如何選用熱作模具鋼

    首先是熱作模具鋼的分類：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。

    然后是不同模具鋼的具體應(yīng)用

    高韌性熱作模具鋼的應(yīng)用

    此類鋼中碳的含量一般在0.5﹪左右，合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)3﹪左右，主要用于熱鍛模具。傳統(tǒng)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(dǎo)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(huì)出現(xiàn)中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

    由于淬透性的限制，隨著模塊截面的增大，要求進(jìn)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(nèi)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(chǎn)的3Cr2MoWVNi鋼、5Cr2NiMoVSi鋼、4CrMnSiMoV鋼等，這些鋼均是在5CrNiMo的基礎(chǔ)上適當(dāng)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(qiáng)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。

    中耐熱韌性鋼的應(yīng)用

    中耐熱韌性鋼的特點(diǎn)是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)提高模具的熱硬性和熱強(qiáng)性非常有效，在500~600℃具有較高的硬度熱強(qiáng)性和耐磨性，最高可達(dá)650℃。該類鋼淬透性很好，對(duì)100mm厚工件空冷即能淬透，其綜合性能好。在GB1299—2000標(biāo)準(zhǔn)中屬此類的鋼號(hào)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。

    高耐熱鋼的應(yīng)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(shù)模具鋼的合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8﹪~10﹪，有的達(dá)11%，這類鋼有高的耐熱性，即高的高溫強(qiáng)度和高溫硬度，可以在600~700℃的高溫下工作，同時(shí)具有高的耐熱性，淬透性好，有強(qiáng)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(fù)雜的模具。主要用于制造壓力機(jī)鐓鍛模，擠壓機(jī)上加工高強(qiáng)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(tǒng)的熱作模具鋼3Cr2W8V鋼具有以上特性，能在600~650℃條件下長(zhǎng)期服役，因此廣泛應(yīng)用于高耐熱熱作模具。但是該鋼如果冶煉不當(dāng)、鑄錠較大、鑄模溫度過高及鋼液過熱時(shí)，3Cr2W8V鋼錠中的元素偏析特別嚴(yán)重，共晶碳化物的數(shù)量會(huì)增多，因此造成模具脆裂報(bào)廢的事故時(shí)有發(fā)生。而且高鎢鋼有脫碳傾向，這是模具磨損快、粘模嚴(yán)重、表面早期出現(xiàn)熱疲勞裂紋的原因之一。

    為解決此類問題，國內(nèi)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(yīng)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(chǔ)上，適當(dāng)降低Mo、V的含量，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)抗拉強(qiáng)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(duì)壓鑄模特點(diǎn)結(jié)合我國礦產(chǎn)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(shí)以硼來提高淬透性和熱強(qiáng)性，加入微量鈮可提高M(jìn)6C和MC型碳化物的穩(wěn)定性，因此能細(xì)化晶粒，降低過熱敏感性，提高熱強(qiáng)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。

    特殊用途熱作模具鋼的應(yīng)用

    新技術(shù)、新工藝的發(fā)展對(duì)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(dá)到其技術(shù)要求并使其使用壽命大大提高。下面簡(jiǎn)要進(jìn)行介紹：

    1)奧氏體型熱作模具鋼的應(yīng)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(jīng)逐漸獲得了廣泛應(yīng)用。

    2)硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金的應(yīng)用

    硬質(zhì)合金制造熱作模具可直接燒結(jié)成形，不需機(jī)械加工和熱處理。鋼結(jié)硬質(zhì)合金是介于硬質(zhì)合金和工模具鋼之間的一種新模具材料(冷模具鋼應(yīng)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(fù)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(yīng)用

    要求高熱強(qiáng)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(shí)，工作溫度高達(dá)600~700℃，具有高強(qiáng)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。

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