熱作模具鋼的性能
（1）通用型熱作模具鋼 熱作模具鋼主要用于熱鍛模具、壓鑄模具、熱擠壓模具、超塑成型等溫鍛造模具等。要求熱作模具鋼在工作溫度下具有較高的強(qiáng)韌性、耐磨性、高溫強(qiáng)度、耐冷熱疲勞性能、抗氧化性和耐蝕性。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中通用型熱作模具鋼主要有4個(gè)鋼號(hào)，即L6、H10、H21、H13。
熱作模具鋼是在高溫條件下使用，一般在500～700℃之間工作，在壓鑄成型過(guò)程中，鋼與液態(tài)金屬相接觸，使用條件苛刻。常用國(guó)產(chǎn)熱作模具鋼有4個(gè)品種，包括5CrNiMo、5CrMnMo、H13、3Cr2W8V，它們與日本及歐洲各主要的模具鋼生產(chǎn)企業(yè)的對(duì)照見(jiàn)表1-1。
表1-1 國(guó)內(nèi)外通用型熱作模具鋼對(duì)照
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GB/T 1299 |
AISI/ASTM |
DIN |
NFA35 |
BS |
FODT |
JIS |
ISO/DIS |
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6CrNiMnSiMoV |
L6 |
17350 |
590 |
4659 |
5950 |
4404 |
55NiCrMoV2 |
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5CrNiMo |
H13 |
55NiCrMoV6 |
5NCDV7 |
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5XHM |
SKT4 |
40CrMoV5 |
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4Cr5MoSiV1 |
H10 |
56NiCrMoV7 |
Z40CDV5 |
BH13 |
4X5MΦ1C |
SKD61 |
30CrMoV3 |
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4Cr3Mo3SiV |
H21 |
40CrMoV51 |
32CDV23 |
BH10 |
3X3M3Φ |
SKD7 |
30CrMoV9 |
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3Cr2W8V |
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X30CrMoV33 |
Z30WCV9 |
BH21 |
3X2B3Φ |
SKD5 |
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（2）高淬透性鍛模用鋼 該類鋼一般為中碳低合金鋼。5CrMnMo、5CrNiMo是通用型的熱鍛模用鋼，由于合金元素含量較低，淬透性較差，熱穩(wěn)定性也不高，并且鋼中不含V元素，晶粒容易粗大，模具的使用壽命低。為了適應(yīng)大截面鍛錘和鍛造壓力機(jī)的要求，需要較高淬透性和回火穩(wěn)定性的鍛模鋼，各國(guó)均開發(fā)了新鋼種，如俄羅斯的4XM2Φч、5X2MHV、UDDEHGLMToughteM鋼，日本大同特殊鋼的GF78，三菱制鋼開發(fā)的HD14（5CrNiMoV），高周波鋼業(yè)公司開發(fā)的KTVN（5CrNi3MoV）等。西方國(guó)家常用的是55NiCrMoV6鋼。
20世紀(jì)80年代以后，我國(guó)研制了類似的鋼號(hào)5CrNiMoV鋼，通過(guò)提高了5CrNiMo鋼中的Cr、Ni、Mo的含量，并添加V元素，顯著提高了鋼的淬透性、淬硬性、高溫強(qiáng)度和抗回火穩(wěn)定性，400mm×400mm截面可以完全淬透，淬火后表面與心部硬度都保持在56～60HRC。而同一尺寸的5CrNiMo的心部硬度只有32～41HRC。5CrNiMoV鋼模塊的抗回火穩(wěn)定性比5CrNiMo高出100℃，使用壽命顯著高于5CrNiMo。
5Cr2NiMoVSi鋼與5CrNiMo相比，由于具有更高的合金元素含量，因此，具有更高的淬透性，其截面500mm×500mm的模塊可以淬透，并且具有二次硬化效應(yīng)，熱穩(wěn)定性比5CrNiMo更高，適合于制造大型鍛模。
（3）高強(qiáng)韌性熱作模具鋼 該類熱作模具鋼使用量大，應(yīng)用面廣，典型的鋼種是美國(guó)AISIH13鋼。近些年來(lái)，國(guó)外主要的模具鋼生產(chǎn)廠開發(fā)了大量的新鋼種。如瑞典UDDEHOLM的QRO90SUPEREME、HOTVAR，最近又研究了低Si優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼DIEVAR，提高了高溫強(qiáng)度、回火穩(wěn)定性和韌性、抗熱裂性等；美國(guó)CARPENTER工藝公司開發(fā)了Extendo-Die，提高了H13鋼中的Cr、Mo含量，從而提高了模具使用壽命；美國(guó)CRUCIBLE公司開發(fā)了CRU161、WR95等新鋼種；德國(guó)TEW通過(guò)調(diào)整X40CrMoV51鋼的C、Cr、Mo、V含量，推出了X35CrMoV511；日本的大同特殊鋼公司的DH21等新鋼種。另外，為了提高鋼的紅硬性和回火穩(wěn)定性，在鋼中增加一定量的Co，如美國(guó)的H19，英國(guó)的BH10A，日本的MCZ、WDK，大同特殊鋼的DH41、DH71，日立金屬的YHD45等。
為了滿足高負(fù)荷、長(zhǎng)壽命的鍛造壓力機(jī)用鍛模的要求，發(fā)展了沉淀感化型熱作模具鋼，這類鋼一般含碳量較低，得到高韌性的板條馬氏體組織，在模具使用過(guò)程中，型腔表面與高溫工件接觸而升溫到550℃左右，由于金屬間化合物和碳化物的彌散析出而增加硬度5～8HRC。典型的鋼種如日立金屬的YHD26，大同特殊鋼的DH67（3Ni3Mo3V）等，還有H13、H10、3Cr3Mo3W2V、QRO90、DH21、ди71、HD72、HD2、TM、Y4等。
（4）高溫?zé)嶙髂＞咪?/B> 當(dāng)工作溫度≥700℃時(shí)，一般的模具鋼的強(qiáng)度急劇下降，為了滿足此工作溫度，國(guó)外發(fā)展了一些新型的熱作模具材料。對(duì)于700～800℃的模具，發(fā)展了CrMn系和NiCrMn系高溫模具鋼，如日立金屬的5Mn15Cr10V2，大同特殊鋼的5Mn18Nni8Cr、8Mo2V2鋼等，在800℃下抗拉強(qiáng)度可大于600MPa。但該類鋼導(dǎo)熱性較差，線（膨）脹系數(shù)大，抗熱疲勞性能差。
7Mn15Cr2Al3V2Wmo鋼是我國(guó)研制的無(wú)磁鋼，應(yīng)用較多，經(jīng)高溫固溶處理后的組織為奧氏體和少量的碳化物，固溶處理后硬度為20～22HRC左右。時(shí)效后的硬度可以達(dá)到47HRC左右，可用于高溫?zé)嶙髂＞摺⒋判圆牧系膲褐瞥尚陀媚＞�，具有較高的耐磨性。
當(dāng)工作溫度大于800℃時(shí)，一般Fe基或Ni基高溫合金制造。最近由于超塑恒溫成型工藝的發(fā)展，有些高溫合金的超塑性的溫度高達(dá)1100℃。日立金屬公司開發(fā)了一種叫“Nimowal”的Ni基合金，如5Mn15、AH、7Mn15等鋼。
（5）馬氏體時(shí)效鋼 在微量的碳加18%～25%Ni的基礎(chǔ)上，再添加A1、Ti、Co、Mo等元素，通過(guò)馬氏體強(qiáng)化機(jī)制，可在750℃的高溫下保持相當(dāng)?shù)募t硬性，美國(guó)Lokomo公司和CRUCIBLE公司開發(fā)的該類鋼與18Ni相近。Thy-r-othrm2799是一種新型的馬氏體時(shí)效鋼（Nil2Mo8Co8Ti），具有較高的熱穩(wěn)定性，奧地利BOHLER的W700也屬此類。
此外，還有高溫耐蝕模具鋼，如大同特殊開發(fā)的DH42，日立金屬開發(fā)的YHD45等。還有粉末冶金耐熱模具鋼，如德國(guó)的X40CrMoV51，美國(guó)VASCO的MA等。
（6）壓鑄模具鋼 壓鑄模具鋼主要應(yīng)用于汽車、摩托車、軍事電子、農(nóng)業(yè)機(jī)械和普通機(jī)械制造等工業(yè)生產(chǎn)中的壓力鑄造、擠壓鑄造、重力鑄造、鑄造成型等所需的熱作模具。
① H1M1鋼：該鋼種納入GB1299—85的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)模具鋼號(hào)。它具有良好的抗熱疲勞性能、抗回火穩(wěn)定性能和良好的冶煉、鍛造、熱處理及機(jī)械加工工藝性能，是國(guó)內(nèi)綜合性能優(yōu)良、符合我國(guó)資源條件的高強(qiáng)韌性熱作模具新鋼種。適用于高溫、高負(fù)荷、急熱急冷條件下的壓力機(jī)鍛模、軸承熱鍛凹模、成型滾鍛模、高強(qiáng)度和高熱強(qiáng)鋼的精密鍛造、鋁和銅合金壓鑄模、熱擠壓模具等。使用壽命可比3Cr2W8V提高1～4倍。在高溫性能方面明顯優(yōu)于H13鋼。
② HM3鋼：該鋼種與HM1為同一系列產(chǎn)品，其高溫強(qiáng)韌性能和抗熱疲勞性能非常突出，特別適合于沖擊載荷較大、工作溫差高的模具。如輥段成型模具，有色金屬壓鑄模具，耐熱不銹鋼及高強(qiáng)度材料鍛壓成型模具，軸承環(huán)套圈熱鍛成型凹模等，使用壽命比原用H13、3Cr2W8V模具鋼。
③ RM2鋼：RM2鋼是一種多用途基體鋼，既可用于熱作模具，也可用于冷作模具。該鋼種已納入GB1299—85國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，具有極高的高溫強(qiáng)度、紅硬性能、熱穩(wěn)定性能和高溫耐磨性能。特別適用于銅合金擠壓模具，溫鍛模具和沖擊載荷較小的熱擠沖頭模具。在切邊模具、齒輪精鍛模具、軸承環(huán)擠壓沖頭、不銹鋼餐具滾軋模具的應(yīng)用壽命都遠(yuǎn)高于原用H13、3Cr2W8V模具鋼。
④ JDH3鋼：該鋼種是一種最新研制的模具材料，其性能特點(diǎn)是介于HM1、HM3和H13之間，即強(qiáng)度高于HM3，韌性高于HM1，抗熱疲勞性能高于H13鋼。主要適用于熱鍛模具、精鍛模具、輥鍛模具。
⑤H13（4CrSMoSiV1）鋼等，以上材料的供貨狀態(tài)均為電渣重溶鋼。
