國內(nèi)外熱作模具鋼的發(fā)展概況
⒈通用型熱作模具鋼。
國外的通用型熱作模具鋼有三種類型，即以55NiCrMoV6和56NiCrMoV7為代表的低合金熱作模具鋼，以H13(4Cr5MoSiV1)和H11(4Cr5MoSiV)為代表的中合金熱作模具鋼，以H10(4Cr3Mo3SiV)、H21(3Cr2W8V)為代表的鎢系、鉬系熱作模具鋼。
我國的通用型熱作模具鋼，過去主要有5CrMnMo、5CrNiMo及3Cr2W8V三個鋼號。在20世紀80年代初引進了H13鋼，H13鋼有良好的抗冷熱疲勞性，在使用溫度不超過600℃時，代替3Cr2W8V鋼，模具壽命有大幅度提高，因此，H13鋼迅速得到推廣應用，其產(chǎn)量已經(jīng)超過3Cr2W8V鋼。1995年，H13鋼的產(chǎn)量已達26976t，成為產(chǎn)量最高的熱作模具鋼，用于制造鍛造壓力機模塊、鋁合金擠壓模等，取得了很好的使用效果。
5CrNiMo、5CrMnMo是我國使用最廣泛的熱鍛模具鋼，但因合金含量交低，不含釩，其熱強性、淬透性和抗回火軟化性等不如國外的同類鋼(55NiCrMoV6、56NiCrMoV7等)。近20年來國內(nèi)結合大型模塊的生產(chǎn)，開發(fā)了與國外鋼號化學成分相近的5CrNiMoV鋼，取得了良好的使用效果。
為了適應熱作模具發(fā)展的需要，的地年來，國內(nèi)相繼開發(fā)了一些新型熱作模具鋼。
⒉高淬透性特大型鍛壓模塊用鋼。
通用型鍛壓模塊用鋼，如5CrMnMo、5CrNiMo及5CrNiMoV等，由于淬透性的限制，一般只適用于制造厚度為300~400mm的模具，而大型鍛壓設備，有時模具重達幾十噸。隨著模塊截面尺寸的增大，要求進一步提高模具材料的淬透性，以使模具的心部能夠得到較高的、均勻的性能。為此，國內(nèi)外發(fā)展了一系列提高合金含量的高淬透性模具鋼，如ISO4957標準中的40NiCrMoV4，法國NF-35-590標準中的40NCD16等。另外，俄羅斯生產(chǎn)的Ди32(5Cr2MoNiV)，我國開發(fā)的4Cr2MoVNi、3Cr2MoWVNi、5Cr2NiMoVSi等鋼號，均可用于制造500mm*500mm截面的熱鍛模，其表面和心部硬度均勻一致。
⒊高熱強性模具鋼。
新技術的發(fā)展使一些熱作模具的工作溫度不斷提高，工作條件是益苛刻，傳統(tǒng)的鋼號，如3Cr2W8V型高合金熱作模具鋼已不能適應要求，國內(nèi)外陸續(xù)研制、開發(fā)了不少旨在提高耐熱度和熱強度的新型熱作模具鋼，主要分為四種類型。
⑴、中合金高熱強性熱作模具鋼。
這方面的研究主要是在4Cr3Mo3SiV(H10)和4Cr5MoSiV1(H13)鋼的基礎上增加W、Mo、Co、Nb等元素，以提高其高溫性能。如美國ASTM標準鋼號H10A(4Cr3Mo3Co3V)，我國開發(fā)的3Cr3Mo3W2V、4Cr3Mo3W4Nb、4Cr5Mo2MnVSi等。
20世紀80年代以來，對于碳化釩對模具鋼的高溫強化作用的研究更加深入，先后發(fā)展了一些以碳化釩為主要強化相的高熱強性熱作模具鋼。如瑞典的QRO80M(3Cr3Mo2VMn)、QRO90M(QRO80M的改進鋼號)，我國研制的5Cr4W2Mo2SiV鋼，將釩含量提高到1.2%，CH75鋼(4Cr3Mo2SiV)將釩含量提高到1.5%等，由于在回火時析出較多的以MC型碳化物為主的高度彌散的碳化物，與3Cr2W8V相比具有更高的高溫強度和抗回火軟化能力。
⑵、沉淀硬化型熱作模具鋼。
沉淀硬化型熱作模具鋼的特點是制作的模具在淬火和低溫回火(≈400℃)后進行機械加工，此時模具的硬度為HRC40左右，加工后直接使用，在使用過程中，模具表面受熱產(chǎn)生碳化物析出，導致二次硬化，硬度提高到HRC45~48，而心部組織未發(fā)生轉(zhuǎn)變，這樣，模具可以同時具有表層所需的高溫強度和心部的高韌度。由于模具是在機械加工前進行熱處理的，所以，不存在熱處理畸變和表面氧化脫碳問題。
沉淀硬化型鋼在20世紀50年代已出現(xiàn)，如3Ni-3Mo鋼(含碳0.2%)。日本研制了不少沉淀硬化型鋼種，代表性的鋼號有YHD3、YHD26、YHD28、DH76(2Cr3Ni3V)等，其中YHD3的高溫強度優(yōu)于3Ni-3Mo鋼，并已得到較廣泛的使用，用于制作300mm*400mm截面的壓力機模具。我國研制了一種無鈷析出的沉淀硬化型熱作模具鋼PH(2Cr3Mo2NiVSi)，用于制作壓力機鍛模，使用壽命比5CrNiMo高出1~1.5倍。這種鋼經(jīng)1010℃淬火和400℃回火后，硬度為HRC44，析出硬化量為3~4HRC。
⑶、低碳高速鋼和基體鋼。
高速工具鋼具有良好的抗回火軟化能力和高溫強度，但其韌度和冷熱疲勞性能較差。從20世紀70年代以來，各國開發(fā)了不少低碳高速鋼和基體鋼。前者將高速鋼的碳含量降至0.3%~0.6%，在犧牲部分紅硬性和耐磨性的情況下，改善其韌度和抗冷熱疲勞性能，代表性的鋼號如美國ASTM標準鋼號H42(6W6Mo5Cr4V2)、H26(5W18Cr4V)、H25(3Cr4W15V)等，我國國家標準的鋼號為6W6Mo5Cr4等。
基體鋼的化學成分相當于淬火后的高速鋼基體組織的成分，所以，淬火后過剩碳化物的數(shù)量少，且細小均勻，使鋼的韌度和抗冷熱疲勞性能進一步得到改善。代表鋼號如美國釩合金鋼公司的Vasco MA(5Cr4W3Mo2V)。我國的基體鋼鋼號為6Cr4Mo3W2Nb、5Cr4W5Mo2V和65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)等。
這種鋼綜合性能好，既可以用于熱作模具材料，也可以用于制造高性能的冷作模具。
⑷、奧氏體型熱作模具鋼。
有些模具的工作溫度超過700℃，有時高達800℃或更高，上述的各種熱作模具鋼已不能滿足要求，此時可使用高溫合金，高溫合金含鎳量高，價格昂貴，加工性能差。為了適應工作溫度達700~800℃的熱作模具的需要，國內(nèi)外開發(fā)了CrMn系和CrMnNi系奧氏體型熱作模具鋼，為了提高熱強性，加入了較多的釩、鉬作為高溫強化元素。代表性的鋼號如日本大同特殊鋼公司的5Mn15Ni5Cr8Mo2V鋼、日本日立金屬公司的5Mn18Cr10V2鋼，我國開發(fā)的7Mn10Cr8Ni10Mo3V2鋼和5Mn15Ni5Cr8Mo3V2鋼。這類鋼經(jīng)固溶時效處理后，在700~800℃仍保持較好的強度，可以用于制造在高溫下工作的模具，但由于這類鋼導熱性差、熱膨脹系數(shù)大、抗冷熱疲勞性能較差，故不宜制造在急冷急熱條件下工作的模具，如采用水冷卻的模具。
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