基体钢65Nb在冷作模具上的应用

    摘要  基体钢65Nb以高速钢成分为基体，辅以优化的热处理工艺，具有很高的抗压强度和耐磨性，韧性也大为改善，尤其适用于制造形状复杂、受冲击力较大、尺寸较大的冷挤、冷墩模具，不仅满足了生产需要，而且显著提高了模具的使用寿命，降低了材料消耗，对提高技术经济效益具有重要意义。
    关键词  基体钢  冷作模  65Nb   使用寿命
    随着高效、高速、高强度、大吨位的机械化、自动化锻压设备的发展以及冷挤、冷墩、冷冲等少无切削加工工艺的广泛应用，对模具的强度、韧性和耐磨性，提出了更高的要求。目前采用的高铬钢和高速钢等已不能满足生产的要求，尤其是韧性差易开裂，导致模具寿命不高，影响少无切削工艺的进一步发展。因而，改善和提高模具钢的强韧性，延长模具的使用寿命，变显得越来越重要和越来越紧迫。
    1、 模具新钢种――基体钢
    研究和发展模具新钢种，是提高模具的使用寿命的重要途径。近十多年来，国内外出现的基体钢，其性能大大超过高铬钢和高速钢，具有强度、硬度、韧性、冲击疲劳、断裂韧性优异等特点，用基体钢来制造模具，可使寿命成倍增加。
    所谓基体钢是指含有高速钢淬火组织中除过剩碳化物外的基本化学成分的钢种，与高速钢相比，基体钢的过剩碳化物极少，且碳化物颗粒细小，分布均匀，故基体钢既有高速钢的高强度、高硬度，又不致使韧性和疲劳强度降低。此外，由于这种钢的合金元素含量较低（一般为10%-13%），故成本也低于高速钢。因而，基体钢是一种很有发展前途的模具新钢种。
    在美国，最早的基体钢有从M2高速钢演变而来的VASCOMA（相当于W6MoCr4V2）和从M42高速钢演变而来的MAtrixII（55Cr4Mo5WVCo8）；在日本，由特殊钢公司发展了MOD2（5Cr4Mo4W2V）。我国的材料工作者结合国情，引进和研制了不少新型模具钢。经过生产上的考核筛选，一些性能优异、工艺性能也比较好的基体钢种受到模具制造和使用单位的欢迎，使模具的使用寿命达到甚至超过国内外同类模具的水平，如已推广使用的基体钢有65Nb（65Cr4W3Mo2VNb）、CG2（6Cr4Mo3Ni2WV）和O12Al（5Cr4Mo3SiMnVAl）。
     2、 基体钢65Nb在冷作模具上的应用
     (1)65Nb成分及性能特点。
     65Cr4W3Mo2VNb（简称65Nb）钢是由华中工学院和大冶钢厂共同研制成功的效果显著的基体钢。该钢与高速钢的基本成分近，抗压屈服强度稍低于高速钢，但抗弯强度特别是韧性比高速钢高得多。因无过剩碳化物，且钢中加入Ｎｂ，起到了细化晶粒的作用。故具有较高的韧性和疲劳强度，适用于制作形状复杂、冲击载荷较大或尺寸较大的冷作模具。65Nb的设计成分见表1。
                               表1  65Nb的设计成分

    ①含碳量为0.6-0.7，保证获得高强度和高硬度，同时又不影响韧性。
    ②针对我国资源条件，钨含量大于钼含量。
    ③在钢中加入适量的铌Nb，能有效改善钢的工艺性，特别是热加工性能和热处理性能，铌在钢中可形成NbC，同时又能溶于基体中，能有效地提高原子结合力，因此，含铌钢晶粒不易长大。铌还可改善钢中碳化物的分布，含铌钢具有高的强韧结合性能，与不含铌的钢相比，抗弯强度提高25%，冲击韧性增加一倍以上，断裂韧性提高20%。
    (2)热处理工艺。
    ①等温退火。
    65Nb钢退火工艺为850±10℃加热，保温2-3h，740±10℃等温3-4h，退火后硬度HB≤241，该钢种的淬透性较高，Φ50mm的试样在空气中淬透，Φ80mm的可在油中淬透。
    ②淬火及回火。
    800-850℃预热，1120-1160℃加热，200-240℃硝盐浴中分级保温10min，冷却方式可用油冷，回火可530-580℃，1-2h进行两次。
    调整热处理参数可得到强韧性和耐磨性的不同配合，以适应不同用途模具的需要。65Nb经不同回火温度与硬度的关系见表2。
                表2  基体钢65Nb回火温度与硬度的关系

钢号	淬火		回火温度（℃）
	高温加热温度（℃）	淬火 介质	400	450	500	540	560	580	600
			硬度HRC
65Nb	1080	油	57	59	60.5	59			56
	1160	油	59	60.5	63	64			58

    ③表面强化（气体软氮化）。
    为进一步提高耐磨性，可将65Nb钢制模具进行气体软氮化或离子氮化表面强化处理。气体软氮化对65Nb模具寿命的影响见表3。
            表3 气体软氮化对65Nb钢梭子冷挤压凸模寿命的影响

淬火回火工艺	表面强化工艺	使用寿命（件）	失效形式
1160℃淬火 560℃回火一次	未进行	7100	略墩粗
	540℃软氮化1h	>25000	完好
1160℃淬火 540℃回火二次	未进行	150	墩粗0.12mm
	540℃软氮化1h	31000	磨损

    如表3所示65Nb冷挤凸模由于成型应力高，达250Kgf/mm²，凸模抗压性不足，出现墩粗早期失效。经软氮化后，消除了墩粗现象，寿命大幅度提高。
气体软氮化可在520-530℃，2.5-3.5h，采用甲醇和氨气（甲醇和氨气的比例为1:1）。离子氮化可在500-540℃，氮化介质为氨，时间30-60min。
    3、 应用实例
    基体钢65Nb先后在汽车、轴承、标准件、电子、手表等行业的几十家工厂的近百种冷冲、冷墩、冷挤模具上试用，模具寿命大幅度提高。例如冷墩内六角凸模（M12）用W18C4V钢模具寿命为2000件，均为折断，后改用65Nb钢制作凸模平均寿命为6000件。65Nb钢部分使用结果见表4。
                  表4 65Nb钢应用实例及使用效果

试用单位	模具名称	被加工零件		寿命对比
		材料	硬度（HB）	原模具		一般寿命
				材料名称	使用寿命
某汽车厂	钢板弹簧冲孔凸模	55SiMnVB	300	Cr12MoV W6Mo5Cr4V2	650-1300	2300-2600
某轴承厂	短圆柱滚子冷墩组合模	GCr15	170-207	Cr12MoV	3000-4000	15000-20000
某手表厂	不锈钢手表壳凹模	Cr18Ni9	HV170-190	W18Cr4V	寿命低而 不稳定	20000-30000
某标准件	十字槽平圆头光冲模	A3或A3F	HRB80	60Si2Mn	15000-20000	平均84000

参考文献
1 冯晓曾等  模具用钢和热处理   北京：机械工业出版社，1984．
2 李元恺  机械工人，1987，（11）
3 王笑天   金属材料学   北京：机械工业出版社，1987．
4 彭成允等  典型冷作模具的选材及热处理  金属热处理，2001，（5）
作者：长沙航空职业技术学院（湖南长沙410124） 刘劲松