熱作模具鋼的選用，應該注意哪些問題？
熱作模具的工作條件要求熱作模具除具有良好的工藝性能外，主要是要求在不同溫度條件下具有高的強度、韌度、硬度及熱穩(wěn)定性。這些性能主要由鋼的化學成分和冶煉加工以及熱處理所決定。
熱作模具鋼按合金元素及熱處理后性能分為低耐熱高韌性熱作模具鋼、中耐熱韌性鋼、高耐熱性鋼以及特殊用途熱作模具鋼。
1、高韌性熱作模具鋼的應用
此類鋼中碳的含量一般在0.5﹪左右，合金元素總質量分數3﹪左右，主要用于熱鍛模具。傳統的熱鍛模具鋼有5CrMnMo、5CrNiMo等，這類鋼有較好的淬透性、沖擊性能較好、導熱性能好、有較高的熱疲勞抗力，在400℃左右工作條件下能承受急冷急熱的狀況，一般模具不超過250mm淬透，否則中心部位會出現中溫轉變產物。
由于淬透性的限制，隨著模塊截面的增大，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。為解決此問題，國內外研發(fā)了一系列提高合金含量的高淬透性模具鋼，如國產的3Cr2MoWVNi鋼、5Cr2NiMoVSi鋼、4CrMnSiMoV鋼等，這些鋼均是在5CrNiMo的基礎上適當降低含碳量、提高Cr、Mo的含量并加入適量的V和Si，提高了鋼的淬透性。這些新研制的高韌性熱作模具鋼淬火溫度范圍寬、淬透性好、高溫強度高，并且具有良好的韌性、熱穩(wěn)定性、抗冷熱疲勞和抗熱磨損等性能，在中小熱鍛模上使用，比5CrMnMo、5CrNiMo鋼制造的模具，壽命有較大提高。
2、中耐熱韌性鋼的應用
中耐熱韌性鋼的特點是碳質量分數較低（一般為0.3﹪~0.5﹪），合金元素含量中等，含有較多的Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素，Cr含量較高一般為wcr=3﹪~5﹪。wMo=1﹪~3﹪，Cr和Mo使鋼的淬透性大大提高；含有V使鋼具有較好的抗過熱敏感性，對提高模具的熱硬性和熱強性非常有效，在500~600℃具有較高的硬度熱強性和耐磨性，最高可達650℃。該類鋼淬透性很好，對100mm厚工件空冷即能淬透，其綜合性能好。在GB1299—2000標準中屬此類的鋼號有：4Cr5MoSiV鋼、4Cr5MoSiV1鋼、4Cr3Mo3SiV鋼、3Cr3Mo3W2V鋼、4Cr5W2VSi鋼等，這類鋼分別用來制造熱擠壓模、精鍛模、有色金屬壓鑄模等，有良好的使用效果。
3、高耐熱鋼的應用
高耐熱性能熱作模具鋼碳含量不高，但合金元素含量高，多數模具鋼的合金元素的質量分數為8﹪~10﹪，有的達11%，這類鋼有高的耐熱性，即高的高溫強度和高溫硬度，可以在600~700℃的高溫下工作，同時具有高的耐熱性，淬透性好，有強烈的二次硬化效果，好的回火抗力，較高的抗疲勞性和斷裂韌度。高耐熱性鋼適用于要求高耐熱性、耐磨性、韌性要求較低、形狀不太復雜的模具。主要用于制造壓力機鐓鍛模，擠壓機上加工高強鋼、不銹鋼、鈦合金、耐熱合金等尺寸小于150mm的模具、壓鑄模以及較高工作溫度（600~690℃）、高磨損條件下工作的熱作模具。
傳統的熱作模具鋼3Cr2W8V鋼具有以上特性，能在600~650℃條件下長期服役，因此廣泛應用于高耐熱熱作模具。但是該鋼如果冶煉不當、鑄錠較大、鑄模溫度過高及鋼液過熱時，3Cr2W8V鋼錠中的元素偏析特別嚴重，共晶碳化物的數量會增多，因此造成模具脆裂報廢的事故時有發(fā)生。而且高鎢鋼有脫碳傾向，這是模具磨損快、粘模嚴重、表面早期出現熱疲勞裂紋的原因之一。
為解決此類問題，國內研發(fā)了一些新的鋼種：如HD鋼和Y系列鋼。
HD(4Cr3Mo2NiVNb)鋼是為了適應700℃左右工作溫度而研制的新型高耐熱性鋼。HD鋼是在4Cr3Mo3V鋼的基礎上，適當降低Mo、V的含量，加入質量分數為wNi=1﹪、wNb=0.15﹪，提高了鋼的高溫韌性及熱穩(wěn)定性，在700℃仍可以保持40HRC的硬度。在硬度相同的情況下，HD鋼比3Cr2W8V鋼的斷裂韌度高50﹪，700℃高溫時抗拉強度高70﹪，冷熱疲勞抗力和熱磨損性能分別高出1倍和5﹪，用其制作的熱擠壓模具使用壽命也高于3Cr2W8V鋼。
Y系列模具鋼是針對壓鑄模特點結合我國礦產資源而研制的新鋼種。Y10（4Cr5Mo2MnVSi）鋼淬透性好，主要用于鋁合金壓鑄模。與Y10鋼相比，Y4（4Cr3Mo2MnVNbB）鋼中的Cr、Si含量下降了，碳化物不均勻性下降，同時以硼來提高淬透性和熱強性，加入微量鈮可提高M6C和MC型碳化物的穩(wěn)定性，因此能細化晶粒，降低過熱敏感性，提高熱強性和熱穩(wěn)定性，可用于熔液溫度為880~960℃的銅合金熱壓鑄模。Y系列鋼用于壓鑄模上，其使用壽命較3Cr2W8V鋼有很大提高。
4、特殊用途熱作模具鋼的應用
新技術、新工藝的發(fā)展對模具提出了更高的要求，一些普通熱作模具鋼已不能滿足其使用要求，必須采取特殊性鋼來制作熱作模具，才能使模具達到其技術要求并使其使用壽命大大提高。下面簡要進行介紹：
（1）奧氏體型熱作模具鋼的應用
為了滿足高溫、耐蝕、抗氧化要求而引入奧氏體型耐熱鋼，其中有鉻鎳系奧氏體不銹耐熱鋼，如Cr14Ni25Co2V、4Cr14Ni14W2Mo；以及高錳奧氏體鋼，如5Mn15Cr8Ni5Mo3V鋼、7Mn10Cr8Ni10Mo3V鋼、7Mn15Cr2AlV2WMo鋼等。這些奧氏體型耐熱鋼作為熱作模具材料已經逐漸獲得了廣泛應用。
（2）硬質合金及鋼結硬質合金的應用
硬質合金制造熱作模具可直接燒結成形，不需機械加工和熱處理。鋼結硬質合金是介于硬質合金和工模具鋼之間的一種新模具材料（冷模具鋼應用中已介紹），適合制作熱擠壓模、熱沖孔模，熱平鍛模等，模具使用壽命大大提高。
（3）析出沉淀硬化型熱作模具鋼
此類鋼在制造的熱作模具表面在使用中由于合金碳化物和金屬間化合物的析出，硬度提高，適宜制作精密復雜熱作模具，由于表面硬度高，耐磨性好而模具心部仍保持原有的組織和高韌性，從而提高了模具的使用壽命。
我國研制的PH（2Cr3Mo2NiVSi）鋼是典型的析出硬化型熱作模具鋼。
（4）高速鋼型耐熱鋼和冷熱兼用基體鋼的應用
要求高熱強的熱作模具可選用W18Cr4V鋼；要求承受一定沖擊載荷的熱加工模具可選用W6Mo5Cr4V。高速鋼作為熱作模具使用時，工作溫度高達600~700℃，具有高強度，好的熱硬性，但韌性較差。
基體鋼中有較多鋼種可以兼作冷作模具用鋼和熱作模具用鋼，如LM1鋼、LM2鋼、CG-2鋼、RM-2鋼、012A1鋼和5Cr4W2Mo2SiV鋼等，可用于熱擠壓模具和精鍛模，其使用壽命高于3Cr2W8V鋼。
作者：趙昌盛
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
相關文章：模具鋼材的特性(Characteristics-of-die-steel) 模具鋼的滲碳-碳氮共滲改性熱處理
