冷作模具钢中合金元素的作用分析

根据冷作模具的工作特点，要求模具钢具有优良的耐磨性能，良好的韧性和较高的强度和疲劳性能等。因此，冷作模具钢的强化核心是保持钢具有较高的硬度，以碳化物来强化。钢中碳、铬、钨、钼、钒成为主要合金化元素。

1.碳元素的作用

碳是冷作模具钢中最重要的核心强化元素，钢中含C0.60%～2.30%（质量分数）。碳在钢中的作用如下：

（1）形成碳化物保持钢的耐磨性能 碳主要同钢中的Cr、W、V形成具有高熔点、高硬度和稳定的碳化物，通过热处理呈弥散状在基体组织中均匀析出，获得很高的硬度以保持模具钢的高耐磨性能。

模具钢中碳化物的熔点与硬度列于表9-5。

表9-5 模具钢中碳化物的熔点与硬度

冷作模具钢的耐磨性能，随着碳化物数量的增加而提高。其中Cr、W、V的碳化物起着主导作用。

（2）降低钢的韧性和加工性能 碳对冷作模具钢的不利作用是降低钢的塑料和冲击韧度。随着钢中含碳量的升高，钢的塑性、韧性和冷热加工性能下降。作为冷作模具钢要综合平衡其含碳量，既要保持高的耐磨性，又要具有较好的塑性和韧性。

2.铬元素的作用

冷作模具钢按含铬量分为中碳低铬、高碳低铬、高碳高铬三种。含铬量（质量分数）低铬小于7.5%高铬为11%～13%。铬在冷作模具钢中起两个作用：

（1）形成碳化铬提高钢的耐磨性能 铬在中碳和高碳冷作模具钢中，以碳化铬（Cr，Fe）₃C或（Cr，Fe）₂₃C₇的形式存在。通过淬火加热溶于奥氏体中，经回火析出，提高钢的硬度，增强钢的耐磨性能。冷作模具钢的耐磨性能，随着碳化铬含量的增加而提高。

（2）提高钢的淬透性 随着钢中含铬量的增加，冷作模具钢的淬透性提高，显著地改善了钢的热处理工艺性能。具有良好淬透性的冷作模具钢，能使大截面的钢材很容易淬透，可以得到内外性能均匀的模具，对提高模具质量和延长模具使用寿命具有重要作用。(www.xing528.com)

3.钒元素的作用

冷作模具钢中含钒量（质量分数）为0.10%～2.20%，钒是重要的碳化物形成元素。钒在冷作模具钢中的作用如下。

（1）提高钢的耐磨性能 钒是强碳化物形成元素。当钢中含钒量（质量分数）大于0.50%时，钒在钢中主要以VC的形式存在。VC以均匀细小弥散状分布于基体中，使钢具有很高的硬度和良好的韧性。从而显著提高了冷作模具钢的耐磨性能。在高韧性、高耐磨性冷作模具钢中（7Cr7Mo2V2Si、7Cr7Mo3V2Si、6Cr4Mo3W2VNb等钢号），钒起着重要作用。

（2）细化钢的起始晶粒度 冷作模具钢中，含钒量（质量分数）小于0.50%时，钒在钢中主要以氮化物VN的形式存在。氮化钒的熔点约2030℃，在钢液凝固之前形成。当钢液凝固时起晶核作用，使起始晶粒得到细化。由于少量VN存于钢中，当进行热加工时，可以防止晶粒粗化，改善钢的热加工塑性。

（3）增加耐回火性和析出硬化效果 钢中以VC形式存在的钒，可以提高钢的耐回火性，增大回火后组织和性能的稳定。通过合适的回火制度，碳化钒以弥散均匀分布的形式而增强了硬化效果。因此，大部分冷作模具钢都用钒进行合金化。

4.钨元素的作用

（1）形成钢回火时二次硬化 钨在冷作模具钢中，以同碳、铁形成复合碳化物（W，Fe）₆C的形式存在于钢中。M₆C中除W外，还含有Cr、V、Mo等元素，硬度很高，对钢的耐磨性能产生有利作用。淬火时，M₆C溶入奥氏体中，回火时又以弥散细小的M₂C或MC的形式从马氏体中析出，使钢产生二次硬化。此时，钢的硬度和韧性同时得到改善，有利于冷作模具钢综合性能的改善。

（2）改善钢的热处理工艺性能 含钨量（质量分数）为0.50%～1.00%时，钨能提高钢的淬透性。从而改善模具力学性能的均匀性，有利于提高模具寿命。钨还能减少模具钢的淬火变形量，为钢的热处理工艺性能的改善起到有利的作用。

（3）使钢中一次碳化物晶粒粗化 含钨较高的冷作模具钢，钢液凝固时容易析出粗大的M₆C碳化物。粗大碳化物沿晶界分布，降低了钢的高温塑性，给钢的热加工带来困难。因此，在制订钢的热加工工艺时，应注意缓慢升温、中温透热，以小变形量快速锻造。

5.钼元素的作用

（1）提高淬透性和耐回火性 钼与铬、钨元素相似，能提高冷作模具钢的淬透性，有利于获得性能均匀的模具。另外，钼有利于提高钢的耐回火性。保持钢的回火组织和力学性能稳定，对提高模具的使用寿命起到重要作用。钼同钢中的铬共同作用，还能防止回火脆性的发生，阻止碳化物聚集和沿晶界析出而使钢脆化。

（2）形成碳化物提高耐磨性能 钼与钨同属强碳化物形成元素。在冷作模具钢中以M₂C、M₆C的形式存在，在细化钢的晶粒、钢的二次硬化与提高耐磨性能等方面，起着重要的作用。当钼与钨同时存在时，对钢的性能带来更为良好的作用。