10℃。但是4Cr3Mo2NiVNbB钢在700℃时的回火硬度40HRC，要比3Cr2W8V钢680℃时（31HRC）硬度约高9HRC。
（2）性能试样的回火工艺
| 要求硬度HRC | 第一次回火温度℃*保温时间h | 硬度/HRC | 第二次回火温度℃*保温时间h | 硬度/HRC |
| 47-49 | 650*2 | 46.8-47.5 | 600*2 | 46.4-47.2 |
| 42-44 | 670*2 | 44.0-46.0 | 670*2 | 42.2-44.2 |
3 室温力学性能
力学性能试样均为淬火+回火状态。下述试样硬度用A=46.4-47.2HRC；B=42.2-44.2HRC表示。
3.1 室温拉伸
| 试样状态 | σb/MPa | σs/MPa | δ5,% | ψ,% |
| A | 1553 | 1393 | 11.6 | 44.6 |
| B | 1408 | 1228 | 12.8 | 47.6 |
因4Cr3Mo2NiVNbB钢A硬度值比3Cr2W8V钢约低2HRC，所以其室温的σb值和σs值比3Cr2W8V钢低94MPa和56MPa。但是δ5值和ψ值分别高1.58%和13.8%。二种钢在相近的B硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢的σb、σs、δ5和ψ值分别比3Cr2W8V钢高61MPa、56MPa、2.67%和19.7%。
3.2 室温冲击韧性AK
A=14.3J；B=14.7J。4Cr3Mo2NiVNbB钢A硬度的AK值高于3Cr2W8V钢1.2J；其B硬度的AK值也高3.4J。
3.3 室温断裂韧性K1C
A=41.2MPa?m1/2；B=54.4MPa?m1/2。4Cr3Mo2NiVNbB钢A和B硬度的室温K1C值分别高于3Cr2W8V钢8.5MPa?m1/2和12.0MPa?m1/2。
4 高温力学性能
4.1 高温拉伸性能
| 试验温度/℃ | 试样状态 | σb/MPa | σs/MPa | δ5,% | ψ,% |
| 300 | A | 1369 | 1237 | 13.0 | 51.0 |
| B | 1265 | 1093 | 18.0 | 49.6 | |
| 600 | A | 905 | 817 | 12.3 | 40.5 |
| B | 868 | 806 | 14.6 | 48.2 | |
| 650 | A | 724 | 650 | 10.0 | 21.4 |
| B | 650 | 578 | 14.4 | 43.0 | |
| 700 | A | 535 | 508 | 14.7 | 45.3 |
| B | 556 | 494 | 16.4 | 48.2 |
在300-650℃的A硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢σb值比3Cr2W8V钢低84.0-199.0MPa；σs值低65.0-142.0MPa，都以600℃的强度差别最大。但δ5和ψ值却分别高1.1%-4.6%和10.3%-25.1%。在700℃时A硬度的4Cr3Mo2NiVNbB钢，其他σb值比3Cr2W8V钢高120.0MPa；σs值高144.0MPa，但δ5和ψ值却分别低11.9%和25.5%。在B硬度条件下，其300-700℃的σb、和σs值分别高67-200MPa和84-201MPa。同样在300-650℃的δ5值和ψ值也高2.1%-7.6%和25.9%-27.1%；但700℃的δ5值和ψ值却低于3Cr2W8V钢20.3%和35.7%。
4.2 高温硬度（HV）
| 温度/℃ | 300 | 450 | 600 | 650 | 700 | 750 |
| A | 435.5 | 402.5 | 373.0 | 350.0 | 323.5 | 270.0 |
| B | 401.0 | 367.5 | 377.5 | 324.5 | 306.5 | 257.5 |
在300-700℃的A硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢的硬度低于3Cr2W8V钢31.0-48.5HV，其中650℃的差值最大；但750℃的硬度却高于3Cr2W8V钢62HV。在300-750℃的B硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢的硬度除450℃低于3Cr2W8V钢19HV外，其余温度的硬度却高于3Cr2W8V钢5.0-54.0HV。二种硬度条件均以750℃的硬度差值最大，从而表明4Cr3Mo2NiVNbB钢的750℃硬度优于3Cr2W8V钢。
4.3 高温冲击性能AK（J）
| 温度/℃ | 300 | 600 | 650 | 700 |
| A | 21.1 | 25.7 | 22.4 | 22.7 |
| B | 26.9 | 29.1 | 31.0 | 31.0 |
在300-700℃的A硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢除600℃的AK值高于3Cr2W8V钢0.7J外，其余均低于3Cr2W8V钢（1.2-5.0J）。在B硬度条件下4Cr3Mo2NiVNbB钢的AK值高于3Cr2W8V钢0.7-5.9J。
5 特殊性能
5.1 抗氧化性能（试样硬度45-46HRC）增重值，g/m2。
| h | 2 | 7 | 15 | 25 | 35 | 45 | 60 | 80 | 125 | 150 |
| 600℃ | 0.5 | 0.5 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.8 | 3.0 | 3.5 | 4.7 | 6.2 |
4Cr3Mo2NiVNbB钢在600℃*150h的抗氧化性能优于3Cr2W8V钢，其氧化增重值减少了28.4g/m2。
| h | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1000℃ | 126.8 | 304.2 | 478.0 | 818.0 |
4Cr3Mo2NiVNbB钢在1000℃*4h的抗氧化性能低于3Cr2W8V钢，其氧化增重值增加了254.5g/m2。
5.2 热稳定性能（HRC）
（1）620℃
| 保温时间h | A | B | 保温时间h | A | B |
| 0 | 47.7 | 45.0 | 11.5 | 46.3 | 44.4 |
| 2 | 46.8 | 45.2 | 14.5 | 45.4 | 44.5 |
| 4 | 46.5 | 44.3 | 17.5 | 44.9 | 44.2 |
| 6 | 46.3 | 44.9 | 21 | 44.0 | 44.5 |
| 8 | 46.4 | 44.5 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢在620℃保温21h的热稳定性均优于3Cr2W8V钢，其硬度要高4.5HRC和6.9HRC。
（2）660℃
| 保温时间h | 0 | 1 | 2 | 3 | 5 | 7 | 9 | 12 |
| A | 46.8 | 45.8 | 44.1 | 42.9 | 42.5 | 41.7 | 41.0 | 40.1 |
| B | 44.1 | 40.1 | 41.9 | 41.1 | 41.0 | 40.1 | 40.0 | 39.1 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢在660℃保温12h的热稳定性均优于3Cr2W8V钢，其硬度要高8.1HRC和8.4HRC。
（3）700℃
| 保温时间h | 0 | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 3 |
| A | 47.4 | 43.3 | 41.3 | 38.6 | ? | 38.2 |
| B | 44.5 | 42.9 | 40.5 | 38.8 | 38.6 | 37.6 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢在700℃保温3h的热稳定性均于3Cr2W8V钢，其硬度要都高7.3HRC。
5.3 热疲劳性能（级别）
| 状态 | 20℃??650℃（1000次） | 20℃??750℃（1000次） |
| A | 5.8 | 10.4 |
| B | 7.0 | 11.8 |
在A与B硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢在6500℃和750℃的热稳定性均于3Cr2W8V钢。其差值为650℃A和B硬度的热疲劳级别低2.4级和0.4级；同样在750℃A和B硬度的热疲劳级别低3.6级和3.8级。
5.4 热磨损性能（失重值mg）
（1）800-850℃ 压力784-850N
| 状态/次 | 300 | 600 | 900 | 1200 | 1500 | 2500 |
| A | 0.67 | 1.43 | 2.20 | 2.77 | 3.07 | 3.82 |
| B | 0.33 | 0.83 | 1.67 | 2.00 | 2.60 | 2.82 |
在A和B的硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢800-850℃2500次的热磨损性能均优于3Cr2W8V钢，其失重值低于3Cr2W8V钢1.58mg和1.93mg。
（2）910-950℃ 压力1764-1813N
| 状态/次 | A | B | 状态/次 | A | B |
| 100 | 0.97 | 0.90 | 1000 | 5.95 | 5.88 |
| 200 | 1.77 | 1.60 | 1300 | ? | 4.75 |
| 300 | 2.33 | 2.07 | 1600 | ? | 8.90 |
| 400 | 3.00 | 2.70 | 1900 | ? | 11.55 |
| 500 | 3.67 | 3.50 | 2200 | ? | 13.00 |
| 600 | 4.47 | 3.93 | 2500 | ? | 14.20 |
| 700 | 5.30 | 4.83 |
在A和B硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢910-950℃1000次（A）和2500次（B）的热磨损性能均优于3Cr2W8V钢，其失重值分别低0.88mg和5.60mg。
5.5 热熔损性（失重值（g/dm2）
| 热熔损条件/状态 | A | B |
| 620℃*4h | 4.8716 | 2.4221 |
| 680℃*4h | 15.4 | 14.3 |
| 680℃*3h+7140℃*1h | 25.5 | 27.3 |
在A硬度条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢620℃*4h的抗热熔损性能低于3Cr2W8V钢，其热熔损值要高3.249g/dm2；在680℃*4h热熔损性能二者相当；但在680℃*3h+714℃*1h热熔损性能优于3Cr2W8V钢，其热熔损值要低4.1g/dm2。而在B硬度条件下，620℃*4h和680℃*4h热熔损性能优于3Cr2W8V钢，其热熔损值要低1.0749g/dm2和1.4g/dm2；但在680℃*3h+714℃*1h热熔损性能却低于3Cr2W8V钢，其热熔损值要高9.7g/dm2。
6 工艺性能
6.1 回火稳定性（1130℃油淬硬度53.8-54.5HRC）
| 温度℃ | 二次硬化峰温度 | 二次硬化最高硬度 | 640 | 695 | 720 | 722 | B715 |
| 硬度/HRC | 600℃ | 53 | 49 | 42 | 36 | 35 | 35 |
4Cr3Mo2NiVNbB钢有二次硬化现象。在同样保温2h条件下，4Cr3Mo2NiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，其二次硬化峰温度提高100℃，但二次硬化最高硬度低1HRC。4Cr3Mo2NiVNbB钢要达到49、42和36HRC，其回火温度分别比3Cr2W8V钢高10、20和25℃。在A和B硬度条件下，同样达到35HRC值，其回火温度比3Cr2W8V钢高29℃和31℃。
6.2 锻造性能（高温形变抗力）
| 性能 | 800℃ | 900℃ | 1000℃ | 1100℃ | 1200℃ |
| σb/MPa | 125.23 | 150.07 | 57.65 | 47.5 | 30.95 |
| δ5，% | 57.9 | 63.4 | 63.0 | 67.8 | 62.0 |
在800-1100℃温度下，4Cr3Mo2NiVNbB钢的变形抗力除了900℃的σb值大于11.31MPa和δ5值小于2.6%外，其余均小于3Cr2W8V钢。其中800℃和1000-1100℃的σb值小于3Cr2W8V钢5.92MPa和6.78-36.57MPa，而且δ5值却大于3Cr2W8V钢1.70%和8.7%-14.7%，均以1000℃的差值最大。但温度升至1200℃时，4Cr3Mo2NiVNbB钢的σb值和δ5值均小于3Cr2W8V钢0.63MPa和9.2%，从而说明其锻造加热温度应低于3Cr2W8V钢，而且可锻性优于3Cr2W8V钢。
6.3 切削性能
（1）热作模具钢退火后切削力经验公式：
Pz=A?VB?αPC?fD
式中 Pz?切削力、V?切削速度、αP?切削深度、f?走刀量
| 参数 | A | B | C | D |
| 退火态244HB | 1175.5 | 0.039 | 1.066 | 0.631 |
（2）切削力Pz/N
| 切削条件 | f(mm/r) | ||||
| 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.30 | |
| V=9m/min,αP=1.0mm/r | 243.2 | 352.0 | 399.1 | 481.5 | ? |
| V=15m/min,αP=1.0mm/r | 288.3 | 393.2 | 449.1 | 504.0 | 614.8 |
| 切削条件 | αP(mm) | |||||
| 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | |
| V=9m/min,f=0.1mm/r | 138.3 | 243.2 | 465.8 | 637.4 | 775.7 | 981.6 |
| V=9m/min,f=0.2mm/r | 249.1 | 505.0 | 825.7 | 1048.3 | 1319.9 | 1563.1 |
| V=15m/min,f=0.1mm/r | 172.6 | 315.8 | 465.8 | 659.0 | 831.5 | 947.3 |
| V=15m/min,f=0.2mm/r | 245.2 | 476.6 | 714.9 | 985.5 | 1147.3 | 1446.0 |
4Cr3Mo2NiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，其切削试样的退火硬度高18HB。当切削条件V、αP、f都与3Cr2W8V钢相同时，其Pz值比3Cr2W8V钢小。如在V=9m/min,αP=1.0mm/r条件下，f在0.10-0.25mm/r之间变化，其Pz值要减少171.6-227.5N；在V=15m/min,αP=1.0mm/r，f在0.10-0.3mm/r之间变化，其Pz值要减少44.1-87.5N；在V=9m/min,f=0.1mm/r条件下，αP在1.0-3.0mm之间变化，其Pz值要减少44.1-144.1N，在V=9m/min,f=0.2mm/r条件下，αP在在1.0-3.0mm之间变化，其 Pz值要减少16.7-107.8N；在V=15m/min,f=0.1mm/r条件下，αP在在1.0-3.0mm之间变化，其 Pz值要减少27.4-94.1N；在V=15m/min,f=0.2mm/r条件下，αP在在1.0-3.0mm之间变化，其 Pz值要减少16.6-212.8N。数据表明，4Cr3Mo2NiVNbB钢的易切削性能优于3Cr2W8V钢。
