模具鋼材5Cr2NiMoVSi的特性及應用
5Cr2NiMoVSi模具鋼是在5CrNiMo和4Cr5MoSiV(H11)鋼的基礎上研制的新鋼種。強度高于5CrNiMo模具鋼而稍低于4Cr5MoSiV(H11)鋼；沖擊韌性高于5CrNiMo鋼和4Cr5MoSiv(H11)鋼；淬透性接近5CrNiMo鋼。加熱時奧氏體晶粒長大傾向小，熱處理溫度范圍較寬，有利于大尺寸模塊長時間加熱保溫。特別是，鋼的熱穩定性高于5CrNiMo鋼，接近于4Cr5MoSiv(H11)鋼。因此特別適合于與鍛件接觸時間較長因而模具工作面溫升較高的壓力機鍛模，和模鍛錘鍛模。
雖然5Cr2NiMoVSi模具鋼未納入GBT1299-2000《合金工具鋼》國家標準，但已在實際生產中應用多年，效果亦好。是值得試用推廣的熱鍛模具新鋼種。
1 5Cr2NiMoVSi模具鋼的化學成分與性能
1.1　5Cr2NiMoVSi模具鋼的化學成分
C0.46~0.53;Si0.6~0.9;Mn0.4~0.6;Cr1.54~2.00;Ni0.8~1.2;Mo0.8~1.2;V0.3~0.5;P≤0.03S；≤0.03。
1.2　5Cr2NiMoVSi模具鋼的物理性能
臨界點                    Ac1    Ac3     Ar3     Ar1     Ms
溫度(近似值)℃        750    874      751    623     243
熱導率λ(室溫)•W/(m•k)：33.5。
比熱容Cp(室溫)•J/(Kg•k)：501.6。
2　5Cr2NiMoVSi模具鋼的熱加工與鍛造
加熱溫度℃         始鍛溫度℃        終鍛溫度℃          冷卻℃
1180~1200          1140~1160          850~900            緩冷(坑或砂冷)
熱加工鍛造是模具制造工藝過程中的重要工序，模具鍛造質量的優劣，直接影響到模具熱處理質量的優劣，關系到模具的使用壽命。鍛造的目的不僅是為了將坯料鍛造成所需要的形狀，更重要的是可以改善和提高模具的性能，保證模具的使用壽命。
模具鋼經合理鍛造后，有如下效果：
A.使塊狀、網狀、帶狀碳化物破碎，分布均勻。
B.改變模具中流線的方向，使流線合理分布。
C.改善模具中的氣孔，疏松，提高鋼的比重和致密度。
3　5Cr2NiMoVSi模具鋼的熱處理工藝
3.1　預先熱處理
5Cr2NiMoVSi模具鋼等溫退火后的組織為粒狀珠光體+極少量未溶碳化物(合金滲碳體.M23C6和少量M6C、Mc，總含量為6.79％)硬度為220-230HBW。
3.2　淬火工藝規范
5Cr2NiMoVSi模具鋼的淬火溫度范圍較寬，可在960-1010℃范圍內選擇。在此溫度范圍內加熱，鋼的奧氏體晶粒度在9-10級之間，溫度升到1060℃時，奧氏體晶粒開始急劇長大。
5Cr2NiMoVSi模具鋼的淬火加熱和冷卻工藝，是影響模具變形和開裂，獲得理想淬火組織和理想力學性能的關鍵。由于錘鍛模具尺寸較大，在冷卻過程中產生的熱應力及組織應力也很大，因此，錘鍛模淬火冷卻前要進行適當的預冷。一般應預冷至鋼的，AC3溫度附近，既880℃左右。預冷的方式：一是模具隨爐預冷，均溫后出爐淬火冷卻；二是出爐在空氣中預冷，小模塊(≤250mm)的預冷時間3-5min，大模塊(≥300mm)約5-8min。然后放入30-80℃的油中冷卻。為了冷卻均勻，最好進行攪拌冷卻。鍛模一般冷至約150-200℃時就應從油槽中取出，并立即回火。這時既可根據經驗確定：模具提出油面時冒青煙而不再著火；也可以使用紅外測溫儀確定。鍛模在油中淬火冷卻的時間請參照表4。
5Cr2NiMoVSi模具鋼在960-1010℃溫度范圍內淬火后的組織為板條馬氏體+孿晶馬氏體及少量殘余奧氏體。淬火后硬度為54-61HRC。
3.3  回火工藝規范
5Cr2NiMoVSi模具鋼具有較好的回火抗力，經550℃回火后仍能保持高硬度(51-53HRC)。經600℃回火后，硬度為47-48HRC，650℃回火后下降為42-44HRC。而5CrNiMo鋼經650℃回火后硬度不足30HRC。可見5Cr2NiMoVSi鋼的熱穩定性比5CrNiMo鋼高出150℃左右。在450-550℃范圍內回火時，從基體中析出M2C和VC等碳化物，具有較高的彌散度，產生二次硬化效應。
由于大、中、小型模具的硬度要求不同，截面尺寸(主要是高度H)也不同，因此推薦的回火溫度范圍也較寬(請參照表5)。
一般情況下，由于模具淬火應力很大，如果回火時加熱速度過快，會產生新的應力，也常會使模具的變形或開裂的可能性增大，所以在回火加熱時，應采用等溫預熱分段加熱回火形式。預熱溫度不應高于350℃，高于350℃時，模具心部的殘余奧氏體將向上貝氏體轉變，不僅會降低模具的強度，而且會顯著降低模具的沖擊韌性。因此等溫預熱的溫度一般取280℃左右，此溫度下，殘余奧氏體將向下貝氏體轉變。由于下貝氏體具有高的強韌性和沖擊韌性，因而獲得下貝氏體組織是有利于提高模具的使用壽命。
由于5Cr2NiMoVSi鋼含有0.80-1.20％的Mo，因此對第二類回火脆性并不敏感，所以回火后的冷卻可采用空冷。雖然慢冷對鋼的沖擊韌性略有降低，但絕對值仍然滿足技術條件要求。
在生產條件下，常常采用一次回火。但由于回火不足(特別是大、中型模塊)，在生產中經常發生采用一次回火(加上回火時問短)后，模具極易產生開裂，有的甚至在未使用的情況下產生開裂。因此，在第一次回火后，應當再進行第二次回火，將模具的內應力降至最低。
第二次回火必須在第一次回火后模具冷卻至室溫，使殘余奧氏體充分轉變后才能進行。第二次回火溫度應低于第一次回火溫度約10℃左右。
4　5Cr2NiMoVSi模具鋼熱處理后的力學性能。
5Cr2NiMoVSi鋼經960-1010℃加熱淬火，600-680℃加熱回火后，可獲得較高的綜合力學性能。
4.1　5Cr2NiMoVSi模具鋼985℃淬火后的力學性能。
4.2　5Cr2NiMoVSi模具鋼的高溫強度
5Cr2NiMoVSi鋼在500℃以下試驗時，高溫強度與5CrNiMo鋼相近，當試驗溫度高于600℃時，5Cr2NiMoVSi模具鋼的高溫強度比5CrNiMo鋼高出一倍以上。這與5CrNiMo鋼中的M3C碳化物在高溫下易聚集長大有關。
4.3　5Cr2NiMoVSi模具鋼高溫沖擊韌度
500-550℃是模具工作面的工作溫度范圍，在此溫度下，5CrNiMo鋼的沖擊韌度處于谷值，而5Cr2NiMoVSi鋼的沖擊韌度僅有少許下降，比5CrNiMo鋼高出一倍。
5　5Cr2NiMoVSi模具鋼在汽車前軸鍛模中的應用
東風EQ140型汽車前軸鍛模的尺寸為1825×395×300mm，熱處理后的硬度要求為37-41HRC。鍛模在工作中所受的沖擊力比較小，但與鍛件接觸的時間長。模具表面的工作溫度較高。因此要求模具有高的高溫強度、耐磨性、抗回火穩定性及耐熱疲勞性。
原前軸模在采用5CrNiMo鋼制造時，由于熱穩定性及強度低，不能滿足壓力機模具對性能的要求，使用中常因熱磨損和熱裂嚴重而失效，使用壽命一般為5500-6000件。在改用5Cr2NiMoVSi鋼制造后，使用壽命顯著提高。
按上述熱處理工藝生產的5Cr2NiMoVSi鋼制前軸鍛模的使用壽命達到了9000件左右，比5CrNiMo鋼提高了50％左右，效果比較明顯。
資料來源：東莞市弘超模具科技有限公司技術中心
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