热作模具钢的发展

    2 各国钢牌号，均有各国家标准钢牌号和生产厂家标准钢牌号。如SKD61是日本国家标准钢牌号，但DAC、YHD-3是生产厂家标准钢牌号
    3 每外国标准的钢牌号，均可找到与其对应的中国标准钢牌号。
    4 编号1-6、22-32等17种标准钢牌号，是我国已生产过。

    热作模具钢中的合金元素

    国家标准中，有四种高韧性锤锻模具钢：5CrNiMo、5CrMnMo、5MnMoSiV、5Cr4Mo。其中5MnMoSiV是为改善5CrNiMo钢淬透性而研制的，5Cr4Mo钢，主要是作为堆焊电极材料。70年代研制了无镍钢锤锻模模具钢5MnMoSiV，主要用于大中型模具，该钢加入矾，并采用硅锰复合合金化，强度有所提高，但由于含碳量仍保持在0.50%左右，其韧性有所降低趋势。近年来研制的4Cr2MoVNi、5Cr2MoVNiSi、45Cr2MoVNiSi，高温强度有所提高，且含碳量有略微下降，因此韧性有所提高。上述钢均用于大吨位锤锻模和机锻模。80年代前苏联、日本等国锤锻模具钢的发展趋势是：

    一、把钢中碳含量降低，即从0.5%降到0.4%，个别的可降至0.30%。

    二、钢中加入铬、钼、钨、钒的同时又添加钴、铌、钛、稀土、微量的钙、铝、氮等元素，进行多元合金化，合金元素总量在5-10%不等。模具材料使用温度及强韧性均有所提高，模具使用寿命可提高20%-120%。总的趋势是向着低碳、沉淀、硬化方向发展。为此弄清楚各合金元素作用之前，必须说明几个原则。

    1 几个原则

    -降低钢中碳的含量，淬火后能得到以板条状马氏体为主的组织，以保证模具材料的高韧性。

    -实施多元复合合金化，以提高钢的热强性。合金化时，应特别注意防止第二类回火脆性。

    -研究实施合理的强韧化热处理工艺，保证热强性与热韧良好的配合。

    -在达到要求的综合性能前提下，尽量减少其合金元素的用量，降低新钢种的成本。

    2 合金元素的作用

    1） 碳

    是控制马氏体强度的关键因素，也是影响韧性的主要因素。国内外关于低碳马氏体的大量研究表明：若要获得较好的综合机械性能，钢中碳量要控制在0.45%-0.30%。

    2） 铬

    铬形成碳化物，可提高钢的淬透性。淬火加热时铬溶于奥氏体，淬火后固溶于马氏体中，可以提高钢的抗回火能力。热作模具钢中，α-Fe中铬含量少于2%时，随着铬含量的增加，高温强度随之上升，但铬含量大于2%时，高温强度将随铬含量的增加反而下降。同时，还会引起碳化物偏析，将导致降低冲击韧性。一般讲，热作模具钢，铬含量应控制2%为宜。

    3） 钨和钼

    钨的加入在多元复合合金化的热作模具钢中，可以明显地降低钢的过热敏感倾向，并提高钢的热稳定性。但钨的含量超过2-3%，钢的热强性不会再有明显提高，反而会使韧性下降。一般应控制在1%左右。

    钼的加入，可以提高钢的淬透性与热强性，又可以防止第二类回火脆性。但钼加入过多，会造成钼碳化物偏析，在回火过程中沿晶界呈针状或网状析出，影响钢的韧性。在高韧性热作模具钢中，钼含量以0.6-1%为宜。

    4） 钒

    钒可以降低钢的过热敏感倾向。在低合金钢中加入0.1-0.3%的钒就有明显的效果。马氏体钢中，钒含量达到0.5%就可以产生足够的二次硬化效应。钒量过高，在二次硬化温度范围内回火，钢的塑性、韧性将明显下降，故钒加入量不能超过1%。

    5） 镍

    镍为非碳化合物形成元素，可提高钢的淬透性。对钢的强度与韧性，均有良好作用。但过量镍会促使沿奥氏体晶界析出碳化物，这会导致基体中合金元素含量降低，使钢热强性下降。大型锤锻模具钢镍含量一般不会超过1.5%。

    6） 硅

    硅的加入可提高钢的淬透性和基体强度。硅溶于α-Fe中，使其强化，并提高α-Fe转变 r-Fe的转变温度及高温抗氧化能力。硅是不溶于碳化物，但能提高回火时析出特殊碳化物的弥散度；近期研究表明：加入适量的硅可以改善钢的韧性，在以碳化物为强化相的热作模具钢中，硅量一般以0.5-0.8%为宜。

    7） 锰

    锰，除了能提高淬透性之外，还可以消除硫的有害影响。它的含量，一般控制在0.5-0.8%。

    8） 钴、铌、钛

    铌可形成稳定性很高的NbC，在1050℃刚刚开始溶入奥氏体中，因此抑制晶粒长大，可提高热强性和高韧性。

    钴的加入可显著提高耐氧化性和红硬性（耐磨性能好），如美国的H-10钢中。加入3%的钴，可大大提高其钢的耐磨性能。

    钛在钢中的作用，就是在高温时，避免晶粒粗化，因此可以强化钢的基体，又能提高钢的韧性。

    9） 硫与磷

    由原材料带入的有害元素，参照5CrNiMo钢的冶金含量标准，均控制在少于0.03%范围。

    国外热作模具钢

    一、 国外热作模具钢

    对于要求高韧性、低耐热性的锤锻模用钢，国外仍以5CrNiMo钢为主。为进一步提高锻模寿命，开发了韧性较高、耐热性更好的钢种，如前苏联已使用多年的30X3HMψ、4X3BMψ，美国的H10、H11、H13等，其模具寿命可为5CrNiMo钢的1.5-3倍。

    对于小尺寸的锤锻模，采用H10类型的模具钢虽然有许多优点，但其性能受淬火冷却速度的影响很大，冷却速度慢时，韧性就会显著下降。为此，日本爱知钢厂将3Cr-3Mo系钢加以改进，提高了Si、Cr、Ni的含量，使韧性提高一倍以上。在重约100kg的汽车锻件上，模具寿命提高了约0.8倍。表2给出了这类钢的化学成分，性能和模具寿命。

    近年来日本大同特殊钢厂还开发了一类保留5%以上残余奥氏体的热作模具钢。这类钢采用淬火后从550℃缓冷至150℃，或者在Ms点附近保温的办法，使奥氏体稳定化，从而使钢的韧性与持久强度比H10、H13提高1倍以上。

    表2  改进后的日本3Cr·3Mo系钢化学成分、性能及寿命
   

表3  Uddeholm公司的新钢种