热作模具材料的性能优化

热作模具材料主要用于热锻模、压铸模、热挤压模、超塑成形等温锻造模具等。热作模具材料在工作温度下应具有较高的强韧性、耐磨性、高温硬度、抗冷热疲劳性能、抗氧化性和耐蚀性。

1.通用型热作模具钢

热作模具钢是在高温（500～700℃）条件下使用，在压铸成形过程中，钢与液态金属相接触，使用条件苛刻。美国标准中通用型热作模具钢主要有L6、H10、H21、H13。常用国产热作模具钢有5CrNiMo、5CrMnMo、H13、3Cr2W8V。它们与日本及欧美各主要的模具钢生产企业的对照见表3-4。

表3-4 国内外通用型热作模具钢对照表

2.高淬透性锻模用钢

该类钢一般为中、碳低合金钢。5CrMnMo、5CrNiMn是通用型的热锻模用钢，由于合金元素含量较低，淬透性较差，热稳定性也不高，并且钢中不含V元素，晶粒容易粗大，模具的使用寿命低。

为了适应大截面锻锤和锻造压力机的要求，需要较高淬透性和耐回火性的锻模钢，各国均开发了新钢种，如俄罗斯的4XM2φЧ、5X2MHV，UDDEHGLMToughteM钢，日本大同特殊钢的GF78，三菱制钢开发的HD14（5CrNiMoV），高周波钢业公司开发的KTVN（5CrNi3MoV）等。西方国家常用的是55NiCrMoV6钢。

20世纪80年代以后，我国研制出了与之类似的5CrNiMoV钢，通过提高5CrNiMo钢中的Cr、Ni、Mo的含量，并添加V元素，显著地提高了钢的淬透性、淬硬性、高温强度和耐回火性，截面尺寸为400mm×400mm的模具可以完全淬透，淬火后表面与心部硬度都保持在56～60HRC，而同一尺寸的5CrNiMo的心部硬度只有32～41HRC。5CrNiMoV钢模块的耐回火性比5CrNiMo高出100℃，使用寿命显著高于5CrNiMo。

5Cr2NiMoVSi钢与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，其截面尺寸为500mm×500mm的模块可以淬透，并且具有二次硬化效应，热稳定性比5CrNiMo更高，适合于制造大型锻模。

3.高强韧性热作模具钢

该类热作模具钢使用量大，应用面广，典型的钢种是美国AISI标准的H13钢。近些年来，国外主要的模具钢生产厂开发了大量的新钢种。如瑞典UDDEHOLM的QR090SUPEREME、HOTVAR，最近又研究了低Si优质热作模具钢DIEVAR，提高了高温强度、耐回火性和韧性、抗热裂性等。美国CARPENTER工艺公司开发了Extendo-Die，提高了H13钢中的Cr、Mo含量，从而提高了模具使用寿命。美国CRUCIBLE公司开发了CRU161、WR95等新钢种。德国TEW通过调整X40CrMoV51钢的C、Cr、Mo、V含量，推出了X35CrMoV511。日本的大同特殊钢公司的DH21等新钢种。另外，为了提高钢的热硬性和耐回火性，在钢中增加一定量的Co，如美国的H19，英国的BH10A，日本的MCZ、WDK，大同特殊钢的DH41、DH71，日立金属的YHD45等。

为了满足高负荷、长寿命的锻造压力机用锻模的要求，发展了沉淀硬化型热作模具钢，这类钢一般含碳量较低，得到高韧性的板条马氏体组织，在模具使用过程中，型腔表面与高温工件接触而升温到550℃左右，由于金属间化合物和碳化物的弥散析出而增加硬度5～8HRC。典型的钢种如：日立金属的YHD26，大同特殊钢的DH67（3Ni3Mo3V）等，还有H13、H10、HM1、QRO90、DH21、ди71、HD72、HD2、TM、Y4等。

4.高温热作模具钢

当工作温度超过700℃时，一般模具钢的强度急剧下降，为此，国外发展了一些新型的热作模具材料。对于700～800℃的模具，发展了CrMn系和NiCrMn系高温模具钢，如日立金属的5Mn15Cr10V2，大同特殊钢的8Mo2V2钢等，在800℃下抗拉强度可大于600MPa。但该类钢导热性较差，热膨胀系数大，热疲劳性能差。

7Mn15Cr2Al3V2WMo钢是我国研制的无磁钢，应用较多，经高温固溶处理后的组织为奥氏体和少量的碳化物，固溶处理后硬度为20～22HRC左右，时效后的硬度可以达到47HRC左右，可用于高温热作模具、磁性材料的压制成形模具，具有较高的耐磨性。

当工作温度大于800℃时，一般用Fe基或Ni基高温合金制造。最近由于超塑恒温成形工艺的发展，有些高温合金的超塑性的温度高达1100℃，如AH、7Mn15等钢。日立金属公司开发一种叫“Nimowal”的Ni基合金。

5.马氏体时效钢

在含微量碳加质量分数为18%～25%Ni的基础上，再添加Al、Ti、Co、Mo等元素，通过马氏体强化机制，可在750℃的高温下保持相当的热硬性，美国Lokomo公司和CRUCIBLE公司开发的该类钢与18Ni相近。Thy-r-othrm2799（Ni12Mo8Co8Ti）是一种新型的马氏体时效钢，具有较高的热稳定性，奥地利BOHLER的W700也属此类。

此外，还有高温耐蚀性模具钢、如大同特殊钢开发的DH42，日立金属开发的YHD45等。还有粉末冶金耐热模具钢，如德国的X40CrMoV51、X5NiCrTi2625、美国VASCO的MA等。

6.压铸模用钢(www.xing528.com)

压铸模具钢主要应用于汽车、摩托车、军事电子、农业机械和普通机械制造等工业生产中的压力铸造、挤压成型、重力铸造、锻造成形等所需的热作模具。

（1）HM1钢 具有良好的抗热疲劳性能、耐回火性能和良好的冶炼、锻造、热处理及机械加工工艺性能，是国内综合性能优良、符合我国资源条件的高强韧性热作模具新钢种。适用于高温、高负荷、急热急冷条件下的压力机锻模、轴承热锻凹模、成形滚锻模、高强度和高热强钢的精密锻造、铝和铜合金压铸模、热挤压模具等。使用寿命可比3Cr2W8V提高1～4倍。在高温性能方面明显优于H13钢。

（2）HM3钢 与HM1钢为同一系列产品，其高温强韧性能和热疲劳性能非常突出，特别适合于冲击载荷较大，工作温差高的模具。如辊段成形模具，非铁金属压铸模具、耐热不锈钢及高强度材料锻压成形模具，轴承环套圈热锻成形凹模等，使用寿命比原用H13、3Cr2W8V和5CrNiMo钢都有成倍提高。

（3）RM2钢 是一种多用途基体钢，既可用于热作模具，也可用于冷作模具。该钢种已纳入GB/T 1299—2000《合金工具钢》中，具有极高的高温强度、热硬性能、热稳定性能和高温耐磨性能。特别适用于铜合金挤压模具，温锻模具和冲击载荷较小的热挤冲头模具。在切边模、齿轮精锻模、轴承环挤压冲头、不锈钢餐具滚轧模的应用寿命都远高于原用H13、3Cr2W8V模具钢。

（4）JDH3钢 是一种最新研制的模具材料，其性能特点是介于HM1、HM3和H13钢之间，即强度高于HM3钢，韧性高于HM1钢，热疲劳性能高于H13钢。主要适用于热锻模、精锻模、辊锻模。

还有H13（4Cr5MoSiV1）钢等，以上材料的供货状态均为电渣重熔钢。

7.热作模具新材料

（1）通用型热作模具钢 55NiCrMoV6为代表的低合金热作模具钢，以H13为代表的中合金热作模具钢，以3Cr3Mo3VSi为代表的钨系、钼系热作模具钢。目前在我国4Cr5MoSiV1是产量最高的热作模具用钢。

（2）高淬透性特大型锻压模用钢 淬透性好，较大尺寸的模具心部可以获得均匀的性能。如ISO 4957标准中的40NiCrMoV；法国NF-35-590标准中的dONCD16；我国的4Cr2MoVNi、3Cr2MoWVNi等。

（3）高热强性模具钢又可分为以下四类：

1）中合金高热强性模具钢。一般是在3Cr3Mo3SiV（H10）和4Cr5MoSiV1钢的基础上增加W、Mo、Co、Nb等元素，提高其高温性能。如美国ASTM标准钢号H10A、我国开发的3Cr3Mo3W2V等。

2）沉淀硬化型热作模具钢。这类钢的含碳量较低，一般在质量分数0.2%左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如V、Nb、Ni、Al、Mo等，模具钢在淬火后，采用较低温度回火（约400℃），硬度为40HRC左右，由于含碳量低，中温回火后的组织为板条状低碳马氏体，具有良好的韧性、可加工性，可以对型腔进行加工。

模具在使用过程中，与高温工件接触的工作表面被工件加热到钢的沉淀硬化温度500℃～600℃，由于合金碳化物和金属间化合物析出，工作表面硬度可上升到45～48HRC，提高了型腔表面的耐磨性，模具心部仍保留原有的组织和高韧性，从而提高了模具的使用寿命。如日本日立金属公司的YHD3、大同特殊钢公司的DH76等。

3）低碳高速钢和基体钢。普通高速工具钢具有良好的抗回火软化性能和高温硬度，但是其韧性和抗冷热疲劳性能较差。低碳高速钢是将高速钢的碳质量分数由1%左右降至0.3%～0.6%，在牺牲部分热硬性和耐磨性的情况下，提高韧性和抗冷热疲劳性能，如美国ASTM标准牌号H42，我国标准牌号6W6MoSCr4V。

基体钢的化学成分相当于淬火后的高速钢基体组织成分，所以淬火后过剩碳化物的数量少，细小均匀，使钢的韧性和抗冷热疲劳性能进一步得到改善。如美国钒合金铁公司的VasooMA（5Cr4W3Mo2V），我国的6Cr4Mo3W2VNb。该钢由于综合性能较好，既可以用于热作模具钢，也可用于制造高性能的冷作模具。

4）奥氏体型热作模具钢。这类钢经固熔时效处理后，在700～800℃仍保持较好的强度，如日本日立金属公司的5Mn18Cr10V2，我国的7Mn10Cr8Ni10Mo3V2等。

8.其他热作模具钢

为提高热冲、热轧、热锻及中、小型机械压力机用模具钢的性能，以替代目前采用的5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V钢种，多年来国内进行了许多研究，如20世纪70年代研制的HM1、HM3、GR等钢，在热稳定性、热疲劳性等方面均有所提高。

此外，国内还研制了5Cr4W2Mo2SiV、5Cr4Mo6Ni2WV、7W4Cr2MoNiV、RM2等钢种，用于热精锻或热挤压模，效果也较好。20世纪80年代研制了高热高强韧性钢28Cr2NiMoWVSi、6Cr2Mn2SiMoV、LM1、LM2、TM、HD，其中TM、HD钢用来代替3Cr2W8V钢效果较好。

为提高大截面机锻模与锤锻模的热强性，近年研制的钢种有5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi、55NiCrMoV、ER8、3Cr2MoWVNi、4Cr2MoVNi，其中，4Cr2MoVNi钢在锤锻模上应用，其模具寿命提高30%～50%。B3钢（3Cr2WMoVNi）可适用于中小型机锻模，B2钢（4Cr2MoVNi）可适用于锤锻模、大型机锻模。