我国热作模具钢性能数据集（续)
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢（Y4）
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢是一种空冷硬化型的热作模具钢，是UHBQR080钢的基础上我国自行研制的钢种，该钢不含钴，增加了约0.4%锰和微量铌、硼元素。其高温强韧性、高温硬度、热稳定性、抗热疲劳性等均较好。4Cr3Mo2MnSiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，虽然其合金元素含量较低，但室温的断裂韧性、700℃的冲击韧性、650-700℃的抗拉强度、750℃的高温硬度、620-700℃的回火稳定性、600℃的抗氧化性、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受热温度较高，使用条件苛刻的热作模具。当制作铜合金压铸模或挤压模时平均使用寿命比3Cr2W8V钢提高1-3倍。本试验数据用钢由本溪钢厂生产，大气电炉冶炼+电渣重熔。
1 化学成分（质量分数，%）
| 状态 | C | Cr | Mo | V | Si | Mn | B | Nb | S | P |
| 要求成分 | 0.36-0.42 | 2.20-2.70 | 2.00-2.50 | 0.90-1.30 | 0.25-0.50 | 0.90-1.30 | 0.002-0.006 | 0.04-0.10 | ≤0.010 | ≤0.030 |
| 试样成分 | 0.40 | 2.85 | 2.15 | 1.08 | 0.41 | 1.12 | 0.0042 | 0.09 | 0.002 | 0.024 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB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、锰、钒、铌和硼分别增加0.04%、0.33%、2.15%、0.84%、0.76%、0.09%和0.0042%。 4Cr3Mo2MnSiVNbB钢试样的合金元素总量达到7.70%，比3Cr2W8V钢减少3.81%。
2 物理性能
2.1 弹性模量E（N/mm2）和切变模量G（N/mm2）
| 项目 | E | G | E：G |
| 室温 | 22200 | 8585 | 2.586 |
2.2 密度ρ 室温7.82g/cm3
2.3 热导率λ（W/（m?K））
| 温度/℃ | 200 | 400 | 600 | 800 |
| λ | 32.00 | 33.10 | 31.30 | 27.60 |
2.4 线膨胀系数α（mm/(mm?℃））
| 温度/℃ | 25-100 | 25-300 |
| α*10-6 | 10.3 | 12.8 |
2.5 比热CP（J/（kg?K））
| 温度℃ | 室温-100 | 室温-200 | 室温-300 | 室温-400 | 室温-500 |
| CP*103 | 0.473 | 0.489 | 0.507 | 0.519 | 0.535 |
2.6 泊松比μ
室温 0.295
2.7 临界点℃（近似值）
| Ac1 | Ac3 | Ms |
| 789 | 910 | 363 |
3 试样的热加工工艺
3.1 锻造
| 项目 | 加热温度℃ | 始锻温度℃ | 终锻温度℃ | 冷却方式 |
| 钢锭 | 1130-1180 | 1100-1160 | ≥900 | 砂或坑缓冷 |
| 钢坯 | 1120-1150 | 1080-1120 | ≥850 | 砂或坑缓冷 |
因4Cr3Mo2MnSiVNbB钢在1000℃的伸长率有一个低谷区（约为46%），所以在此温度需减轻打击力。其800-1200℃的变形抗力明显高于3Cr2W8V钢，特别在1200℃的δ值约低23.3%，所以其锻造加热温度应稍低，终锻温度相近。
3.2 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 | ? | ? | 随炉冷至<500℃出炉空(≤230) |
| 锻材等温退火 | <500℃入炉随炉升温 | 820-840 | 1+1min/mm | 730±10 | 2+1min/mm | 随炉冷至<500℃出炉空(≤230) |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，锻材等温退火加热温度约低10℃，等温温度相同，退火后硬度稍低。
3.3 淬火
| 第一次预热 | 第二次预热 | 淬火温度℃ | 保温时间s/mm | 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 | 1150±10 | 20-25 | 油 | 58.0-59.0 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的淬火温度比3Cr2W8V钢高20℃，淬火后硬度约高2.8HRC。
3.4 回火
（1）回火温度与硬度的关系
| 回火温度/℃ | 100 | 200 | 300 | 400 | 450 | 500 | 550 | 600 | 630 | 660 | 680 | 700 |
| 硬度HRC | 60.0 | 56.5 | 54.5 | 52.5 | 53.0 | 54.0 | 53.0 | 53.5 | 51.5 | 47.5 | 41.5 | 37.8 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，同样达到48HRC其回火温度约高20℃。但是4Cr3Mo2MnSiVNbB钢在680℃时的回火硬度41.5HRC，要比3Cr2W8V钢680℃时（31HRC）硬度约高10.5HRC；在700℃时的回火硬度37.8HRC，也要比3Cr2W8V钢680℃时硬度高6.8HRC。
（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 | 640*2 | 51.5-52.0 | 655*2 | 49.0-49.5 |
| 42-44 | 670*2 | 48.0-48.2 | 680*2 | 43.2-44.2 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，同样达到要求硬度，其回火温度要比3Cr2W8V钢高20-30℃，同样回火温度其硬度高0.3-1.2HRC。
4 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=49.0-49.5HRC；B=43.2-44.2HRC表示。
4.1 室温拉伸
| 试样状态 | σb/MPa | σs/MPa | δ5,% | ψ,% |
| A | 1455 | 1292 | 12.5 | 42.2 |
| B | 1421 | 1248 | 10.8 | 28.5 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢A硬度试样的室温σb值和σs值比3Cr2W8V钢低192MPa和157MPa。而δ5值和ψ值分别高2.3%和11.4%。在B硬度条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的σb、σs、δ5和ψ值分别比3Cr2W8V钢高74MPa、76MPa、0.67%和0.60%。
4.2 室温冲击韧性AK
A=5.9J；B=8.8J。4Cr3Mo2MnSiVNbB钢A硬度的AK值低于3Cr2W8V钢7.1J；其B硬度的AK值也低2.5J。
4.3 室温断裂韧性K1C
A=43.5MPa?m1/2；B=60.0MPa?m1/2。4Cr3Mo2MnSiVNbB钢A和B硬度的室温K1C值分别高于3Cr2W8V钢10.8MPa?m1/2和18.0MPa?m1/2。
4.4 室温缺口抗拉强度（σb缺口）
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢A硬度室温缺口强度的平均值为2013MPa，其光滑强度：缺口强度=0.723。
5 高温力学性能
5.1 高温拉伸性能
| 试验温度℃ | 试样状态 | σb MPa | σs MPa | δ5 % | ψ % |
| 300 | A
B |
1494
1265 |
1328
1077 |
7.8
7.0 |
19
15.4 |
| 600 | A
B |
978
813 |
861
730 |
10.0
14.4 |
15.4
24.3 |
| 650 | A
B |
815
672 |
719
602 |
5.6
13.0 |
7.8
19.9 |
| 700 | A
B |
605
535 |
534
468 |
4.8
10.4 |
11.6
17.2 |
在300-600℃的A硬度条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的σb值比3Cr2W8V钢低3.0-126.0MPa；σs值低26.0-98.0MPa，都以600℃的强度差别最大。同样δ5和ψ值也分别低1.2%-3.5%和0%-21.7%，以600℃的差值最小。但在650-700℃时，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的σb值比3Cr2W8V钢高7.0-190MPa；σs值高1.0-170.0MPa，以700℃的差值最大。但700℃的δ5和ψ值也分别低21.8%和59.2%。在B硬度条件下，其300-700℃的σb、和σs值分别比3Cr2W8V钢高67.0-179.0MPa和68.0-175.0MPa。同样在600-650℃的δ5和ψ值也高1.9%-2.0%和2.8%-2.9%；但300℃、700℃的δ5和ψ值却低于3Cr2W8V钢3.4%、26.3%和7.1%、66.7%，以700℃的差值最大。
5.2 高温硬度（HV）
| 温度/℃ | 300 | 450 | 600 | 650 | 700 | 750 |
| A | 479.5 | 435.5 | 398.5 | 381.0 | 340.0 | 274.5 |
| B | 402.5 | 376.5 | 340.0 | 329.0 | 304.0 | 266.5 |
在450-700℃的A硬度条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的硬度低于3Cr2W8V钢13.0-16.0HV，其中650℃的差值最大；但750℃的硬度却高于3Cr2W8V钢66.0HV。在300-750℃的B硬度条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的硬度除450℃低于3Cr2W8V钢10.0HV外，其余温度的硬度却高于3Cr2W8V钢8.0-63.0HV。二种硬度条件均以750℃的硬度差值最大，从而表明4Cr3Mo2MnSiVNbB钢750℃时的硬度优于3Cr2W8V钢。
5.3 高温冲击性能AK（J）
| 温度/℃ | 300 | 600 | 650 | 700 |
| A | 12.2 | 27.3 | 17.5 | 27.5 |
| B | 21.4 | 26.5 | 23.4 | 28.3 |
在300-700℃的A硬度条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢除600℃和700℃的AK值高于3Cr2W8V钢2.3J和1.4J外，其余均低于3Cr2W8V钢（9.1-9.9J）。在B硬度条件下，该钢除300℃和700℃的AK值高于3Cr2W8V钢0.4-0.8J外，其余均低于3Cr2W8V钢(1.9-4.1J)。
6 特殊性能
6.1 抗氧化性能（试样硬度49.0-49.5HRC）增重值，g/m2
| 时间/h | 2 | 7 | 15 | 25 | 35 | 45 | 60 | 80 | 125 | 150 |
| 600℃ | 0.8 | 0.8 | 2.5 | 2.5 | 3.3 | 4.2 | 5.7 | 7.7 | 12.8 | 16.0 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢在600℃*150h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢，其氧化增重值减少18.6g/m2。
| 时间/h | 750℃ | 时间/h | 750℃ |
| 2 | 8.2 | 25 | 116.2 |
| 5 | 24.0 | 30 | 133.2 |
| 8 | 43.3 | 35 | 153.1 |
| 11 | 62.8 | 40 | 175.5 |
| 15 | 81.6 | 45 | 202.9 |
| 20 | 100.1 | 50 | 234.6 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢在750℃*50h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢，其氧化增重值减少113.5g/m2。
| 时间/h | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1000℃ | 121.6 | 352.4 | 582.0 | 1111.0 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢在10000℃*4h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢，其氧化增重值减少548.0g/m2。
6.2 热稳定性能（HRC）
（1）620℃
| 保温时间h | A | B | 保温时间h | A | B |
| 0 | 50.2 | 44.1 | 11.5 | 48.7 | 44.1 |
| 2 | 49.5 | 44.2 | 14.5 | 48.0 | 43.8 |
| 4 | 49.1 | 43.8 | 17.5 | 47.9 | 43.9 |
| 6 | 48.5 | 44.1 | 21.0 | 47.3 | 43.2 |
| 8 | 49.0 | 44.2 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢在620℃保温21h的热稳定性均优于3Cr2W8V钢，其硬度都要高5.6HRC。
（2）660℃
| 保温时间h | 0 | 1 | 2 | 3 | 5 | 7 | 9 | 12 |
| A | 49.9 | 48.5 | 47.1 | 46.6 | 45.8 | 43.2 | 43.0 | 42.5 |
| B | 43.7 | 43.4 | 42.7 | 42.6 | 42.5 | 42.1 | 42.2 | 41.0 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢在620℃保温12h的热稳定性均优于3Cr2W8V钢，其硬度都要高10.5HRC和10.3HRC。
（3）700℃
| 保温时间h | 0 | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 3 |
| A | 48.6 | 46.4 | 43.4 | 42.1 | 41.4 | 40.2 |
| B | 43.5 | 43.2 | 42.3 | 40.6 | 40.0 | 39.1 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢在700℃保温3h的热稳定性均优于3Cr2W8V钢，其硬度都要高9.3HRC和8.8HRC。
6.3 热疲劳性能（级别）
| 状态 | 20℃??620℃（1000次） | 20℃??750℃（1000次） |
| A | 2.6 | 5.4 |
| B | 3.4 | 9.0 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢650℃和750℃的热疲劳性能均优于3Cr2W8V钢。其差值为650℃时A和B硬度的热疲劳级别低5.6级和4.0级；同样在750℃时A和B硬度的热疲劳级别低8.6级和6.6级。
6.4 热磨损性能（失重值mg)
(1)800-850℃ 压力784-882N
| 状态 | 300 | 600 | 900 | 1200 | 1500 | 2500 |
| A | 0.87 | 1.53 | 1.73 | 2.07 | 2.23 | 2.78 |
| B | 0.70 | 1.20 | 1.40 | 2.23 | 2.87 | 3.27 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢800-850℃的热磨损性能均优于3Cr2W8V钢。其失重值低于3Cr2W8V钢2.62mg和1.48mg。
(2)910-950℃ 压力1764-1813N
| 状态/次 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 1000 | 1300 | 1600 | 1900 | 2200 | 2500 |
| A | 0.77 | 1.53 | 2.13 | 3.07 | 4.00 | 4.80 | 5.40 | 6.60 | - | - | - | - | - |
| B | 0.87 | 1.53 | 2.30 | 3.20 | 3.60 | 4.63 | 5.33 | 7.28 | 8.35 | 9.30 | 11.65 | 12.95 | 15.06 |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢910-950℃1000次（A）和2500次（B）的热磨损性能均优于3Cr2W8V钢。其失重值低于3Cr2W8V钢0.23mg和4.75mg。
6.5 热熔损性（失重值g/dm2）
| 热熔损条件/状态 | A | B |
| 620℃*4h | 5.8308 | 3.3514 |
| 680℃*4h | 18.3 | 17.7 |
| 680℃*3h+714℃*1h | 31.7 | - |
在A和B硬度的条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢620℃*4h的抗热熔损性能低于3Cr2W8V钢，其热熔损值要高4.2061g/dm2；但B硬度的抗热熔损性能高于3Cr2W8V钢，其热熔损值要低0.1456g/dm2。在680℃*4h、680℃*3h+714℃*1h的热熔损性能均低于3Cr2W8V钢，其A和B硬度的热熔损值约高2.0-2.9g/dm2。
6.6 热塑性摩擦系数μ
| 热塑性变形量 | 润滑 | 内径变化平均值/% | 热塑性摩擦系数μ |
| 32.7 | 不润滑 | 29.04 | 0.560 |
| 32.2 | 水剂石墨 | 26.18 | 0.506 |
在相同的工况条件下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的热塑性摩擦系数μ大于3Cr2W8V钢。不润滑的高0.003，用水剂石墨润滑的高0.016。
7 工艺性能
7.1 淬火温度对硬度的影响
| 温度/℃ | 1050 | 1100 | 1125 | 1150 | 1200 |
| 晶粒度/级 | 10.0-10.5 | 10.0-10.5 | 9.5-10.0 | 9.0 | 7.0 |
7.2 回火稳定性（1150℃油淬硬度58.0-59.0HRC）
| 温度℃ | 二次硬化峰温度 | 二次硬化最高硬度 | 650 | 680 | 710 | A729 | B730 |
| 硬度/HRC | 600℃ | 54 | 49 | 42 | 36 | 35 | 35 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢有二次硬化现象。在同样保温2h条件下，该钢与3Cr2W8V钢相比，其二次硬化峰温度提高100℃，但二次硬化最高硬度相同。4Cr3Mo2MnSiVNbB钢要达到49、42和36HRC，其回火温度分别比3Cr2W8V钢高20、10和15℃。在A和B硬度条件下同样达到35HRC，其回火温度比3Cr2W8V钢高36℃和46℃。
7.3 锻造性能（高温形变抗力）
| 性能 | 800℃ | 900℃ | 1000℃ | 1100℃ | 1200℃ |
| σb/mpa | 155.68 | 159.09 | 94.73 | 61.62 | 26.60 |
| δ5,% | 61.2 | 55.2 | 46.0 | 54.1 | 47.9 |
在800-1200℃温度下，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的变形抗力均大于3Cr2W8V钢。其中800℃-1100℃的σb值大于3Cr2W8V钢0.51-24.53MPa，而且900-1100℃的δ5值小于3Cr2W8V钢2.3%-10.8%，均以900℃的差值最大。但温度升至1200℃时，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的σb和δ5值均小于3Cr2W8V钢4.98MPa和23.3%，从而说明其铸造加热温度应低于3Cr2W8V钢。
7.4 切削性能
（1）热作模具钢退火后切削力经验公式：
Pz=A?VB?αCP?fD
式中Pz为切削力；V为切削速度；αP为切削深度；f为走刀量
| 参数 | A | B | C | D |
| 退火态244HB | 2056.9 | -0.077 | 1.037 | 0.764 |
（2）切削力Pz/N
| 切削条件 | f/mm?r-1 | ||||
| 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.30 | |
| V=9m/min,αP=1.0mm | 305.0 | 437.3 | 537.4 | 614.8 | 693.3 |
| V=15m/min,αP=1.0mm | 310.9 | 426.6 | 493.2 | 576.6 | 665.8 |
| 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 | 150.0 | 310.9 | 443.2 | 587.4 | 737.4 | 898.2 |
| V=9m/min,f=0.2mm/r | 232.4 | 509.9 | 754.1 | 1048.3 | 1319.9 | 1563.1 |
| V=15m/min,f=0.1mm/r | 127.5 | 283.4 | 443.2 | 587.4 | 748.2 | 909.0 |
| V=15m/min,f=0.2mm/r | 221.6 | 470.7 | 720.7 | 963.9 | 1235.6 | 1563.1 |
4Cr3Mo2MnSiVNbB钢与3Cr2W8V钢相比，其切削试样的退火硬度低6HB。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条件下，f在0.10-0.30mm/r之间变化，其PZ要减少27.4-109.8N；在V=9m/min,f=0.1mm/r条件下，αP在0.5-3.0mm/r之间变化，其PZ要减少32.4-189.3N；在V=9m/min,f=0.2mm/r条件下，αP在1.0-3.0mm/r之间变化，其PZ要减少73.5-239.2N；在V=15m/min,f=0.1mm/r条件下，αP在0.5-3.0mm/r之间变化，其PZ要减少38.2-144.1N；在V=15m/min,f=0.2mm/r条件下，αP在1.0-3.0mm/r之间变化，其PZ要减少22.5-124.5N。数据表明，4Cr3Mo2MnSiVNbB钢的可切削性能优于3Cr2W8V钢。
