热作模具钢的选用，应该注意哪些问题？
热作模具的工作条件要求热作模具除具有良好的工艺性能外，主要是要求在不同温度条件下具有高的强度、韧度、硬度及热稳定性。这些性能主要由钢的化学成分和冶炼加工以及热处理所决定。
热作模具钢按合金元素及热处理后性能分为低耐热高韧性热作模具钢、中耐热韧性钢、高耐热性钢以及特殊用途热作模具钢。
1、高韧性热作模具钢的应用
此类钢中碳的含量一般在0.5﹪左右，合金元素总质量分数3﹪左右，主要用于热锻模具。传统的热锻模具钢有5CrMnMo、5CrNiMo等，这类钢有较好的淬透性、冲击性能较好、导热性能好、有较高的热疲劳抗力，在400℃左右工作条件下能承受急冷急热的状况，一般模具不超过250mm淬透，否则中心部位会出现中温转变产物。
由于淬透性的限制，随着模块截面的增大，要求进一步提高模具材料的淬透性，以使模具的心部能够得到较高的均匀的性能。为解决此问题，国内外研发了一系列提高合金含量的高淬透性模具钢，如国产的3Cr2MoWVNi钢、5Cr2NiMoVSi钢、4CrMnSiMoV钢等，这些钢均是在5CrNiMo的基础上适当降低含碳量、提高Cr、Mo的含量并加入适量的V和Si，提高了钢的淬透性。这些新研制的高韧性热作模具钢淬火温度范围宽、淬透性好、高温强度高，并且具有良好的韧性、热稳定性、抗冷热疲劳和抗热磨损等性能，在中小热锻模上使用，比5CrMnMo、5CrNiMo钢制造的模具，寿命有较大提高。
2、中耐热韧性钢的应用
中耐热韧性钢的特点是碳质量分数较低（一般为0.3﹪~0.5﹪），合金元素含量中等，含有较多的Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素，Cr含量较高一般为wcr=3﹪~5﹪。wMo=1﹪~3﹪，Cr和Mo使钢的淬透性大大提高；含有V使钢具有较好的抗过热敏感性，对提高模具的热硬性和热强性非常有效，在500~600℃具有较高的硬度热强性和耐磨性，最高可达650℃。该类钢淬透性很好，对100mm厚工件空冷即能淬透，其综合性能好。在GB1299—2000标准中属此类的钢号有：4Cr5MoSiV钢、4Cr5MoSiV1钢、4Cr3Mo3SiV钢、3Cr3Mo3W2V钢、4Cr5W2VSi钢等，这类钢分别用来制造热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等，有良好的使用效果。
3、高耐热钢的应用
高耐热性能热作模具钢碳含量不高，但合金元素含量高，多数模具钢的合金元素的质量分数为8﹪~10﹪，有的达11%，这类钢有高的耐热性，即高的高温强度和高温硬度，可以在600~700℃的高温下工作，同时具有高的耐热性，淬透性好，有强烈的二次硬化效果，好的回火抗力，较高的抗疲劳性和断裂韧度。高耐热性钢适用于要求高耐热性、耐磨性、韧性要求较低、形状不太复杂的模具。主要用于制造压力机镦锻模，挤压机上加工高强钢、不锈钢、钛合金、耐热合金等尺寸小于150mm的模具、压铸模以及较高工作温度（600~690℃）、高磨损条件下工作的热作模具。
传统的热作模具钢3Cr2W8V钢具有以上特性，能在600~650℃条件下长期服役，因此广泛应用于高耐热热作模具。但是该钢如果冶炼不当、铸锭较大、铸模温度过高及钢液过热时，3Cr2W8V钢锭中的元素偏析特别严重，共晶碳化物的数量会增多，因此造成模具脆裂报废的事故时有发生。而且高钨钢有脱碳倾向，这是模具磨损快、粘模严重、表面早期出现热疲劳裂纹的原因之一。
为解决此类问题，国内研发了一些新的钢种：如HD钢和Y系列钢。
HD(4Cr3Mo2NiVNb)钢是为了适应700℃左右工作温度而研制的新型高耐热性钢。HD钢是在4Cr3Mo3V钢的基础上，适当降低Mo、V的含量，加入质量分数为wNi=1﹪、wNb=0.15﹪，提高了钢的高温韧性及热稳定性，在700℃仍可以保持40HRC的硬度。在硬度相同的情况下，HD钢比3Cr2W8V钢的断裂韧度高50﹪，700℃高温时抗拉强度高70﹪，冷热疲劳抗力和热磨损性能分别高出1倍和5﹪，用其制作的热挤压模具使用寿命也高于3Cr2W8V钢。
Y系列模具钢是针对压铸模特点结合我国矿产资源而研制的新钢种。Y10（4Cr5Mo2MnVSi）钢淬透性好，主要用于铝合金压铸模。与Y10钢相比，Y4（4Cr3Mo2MnVNbB）钢中的Cr、Si含量下降了，碳化物不均匀性下降，同时以硼来提高淬透性和热强性，加入微量铌可提高M6C和MC型碳化物的稳定性，因此能细化晶粒，降低过热敏感性，提高热强性和热稳定性，可用于熔液温度为880~960℃的铜合金热压铸模。Y系列钢用于压铸模上，其使用寿命较3Cr2W8V钢有很大提高。
4、特殊用途热作模具钢的应用
新技术、新工艺的发展对模具提出了更高的要求，一些普通热作模具钢已不能满足其使用要求，必须采取特殊性钢来制作热作模具，才能使模具达到其技术要求并使其使用寿命大大提高。下面简要进行介绍：
（1）奥氏体型热作模具钢的应用
为了满足高温、耐蚀、抗氧化要求而引入奥氏体型耐热钢，其中有铬镍系奥氏体不锈耐热钢，如Cr14Ni25Co2V、4Cr14Ni14W2Mo；以及高锰奥氏体钢，如5Mn15Cr8Ni5Mo3V钢、7Mn10Cr8Ni10Mo3V钢、7Mn15Cr2AlV2WMo钢等。这些奥氏体型耐热钢作为热作模具材料已经逐渐获得了广泛应用。
（2）硬质合金及钢结硬质合金的应用
硬质合金制造热作模具可直接烧结成形，不需机械加工和热处理。钢结硬质合金是介于硬质合金和工模具钢之间的一种新模具材料（冷模具钢应用中已介绍），适合制作热挤压模、热冲孔模，热平锻模等，模具使用寿命大大提高。
（3）析出沉淀硬化型热作模具钢
此类钢在制造的热作模具表面在使用中由于合金碳化物和金属间化合物的析出，硬度提高，适宜制作精密复杂热作模具，由于表面硬度高，耐磨性好而模具心部仍保持原有的组织和高韧性，从而提高了模具的使用寿命。
我国研制的PH（2Cr3Mo2NiVSi）钢是典型的析出硬化型热作模具钢。
（4）高速钢型耐热钢和冷热兼用基体钢的应用
要求高热强的热作模具可选用W18Cr4V钢；要求承受一定冲击载荷的热加工模具可选用W6Mo5Cr4V。高速钢作为热作模具使用时，工作温度高达600~700℃，具有高强度，好的热硬性，但韧性较差。
基体钢中有较多钢种可以兼作冷作模具用钢和热作模具用钢，如LM1钢、LM2钢、CG-2钢、RM-2钢、012A1钢和5Cr4W2Mo2SiV钢等，可用于热挤压模具和精锻模，其使用寿命高于3Cr2W8V钢。
作者：赵昌盛
来源：《金属加工（热加工）》杂志
相关文章：模具钢材的特性(Characteristics-of-die-steel) 模具钢的渗碳-碳氮共渗改性热处理
