【壓鑄模具鋼】高導熱4Cr3Mo3VSi模具鋼板、圓棒

國內熱作模具鋼

一汽從20世紀50年代引進模具材料到試驗研究，生產實踐，再引進，再研究，再生產的過程，正是我國模具發展的一個縮影。

（1） 一汽的模具

一汽的鍛壓設備是齊全的：模鍛錘、熱模鍛壓機、平鍛機、摩擦壓力機、高速鐓鍛機。生產模鍛件8萬噸／每年，需要模具材料50CrNiMo近千噸，模具材料消耗也是很大的。

I 1956年一汽從前蘇聯引進50CrNiMo模具材料。

II 1958年蘇聯停止供應模具材料后，自己先后開始研制雙金屬5Cr2MnMo／45Mn2電渣堆焊模塊、4Cr2MoVNi／30CrMnSi電渣重熔模塊，但分別由于心部裂紋、表面裂紋嚴重而停止生產。

III 又開始采用整體模塊鋼，從日本、德國等國進口，SKT4、2713。

IV 20世紀80年代末，一汽棄雙金屬改用整體4Cr2MoVNi(B2)鍛鋼模具，廣泛應用在錘鍛模和大型機鍛模。此前后又研究出適用于中、小機鍛模的模具材料——3Cr2WMoVNi(B3)

（2） 其它科研單位、院校、工廠、嘗試過一些鋼種：為提高熱沖、熱軋、熱鍛及中、小機械壓力機用模具鋼的性能，以替代目前采用的5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V鋼種，國內多年來進行了許多研究，如7 0年代研制的35Cr3Mo3W2V(HMl)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3MoW4VNb(GR)等，在熱穩定性、熱疲勞性等方面均有所提高。

此外，國內還研制了5Cr4W2Mo2SiV、5Cr4Mo6Ni2WV、7W4Cr2MoNiV、5Cr4W5MoV等鋼種，用于熱精鍛或熱擠壓模，效果也較好。80年代研制的高熱高強韌性鋼28C r2NiMoWVSi、6Cr2Mn2SiMoV、65W8Cr4VFiC(LM 1)、65Cr5Mo3Mo3W2rSiTi(LM2)、4Cr2Mo2WV(TM)、4Cr3Mo2NiVNb(HD)，后面兩種鋼用來代替3Cr2W8V效果較好。為提高大截面機鍛模與錘鍛模的熱強性，近年研制的鋼種有5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi、55NiCrMoV、ER8、3Cr2MoWVNi、4Cr2MoVNi，最后一種鋼在第一汽車制造廠錘鍛模上應用，其模具壽命提高30%-50%。正是后面兩種，在一汽使用已經十幾年了，應用效果還不錯。

結論：

綜上所述，我國模具材料應立足國內資源，適合中國國情。筆者認為，一汽從誕生那天起，近半個世紀引進、生產、研究、再生產。證明了適合汽車廠、機車車輛工廠、工程機械廠等鍛壓用的熱作模具鋼：

1 B3鋼(3Cr2WMoVNi)可適用于中小型機鍛模。

2 B2鋼(4Cr2MoVNi)可適用于錘鍛模、大型機鍛模。

模具鋼的概念：

模具鋼是用來制造冷沖模、熱鍛模壓鑄模等模具的鋼種。模具是機械制造、無線電儀表、電機、電器等工業部門中制造零件的主要加工工具。模具的質量直接影響著壓力加工工藝的質量、產品的精度產量和生產成本、而模具的質量與使用壽命除了靠合理的結構設計和加工精度外，主要受模具材料和熱處理的影響。

模具鋼的介紹：

模具鋼大致可分為（冷作模具鋼）、（熱作模具鋼）和（塑料模具鋼）3類，用于鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。由于各種模具用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。由于這類用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼的性能要求也不同。

　　冷作模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲模、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具有鋼，按其所制造具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性、足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用于這類用途的合金工具用鋼一般屬于高碳合金鋼，碳質量分數在0.80%以上，鉻是這類鋼的重要合金元素，其質量分數通常不大于5%。但對于一些耐磨性要求很高，淬火后變形很小模具用鋼，最高鉻質量分數可達13%，并且為了形成大量碳化物，鋼中碳質量分數也很高，最高可達2.0%~2.3%。冷作模具鋼的碳含量較高，其組織大部分屬于過共析鋼或萊氏體鋼。常用的鋼類有高碳低合金鋼、高碳高鉻鋼、鉻鉬鋼、中碳鉻鎢釧鋼等。

熱作模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型，包括熱鍛模、壓力機鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具在工作中除要承受巨大的機械應力外，還要承受反復受熱和冷卻的做用，而引起很大的熱應力。熱作模具鋼除應具有高的硬度、強度、紅硬性、耐磨性和韌性外，還應具有良好的高溫強度、熱疲勞穩定性、導熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個截面具有一致的力學性能。對于壓鑄模用鋼，還應具有表面層經反復受熱和冷卻不產生裂紋，以及經受液態金屬流的沖擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬于中碳合金鋼，碳質量分數在0.30%~0.60%，屬于亞共析鋼，也有一部分鋼由于加入較多的合金元素（如鎢、鉬、釩等）而成為共析或過共析鋼。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。　塑料模具包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐蝕性等性能。此外，還要求具有良好的工藝性，如熱處理變小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度高、導熱性好和工作條件尺寸和形狀穩定等。一般情況下，注射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼；熱固性成形和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。

模具鋼工藝性能 可加工性

　　——熱加工性能，指熱塑性、加工溫度范圍等冷加工性能，指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。

　　冷作模具鋼大多屬于過共析鋼和萊氏體鋼，熱加工和冷加工性能都不太好，因此必須嚴格控制熱加工和冷加工的工藝參數，以避免產生缺陷和廢品。另一方面，通過提高鋼的純凈度，減少有害雜質的含量，改善鋼的組織狀態，以改善鋼的熱加工和冷加工性能，從而降低模具的生產成本。

　　為改善模具鋼的冷加工性能，自20世紀30年代開始，研究向模具鋼中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或導致模具鋼中碳的石墨化的元素，發展了各種易切削模具鋼，以進一步改善其切削性能和磨削性能，減少刀具磨料消耗、降低成本。

淬透性和淬硬性

　　淬透性主要取決于鋼的化學成分和淬火前的原始組織狀態；淬硬性則主要取決于鋼中的含碳量。對于大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素之一。對于熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是制造大型模具，其淬透性更為重要。另外，對于形狀復雜容易產生熱處理變形的各種模具，為了減少淬火變形，往往盡可能采用冷卻能力較弱的淬火介質，如空冷、油冷或鹽浴冷卻，為了得到要求的硬度和淬硬層深度，就需要采用淬透性較好的模具鋼。

淬火溫度和熱處理變形

　　為了便于生產，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些，特別是當模具采用火焰加熱局部淬火時，由于難于準確地測量和控制溫度，就要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。

　　模具在熱處理時，尤其是在淬火過程中，要產生體積變化、形狀翹曲、畸變等，為保證模具質量，要求模具鋼的熱處理變形小，特別是對于形狀復雜的精密模具，淬火后難以修整，對于熱處理變形程度的要求更為苛刻，應該選用微變形模具鋼制造。

氧化、脫碳敏感性

　　模具在加熱過程中，如果發生氧化、脫碳現象，就會使其硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低；因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對于含鉬量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強，需采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。

其他因素

　　在選擇模具鋼時，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具鋼的通用性和鋼材的價格。模具鋼一般用量不大，為了便于備料，應盡可能地考慮鋼的通用性，盡量利用大量生產的通用型模具鋼，以便于采購、備料和材料管理。另外還必須從經濟上進行綜合分析，考慮模具的制造費用、工件的生產批量和分攤到每一個工件上的模具費用。從技術、經濟方面全面分析，以最終選定合理的模具材料。

性能要求

　　1. 強度性能

　　（1）硬度 硬度是模具鋼的主要技術指標，模具在高應力的作用下欲保持其形狀尺寸不變，必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般硬度保持在HRC60左右，熱作模具鋼根據其工作條件，一般要求保持在HRC40~55范圍。對于同一鋼種而言，在一定的硬度值范圍內，硬度與變形抗力成正比；但具有同一硬度值而成分及組織不同的鋼種之間，其塑性變形抗力可能有明顯的差別。

　　（2）紅硬性 在高溫狀態下工作的熱作模具，要求保持其組織和性能的穩定，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱為紅硬性。碳素工具鋼、低合金工具鋼通常能在180~250℃的溫度范圍內保持這種性能，鉻鉬熱作模具鋼一般在550~600℃的溫度范圍內保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學成分和熱處理工藝。

　　（3）抗壓屈服強度和抗壓彎曲強度 模具在使用過程中經常受到強度較高的壓力和彎曲的作用，因此要求模具材料應具有一定的抗壓強度和抗彎強度。在很多情況下，進行抗壓試驗和抗彎試驗的條件接近于模具的實際工作條件（例如，所測得的模具鋼的抗壓屈服強度與沖頭工作時所表現出來的變形抗力較為吻合）。抗彎試驗的另一個優點是應變量的絕對值大，能較靈敏地反映出不同鋼種之間以及在不同熱處理和組織狀態下變形抗力的差別。

　　2. 韌性

　　在工作過程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、崩刃等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。

模具鋼的化學成分，晶粒度，純凈度，碳化物和夾雜物等的數量、形貌、尺寸大小及分布情況，以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素都對鋼的韌性帶來很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對于其橫向韌性的影響更為明顯。鋼的韌性、強度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此，要合理地選擇鋼的化學成分并且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，以使模具材料的耐磨性、強度和韌性達到最佳的配合。

沖擊韌性系表特征材料在一次沖擊過程中試樣在整個斷裂過程中吸收的總能量。但是很多工具是在不同工作條件下疲勞斷裂的，因此，常規的沖擊韌性不能全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次沖擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽命等試驗技術正在被采用。

　　3. 耐磨性

　　決定模具使用壽命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相當大的壓應力和摩擦力，要求模具能夠在強烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨損主要是機械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類型。為了改善模具鋼的耐磨性，就要既保持模具鋼具有高的硬度，又要保證鋼中碳化物或其他硬化相的組成、形貌和分布比較合理。對于重載、高速磨損條件下服役的模具，要求模具鋼表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，保持潤滑作用，減少模具和工件之間產生粘咬、焊合等熔融磨損，又能減少模具表面進行氧化造成氧化磨損。所以模具的工作條件對鋼的磨損有較大的影響。

　　耐磨性可用模擬的試驗方法，測出相對的耐磨指數，作為表征不同化學成分及組織狀態下的耐磨性水平的參數。以呈現規定毛刺高度前的壽命，反映各種鋼種的耐磨水平；試驗是以Cr12MoV鋼為基準進行對比。

　　4. 抗熱疲勞能力

　　熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化之外，還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用，因此，評價熱作模具鋼的斷裂抗力應重視材料的熱機械疲勞斷裂性能。熱機械疲勞是一種綜合性能的指標，它包括熱疲勞性能、機械疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性三個方面。

　　熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命，抗熱疲勞性能高的材料，萌生熱疲勞裂紋的熱循環次數較多；機械疲勞裂紋擴展速率反映材料在熱疲勞裂紋萌生之后，在鍛壓力的作用下裂紋向內部擴展時，每一應力循環的擴展量；斷裂韌性反映材料對已存在的裂紋發生失穩擴展的抗力。斷裂韌性高的材料，其中的裂紋如要發生失穩擴展，必須在裂紋尖端具有足夠高的應力強度因子，也就是必須有較大的裂紋長度。在應力恒定的前提下，在一種模具中已經存在一條疲勞裂紋，如果模具材料的斷裂韌性值較高，則裂紋必須擴展得更深，才能發生失穩擴展。

　　也就是說，抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命；而裂紋擴展速率和斷裂韌性，可以決定當裂紋萌生后發生亞臨界擴展的那部分壽命。因此，熱作模具如要獲得高的壽命，模具材料應具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴展速率和高的斷裂韌性值。

　　抗熱疲勞性能的指標可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環數，也可以用經過一定的熱循環后所出現的疲勞裂紋的條數及平均的深度或長度來衡量。

　　5. 咬合抗力

　　咬合抗力實際就是發生“冷焊”時的抵抗力。該性能對于模具材料較為重要。試驗時通常在干摩擦條件下，把被試驗的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料（如奧氏體鋼）進行恒速對偶摩擦運動，以一定的速度逐漸增大載荷，此時，轉矩也相應增大，該載荷稱為“咬合臨界載荷”，臨界載荷愈高，標志著咬合抗力愈強。