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上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 摘要 化学成分以及热处理工艺决定了钢材最终的组织和性能。目前，对热作模具 钢的系统性研究还没有得到较好的开展，对不同合金元素之间的交互作用与各种 性能之间的关系研究的也不是十分全面，还没有能够找出热作模具钢的各种性能 与化学成分和热处理工艺之间的综合潜在关系。 此外，热作模具钢中可能含有多种合金元素，其中不乏许多贵重元素，如 m o 、c o 、w 等。如何调整钢的化学成分配比，在尽可能降低贵重金属含量的基 础上保证材料的性能，也是一个亟需解决的问题。 针对以上的问题，借助于均匀设计试验方法和回归分析方法，本文较为系统 地对热作模具钢的一系列性能( 强度、韧性、热稳定性、相变特性、热疲劳性能 等) 与主要化学成分以及热处理工艺之间的关系进行了研究。 文章首先确定了六种化学元素为本文的主要研究对象，其变化范围分别为： 0 2 5 - 4 ) 6 0 c ，0 5 1 5 0 s i ，0 2 肚1 0 0 m n ，2 0 0 - 6 0 0 c r ，1 0 0 k 3 0 0 m o 和 0 2 0 1 5 0 v 。此外，为了考察热处理工艺对性能的影响，文章还确定了淬火温 度和回火温度的变化范围分别为1 0 2 0 - - 1 1 0 0 。c 和5 4 0 - - 6 4 0 。文章测定了材料的 相关性能，并分别进行了回归分析。随后，在研究的基础上，提出了新钢种的成 分配比方案。 在综合考虑了所研究变量( 钢中各种合金元素以及随后的热处理工艺) 之间 的交互作用对所研究性能的影响的基础上，本文的主要研究结果如下： l 、对室温冲击韧性具有降低作用的成分变量为碳、钼和钒；对高温冲击韧 性具有降低作用的成分变量为碳、锰和钒。研究发现，高温冲击韧性与 ( 冲击温度- - 5 5 6 ) 2 具有同向线性的关系。 2 、对抗拉强度具有提高作用的成分变量为钒，具有降低作用的变量为碳和 钼：对屈服强度具有提高作用的成分变量为钼，具有降低作用的变量为 碳和钒；对延伸率具有提高作用的成分变量为碳和钒；对断面收缩率具 有提高作用的变量为碳、铬、钼和钒。 3 、对硬韧性因子( 回火硬度与室温冲击韧性的乘积) 具有提高作用的变量 v 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 为淬火温度和回火温度，具有降低作用的变量为碳、钼和钒；对强韧积 ( 抗拉强度与室温冲击韧性的乘积) 具有提高作用的变量为回火温度， 具有降低作用的变量为碳、钼、钒和淬火温度。两者相比较，硬韧性因 子的预测能力优于强韧积的预测能力。 4 、对氏l 具有降低作用的变量为碳、铬和钒，而随着锰含量的增加，氏l 先 增加后降低，转折点处的锰含量为0 3 5 4 ；对氏3 具有提高作用的变量 为碳和钒；对m 。点具有降低作用的变量为硅、锰、铬和钒。 5 、对退火态热膨胀系数具有提高作用的变量为锰和试样温度，具有降低作 用的变量为硅；对淬火态热膨胀系数具有提高作用的变量为碳、硅、钒 和试样温度，具有降低作用的变量为铬。 6 、对贝氏体转变区鼻尖温度具有提高作用的变量为硅、铬、钒和锰；对珠 光体转变区鼻尖温度具有提高作用的变量为钼，具有降低作用的变量为 碳、铬和钒；对马氏体临界冷却速度具有降低作用的变量为碳；对贝氏 体临界冷却速度具有降低作用的变量为钼，此外，随着硅含量的增加， 贝氏体临界冷却速度先增加后降低，转折点处的硅含量为0 7 9 9 4 。 7 、在6 5 0 保温的条件下，对热稳定性具有提高作用的成分变量为硅、铬 和钒。 8 、对热疲劳性能具有降低作用的变量为碳、铬和钒，此外，随着淬火温度 的提高，热疲劳性能先提高后降低，转折点处的淬火温度为1 0 7 3 。 9 、根据第一阶段研究结果，设计了四种新钢种，其中n 2 ( 0 3 1 c ，1 5 1 s i ， 0 3 5 m n ，3 9 9 c r ，1 0 2 m o 和0 9 1 v ) 钢的综合性能最好，在同等 力学性能的基础上，其使用性能优于常见的8 4 0 7 钢。 关键词：热作模具钢，均匀设计，回归分析，合金化 v i 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 a b s t r a c t t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h es t e e l sa n di t sf o l l o w i n gh e a tt r e a t m e n ts c h e m e s d e t e r m i n et h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s t h es y s t e m a t i c a ls t u d yo nh o tw o r kd i e s t e e lh a v e n tb e e nc a r r i e do u tq u i t ew e l lt i nn o w , t h ei n t e r a c t i o n sa m o n gt h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o n sw e r en o td e a r l yu n d e r s t o o d ，t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o n s ，t h eh e a tt r e a t m e n ta n dt h ep r o p e r t i e sw e r ea l s on o te s t a b l i s h e d c o m p r e h e n s i v e l y t h e r ea r em a n yk i n d so fa l l o y i n gd e m e n t st h a tc o n t a i n e di nh o tw o r kd i es t e e l ， m a n yo ft h e ma r ep r e c i o u sm e t a l ，s u c ha sm e ，c oa n dw ：t h e r e f o r e ，h o wt oa d j u s tt h e m a t c h i n gp r i n c i p a lo fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n sa n dt oe n s u r et h ep r o p e r t i e so ft h es t e e l w i t hu s i n gl e s se x p e n s i v ea l l o y i n gd e m e n t si sap r o b l e ma w a i t i n gu r g e n t l yt ob e s o l v e d f a c e dt ot h e s ep r o b l e m s ，b a s e do nu n i f o r md e s i g nm e t h o da n dr e g r e s s i o n a n a l y s i sm e t h o d s ，as e r i e so fp r o p e r t i e s ( s u c ha ss t r e n g t h , t o u g h n e s sa n dt h e r m a l f a t i g u ep r o p e r t y ) o fh o tw o r kd i es t e e l s w e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yw i t ht h e c o n s i d e r a t i o no ft h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n di t sf o l l o w i n gh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e s s i xk i n d so fa l l o y i n ge l e m e n t sw e r ed e t e r m i n e dt ob et h em a i nr e s e a r c ho b j e c t s a n dt h ec o n t e n t so ft h e mw e r ed e t e r m i n e dt ob eo 2 5 0 6 0 c ，0 5 啦! 5 0 s i ， 0 2 0 1 0 0 m n , 2 0 0 - 6 0 0 c r , 1 0 0 - - 3 0 0 m oa n d0 - 3 啦! 5 0 vb e s i d e s ，i no r d e r t os t u d yt h ee f f e c to fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e so nt h ep r o p e r t i e s ，t h eq u e n c h i n g t e m p e r a t u r ea n dt e m p e r i n gt e m p e r a t u r ew e r ed e t e r m i n e dt ob e1 0 2 0 - , - 11 0 0 。ca n d 5 4 0 6 4 0 c r e s p e c t i v e l y t h ec o r r e s p o n d i n gp r o p e r t i e s w e r em e a s u r e da n dt h e e x p e r i m e n td a t aw e r et h e na n a l y z e d t h en e w l ys t e e lw e r ed e s i g n e db a s e do nt h e r e s u l t so fe a r l i e rw o r k w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ee f f e c t so ft h ei n t e r a c t i o n sa m o n gt h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o n sa n dt h ef o l l o w i n gh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e so l lt h ep r o p e r t i e so fh o tw o r k d i es t e e l s ，t h em a j o rf i n d i n g sw e r ea sf o l l o w s ： 1 c ，m ea n dv h a dt h et e n d e n c yt ol o w e r i m p a c tt o u g h n e s sa tr o o mt e m p e r a t u r e ； c ，m na n dvh a dt h et e n d e n c yt ol o w e ri m p a c tt o u g h n e s sa te l e v a t e dt e m p e r a t u r e i t v i l 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 w a sf o u n dt h a tt h ei m p a c tt o u g h n e s sa te l e v a t e dt e m p e r a t u r eh a sr e m a r k a b l el i n e a r r e l a t i o n s h i pw i t h ( i m p a c tt e m p e r a t u r e - 5 5 6 ) 2 2 ca n dm oh a dt h et e n d e n c yt ol o w e rt e n s i l es t r e n g t hw h i l evh a dt h eo p p o s i t e e f f e c t ；ca n dv h a dt h et e n d e n c yt ol o w e ry i e l ds t r e n g t h ，b u tm oh a dt h eo p p o s i t e e f f e c t ；ca n dv h a dt h et e n d e n c yt oi n c r e a s ee l o n g a t i o n ；c c r , m oa n dvh a dt h e t e n d e n c yt oi n c r e a s ea r e ar e d u c t i o n 3 p r o p o s e dt h em e a s u r e m e n tc r i t e r i at ov a l u et h eo b d u r a b i l i t yo fh o tw o r kd i e s t e e lt e n t a t i v e l y ：h a r d n e s s - t o u g h n e s sf a c t o r ( h t ) a n ds t r e n g t h - t o u g h n e s si n d e x ( s t i ) i tw a sf o u n dt h a tq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea n dt e m p e r i n gt e m p e r a t u r eh a dt h et e n d e n c y t oi n c r e a s eh tw h i l ec ，m oa n dvh a dt h eo p p o s i t ee f f e c t ；t e m p e r i n gt e m p e r a t u r eh a d t h et e n d e n c yt oi n c r e a s es t i ，b u tc ，m o ，va n dq u e n c h i n gt e m p e r a t u r eh a dt h e o p p o s i t ee f f e c t 4 c ，c ra n dvh a dt h et e n d e n c yt ol o w e r 氏l ，a st h ec o n t e n to f m ni n c r e a s e s ，氏1 w i l lf i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e ，t h ec o n t e n to fm na tt h et u r n i n gp o i n ti s o 3 5 4 ；ca n dv h a dt h et e n d e n c yt ol o w e r 氏3 ；s i ，m n , c ra n dvh a dt h et e n d e n c yt o 1 0 w e rm s 5 m na n dt e m p e r a t u r eh a dt h et e n d e n c yt oi n c r e a s et h et h e r m a le x p a n s i o n c o e f f i c i e n to ft h es t e e la ta n n e a l e ds t a t ew h i l es ih a dt h eo p p o s i t ee f f e c t ；c ，s i ，va n d t e m p e r a t u r eh a dt h et e n d e n c yt oi n c r e a s et h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to ft h es t e e l a tq u e n c h e ds t a t ew h i l ec rh a dt h eo p p o s i t ee f f e c t 6 s i m n , c ra n dvh a dt h et e n d e n c yt oi n c r e a s et h en o s et e m p e r a t u r e so fb a i n i t e t r a n s f o r m a t i o nr e g i o n ；m oh a dt h et e n d e n c yt oi n c r e a s et h en o s et e m p e r a t u r e so f p e a r l i t et r a n s f o r m a t i o nr e g i o nw h i l ec ，c ra n dv h a dt h eo p p o s i t ee f f e c t ；ch a dt h e t e n d e n c yt ol o w e rt h ec r i t i c a lc o o l i n gr a t e so fm a r t e n s i t e ；m oh a dt h et e n d e n c yt o l o w e rt h ec r i t i c a lc o o l i n gr a t e so fm a r t e n s i t e ，b e s i d e s ，谢廿lt h ei n c r e a s eo ft h ec o n t e n t o fs i ，t h ec r i t i c a lc o o l i n gr a t e so fb a i n i t ew i l lf i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e ，t h e c o n t e n to fs ia tt h et u r n i n gp o i n ti so 7 9 9 4 7 s i ，c ra n dvh a dt h et e n d e n c yt oi n c r e a s et h e r m o - s t a b i l i t yo ft h es t e e l sw h e n t e s t e du n d e r6 5 0 8 c ，c ra n dv h a dt h et e n d e n c yt ol o w e rt h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo ft h es t e e l ， v i i i 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 w i t ht h ei n h e r eo f q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，t h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo ft h e s t e e lw i l l f i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e ，t h ec r i t i c a lq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei s10 7 3 9 f o u rn e ws t e e l sw e r ed e s i g n e db a s e d0 1 1t h er e s u l t so fe a r l i e rw o r k n - 2s t e e l ( 0 3 1 c ，1 5 1 s i ，0 3 5 m n , 3 9 9 c r , 1 0 2 m oa n d0 9 1 v ) o w n e dt h eb e s t c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s w i t ht h e s i m i l a rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h ef u n c t i o n i n g p r o p e r t i e so f n 一2s t e e la l eb e t t e rt h a nt h o s eo f8 4 0 7 k e y w o r d s ： h o tw o r kd i es t e e l ，u n i f o r md e s i g n ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，a l l o y i n g 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：学址日期：缉业 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：燃导师签名：亟匝赫 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 1 1 热作模具钢概述 第一章绪论 模具是指在压力加工或其他成形加工工艺中，使材料( 金属或非金属) 变形 成产品( 成品或半成品) 的成形工艺装备。模具是机械、电子、轻工、国防等工 业生产的重要基础之一，是一项基础产业，同时又是高新技术产业的主要领域。 随着国民经济的发展，模具在各个领域中的重要性越来越受到重视。目前在 西方发达国家，模具行业已经形成了一个比较完善的体系，所采用的技术也越来 越先进。我国虽然起步相对较晚，发展也较慢，但是如今也已经形成了一定的规 模，热作模具钢、冷作模具钢、塑料模具钢以及特殊性能模具钢都获得了较大的 发展，预计到2 0 1 0 年，这四类模具钢的市场占有比例将大致达到5 ：2 8 ：2 ：0 2 。 热作模具钢是模具钢的重要组成部分，主要用于制造加热到再结晶温度以上 的金属或液态金属压制成型的模具。其工作特点是：在一定的负荷下使炽热的固 体金属产生塑料变形，或使高温的液体金属压铸成形，或使热的非金属注塑成型。 常用的热作模具钢主要为中、高含碳量的含有c r 、m o 等元素的合金模具钢； 对于特定用途，有时采用高合金奥氏体耐热模具钢。我国在2 0 0 0 年颁布的工具 钢标准g b t1 2 9 9 2 0 0 0 合金工具钢中有1 2 种热作模具钢( 如表1 1 所示) 。 1 1 1 热作模具钢的基本性能要求 热作模具钢要求钢在较高工作温度下具有很好的综合性能，一般来说，热作 模具钢应该具备的性能主要有【1 2 】： 1 、高的热硬性、高温耐磨性以及良好的冲击韧性 热硬性是指模具材料在一定的温度下保持较高的硬度、组织稳定性、强度以 及抗软化的能力。对于热作模具钢来说，热硬性是其重要的指标，同时高的高温 强度也是高温耐磨性的重要保证。如果模具没有高的强度和良好的冲击韧性，就 很难承受大的冲击负荷，从而很容易发生开裂。 上海大学硕士学位论文高热强性熟作模具钢的合金化特性研究 表i - i 中国国家标准中的热作模具钢种类及其化学成分( 叭) t a b l e1 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f h o tw o r kd i es t e e l sl i s t e di nt h en a t i o n a ls t a n d a r d ( w t ) 5 c r n i m o0 5 - - 0 60 2 5 - - 0 61 2 - 1 6 0 每一o 90 15 d 3 5 c r m m m o0 5 - - 0 60 - 4 ) 40 5 + 0 8 0 5 旬80 1 5 - - 4 ) 3 n i ： 1 4 1 8 3 c r 2 w 8 v0 3 - 4 ) 40 旬4 0m 4 0 2 2 - - 2 70 2 - - 0 5w ：7 5 9 5 c r 4 m 0 3 s i0 4 7 旬 m n v 触5 7 3 c r 3 m 0 3 w0 3 2 旬 2 v4 2 0 8 - 1 1 0 8 - 1 13 8 4 32 8 - 3 40 8 - 1 2 0 6 - - 0 9m 加6 52 8 0 32 5 3 0 0 8 - 1 2 5 c r 4 w 5 m o 0 4 一句50 - - 0 4 m 加43 4 4 41 5 2 10 7 1 1 2 v 8 c r 3 o 7 5 旬 0 - 4 ) 40 - - 0 43 2 3 8 8 5 4 c r m n s i m o0 3 5 旬 0 8 1 1o 8 1 11 3 1 50 4 旬60 2 旬4 v4 5 4 c r 3 m 0 3 s i0 3 5 旬 v 4 c r 5 m o s i v 4 5 0 3 3 d 4 3 4 c r 5 m o s i v0 3 2 旬 14 5 0 3 2 0 4 c r 5 w 2 v s i 4 2 0 2 5 加 0 8 一i 23 3 7 52 3 7 0 8 1 20 2 - 0 5 0 8 - 1 20 2 0 5 4 7 5 5 5 4 7 5 5 5 0 2 5 o 7 5 1 1 1 6o 3 o 6 1 1 一1 7 50 8 1 2 0 8 1 2 仇旬4 0 4 5 5 50 o l a i ： 0 3 d 7 w ： 1 2 1 8 w ： 4 5 5 3 w ： 1 每之4 注：钢中磷、硫含量( 质量分数) 分别为：p ：0 - - 0 0 3 0 ：s ：o - 4 ) 0 3 0 。 2 、高的热疲劳强度 热作模具的工作条件是反复受冷受热。在反复加热和冷却的条件下，模具表 2 上海大学硕士学位论文高熟强性热作模具钢的合金化特性研究 面的金属层会发生热胀冷缩，因此在该层中会出现拉应力和压应力的交替变化， 交变的应力最终会导致模具材料发生疲劳损伤，其外在表现形式为在模具表面会 形成网状裂纹( 龟裂) ，这种现象称为热疲劳。高的热疲劳强度可以延缓疲劳损 伤的出现，延长模具的使用寿命。 3 、良好的导热性 热作模具钢在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时释放，会导致模 具的温度过高以及内外的温差变大，从而导致模具力学性能的下降，因此要求模 具材料必须具有良好的导热性能。 4 、高的淬透性 热作模具一般尺寸较大，热锻模尤其如此，为了保证模具整个界面的力学性 能均匀，必须要求模具材料具有高的淬透性。 5 、良好的成形加工工艺性能 热作模具材料应当具有良好的可加工性，包括冷热加工性能，以便提高产品 质量，降低模具的制造费用，满足加工成形的需要。 6 、良好的耐蚀性和抗氧化性 当模具与被加工材料或者周围介质发生强烈相互作用时，良好的耐蚀性和抗 氧化性可以延长模具寿命。 以上所述的热作模具钢的这些性能主要是由钢材的化学成分、冶炼加工过程 以及热处理工艺共同决定的。 1 1 2 热作模具钢的发展 热作模具钢的发展历程一般可以分为以下几个阶段 3 】： 第一代热作模具钢主要包括5 c r n i m o 、5 c r m n m o 和3 c r 2 w 8 v 钢，这些钢 种自从上世纪3 0 年代初在工业中应用后一直使用比较广泛，已经积累了相当丰 富的冶炼、锻造、机械加工和热处理等工艺经验。 5 c r n i m o 钢自2 0 世纪3 0 年代初在工业中应用后至今仍广为使用。5 c r n i m o 适宜于制造中、大型( 锻模高度大于3 0 0 m m ) 或者型腔比较复杂的热锻模，有 时也用于制造热切边模。但是由于其淬透性不够高，因此容易造成模具工作部分 的塌陷和在冲击应力下的热磨损、热疲劳，从而使得模具的使用寿命降低。 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 为了节约镍，人们又研制了5 c r m n m o 钢。5 c r m n m o 的性能与5 c r n i m o 的 性能相近，但是韧性稍低，淬透性和热疲劳性能也稍低，适宜于制造受力较小的 中、小型锻模( 锻模高度小于3 0 0 m m ) 。 5 c r m n m o 和5 c r n i m o 这两种钢共同的主要缺点是热强度、热稳定性能较差， 在用作受热条件较恶劣的热锻模( 4 0 0 以上) 时，由于热强性和使用寿命不足， 无法满足实际生产中的高温下的性能要求，因此也就无法制造高温模具。 3 c r 2 w 8 v 钢于2 0 世纪2 0 年代开始在工业上使用，是一种高热强性热作模 具钢，具有良好的锻造、机加工和热处理工艺性能，在热挤压模和热冲模上有广 泛的应用。这种钢的热稳定性高，使用温度可达到6 5 0 ，但其冷热疲劳性较差， 尤其是用水冷却时，模具的热疲劳寿命会大幅降低。3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性差的 原因有两个方面，一是含钨量高，高钨钢有脱碳倾向，模具磨损快，粘模严重， 容易出现模具早期疲劳裂纹；另一个未被充分认识的原因是不尽合理的碳含量 【4 ，鉴于以上所述的缺陷，一些西方国家( 如德国) 已经废除了该种钢号。 第二代热作模具钢以美国的a i s ih 1 0 、h l l 、h 1 2 、h 1 3 钢系列为代表，尤 其以h 1 3 钢最受欢迎。 相对于第一代热作模具钢而言，h 1 3 钢有两个突出的优点：一是有良好的高 温综合性能和较高的热疲劳抗力，二是铬、钼元素在氮化处理时能够生成很稳定 的氮化物并弥散分布，因此可以提高模具钢的寿命。因为在很多场合下，热作模 具在使用前都会进行表面处理，因此这一点也显得比较重要。由于这些优点， h 1 3 钢得到了快速的推广应用。 第三代热作模具钢是瑞典u d d e h o l m 公司研制的u h bq r 0 8 0 m 和 q r 0 9 0s u p e r m e 钢系列。 q r 0 8 0 m 6 】是在h 1 0 基础上通过优化合金元素的配比，在合金元素总含量不 高的情况下，通过成分的调整，使钢具有比较高的高温性能和冷热疲劳性能。含 有较少量铬的q r 0 8 0 m 钢比h 1 3 钢具有更高的热强性，略高于3 c r 2 w 8 v ，并 且具有很好的韧性，热疲劳性，通用性强，特别适用于制造既要耐高温又需要高 韧性、高热疲劳性的热挤压模、压铸模、热冲模、热锻模。q r 0 8 0 m 钢的不足 之处是生产成本有所提高【3 1 。 u h bq r 0 9 0s u p e r m e 钢是q r 0 8 0 m 的改进型钢号，目前在市场上已经几乎 4 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 完全取代了早期开发出来的u h bq r o8 0 m 钢种，q r 0 9 0 钢的性能在后面会具 体介绍。 1 1 3 热作模具钢的分类 热作模具钢的分类方法有很多种，可以根据合金元素含量及其热处理后的性 能分类，可以按照用途分类，也可以按照所含合金元素分类【1 。 一、按照合金元素分类可以分为： ( 1 ) 低合金热作模具钢：主要为5 c r n i m o 、5 c r m n m o 、5 c r n i m o v 等 c r - n i m o 、c r - m n m o 系钢种； ( 2 ) 中合金热作模具钢：主要为4 c r 5 m o s i v l ( h 1 3 ) 、4 c r s w m o s i v 、 4 c r 5 m o s i v ( h 1 1 ) 、4 c r 5 w 2 v s i 等铬系钢种： ( 3 ) 高合金热作模具钢：主要为3 c r 2 w 8 v 、5 c r 4 w 2 m 0 2 s i v 、5 c r 4 w 5 m 0 2 v ( 砌汜) 等w - m o 系钢种。 此外，按照合金元素还可以分为钨系热作模具钢、铬系热作模具钢、铬钼系 热作模具钢和铬钨钼系热作模具钢。 二、按照用途可以分为： ( 1 ) 锻压模具用钢：主要为5 c r n i m o 、5 c r m n m o 、5 c r n i m o v 等c r - n i m o 、 c r - m n m o 系钢种； ( 2 ) 热挤压模具用钢：主要为4 c r s m o s i v l 、4 c r s w m o s i v 、4 c r 5 m o s i v 、 4 c r 5 w 2 v s i 等铬系钢种； ( 3 ) 压铸模具用钢：主要为4 c r s m o s i v l 、3 c r 2 w 8 v 、5 c r 4 w 2 m 0 2 s i v 等 中高合金热作模具钢； ( 4 ) 热剪切模具用钢：主要为h 2 6 ( 5 w 1 8 c r 4 v ) 、h 2 3 ( 3 w 1 2 c r l 2 v ) 等 低碳高速钢。 三、按照性能特点有两种分法：按照耐热性和按照特有性能。 按照耐热性可以分为： ( 1 ) 高耐热性用钢：如3 c r 2 w 8 v 、4 c r 3 m 0 3 w 4 妯、4 c r 3 m 0 2 m n 妯b 岔童 岢； ( 2 ) 中耐热性用钢：如4 c r 5 m o s i v l 、4 c r 5 w 2 s i v 、4 c r 5 m o s i v 等； 5 上海大学硕士学位论文高热强性热作模具钢的合金化特性研究 ( 3 ) 低耐热性用钢：如5 c r n i m o 、5 c r m n m o 、5 c r 2 n i m o v s i 等。 按照特有性能可以分为： ( 1 ) 高韧性热作模具钢：为低合金热作模具钢，如5 c r n i m o 、5 c r m n m o 、 5 c r 2 n i m o v s i 等： ( 2 ) 高耐磨性热作模具钢：为低合金高碳模具钢，如8 c r 3 等： ( 3 ) 高热强性热作模具钢：为中、高合金热作模具钢，如4 c r s m o s i v l 、 3 c r 2 w 8 v 、4 c r 5 w 2 v s i 等。 1 2 高热强性热作模具钢的研究现状 如前所述，热作模具钢从无到有，再到比较成熟，经过了几个阶段的发展， 已经逐渐形成了系列，高热强性热作模具钢也随之有了很大的发展。在表l 所列 出的1 2 种热作模具钢中，5 c r n i m o 、5 c r m n m o 和4 c r m n s i m o v 属于高韧性热 模钢；8 c r 3 属于高耐磨热模钢；其它的八种均属于高热强性热模钢，由此可见 高热强性热作模具钢的重要性。 随着热作模具钢服役温度的提高以及工作条件的苛刻，传统的高热强性热作 模具钢如h 2 1 ( 3 c r 2 w 8 v ) 等逐渐不再能够适应要求。h 1 3 钢虽然应用较广， 但是一般只能在6 0 0 以下工作，这使得国内外的研究学者对可以应用于高温条 件下的新型高热强性热作模具钢( 尤其是超高强度热作模具钢) 的研发产生了浓 厚的兴趣。经过多年的研究，国内外陆续研制开发了不少可以用在较高温度和苛 刻条件下的新型高热强性热作模具钢【。这些研发工作在很大程度上是从在现 有钢种的基础上加入其它合金元素或者提高部分现有合金元素含量以提高特定 性能这一方面开展的【1 2 , 1 3 】。 1 2 1 国外高热强性热作模具钢的研究现状 目前国外的高热强性热作模具钢主要可以分为五大类【1 4 】： ( 1 ) 中合金高热强性热作模具钢 该类钢一般是在美国的h 1 0 和h 1 3 钢的基础上增加w 、m o 、c o 、n b 等元 素，提高其高温性能。如美国的h 1 0 a ( 3 c r 3 m 0 3 c 0 3 v ) 钢、瑞典的q r o8 0 m ( 3 c r 3 m 0 2 v m n ) 钢以及q r o9 0s u p e r m e 钢，该类钢与3 c r 2 w 8 v 钢相比较具 6 上海大学硕士学位论文高熟强性熟作模具钢的合金化特性研究 有更高的高温强度和抗回火软化能力，在生产中使用效果良好。 h i o a 钢是h 1 0 型热作模具钢，在h 1 0 钢的基础上，为了提高强度和在高 温下的抗回火软化能力而加入了钴，这种改进型的h i o a 具有相对优良的抗热疲 劳裂纹的能力，在服役过程中可以水冷。但是由于含有钴，因此其价格相对要高， 这也限制了它的广泛使用。 ( 2 ) 析出沉淀硬化型热作模具钢 这类高热强性热作模具钢的代表钢号主要有：日本日立金属公司的y h d 3 、 y h d 2 6 、y h d 2 8 ，日本大同特殊钢公司的d h 7 6 ( 2 c r 3 n i 3 v ) 等。 该类钢的碳含量很低，一般在0 2 0 左右，含有一些沉淀硬化的合金元素如 钒、铌、镍、铝等，模具淬火后采用较低温度回火( - 4 0 0 ) 硬度为4 0 h r c 左 右，由于碳含量低，中温回火后的组织为板条状低碳马氏体，具有良好的韧性， 而且具有良好的切削性。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( 5 0 0 - 6 0 0 c ) ，由于合金碳化物和金属间化合物的析出， 模具工作表面的硬度可以上升到4 5 - - - 4 8 h r c ，而在提高了型腔表面的耐磨性的同 时，模具的心部仍然保持原有的组织和高韧性，从而提高了模具的使用寿命。 ( 3 ) 低碳高速钢和基体钢。 低碳高速钢的代表钢号有美国a s t m 标准钢号h 4 2 ( 6 w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ) 、h 2 6 ( 5 w 1 8 c r 4 v ) 、h 2 5 ( 3 c r 4 w 1 5 v ) 等，该类钢将高速钢的碳含量降至0 3 0 6 ， 在降低部分红硬性和耐磨性的情况下改善其韧性和抗热疲劳性能。高速钢的工作 温度高达6 0 0 - - , 7 0 0 ，具有高的强度、好的热硬性，但是韧性较差。 基体钢的代表钢号有美国钒合金钢公司的v a s c om a ( 5 c r 4 w 3 m 0 2 v ) 等， 其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。 低碳高速钢和基体钢的综合性能较好，既可以用作热作模具材料，又可以用 于制造高性能的冷作模具。 ( 4 ) 奥氏体型热作模具钢。 这种钢是为了适应工作温度达7 0 0 - - 8 0 0 的热作模具的需要，且为了满足既 耐高温又耐蚀、抗氧化而特别研发的新型热作模具钢。这类钢一般都含有较高的 镍、锰等奥氏体形成元素，同时也加入了一定量的碳、氮、铬等，使得奥氏体变 7 上海大学硕士学位论文 高热强性热作模具钢的合金化特性研究 得更加稳定，这样钢在任何状态下均能保持奥氏体组织。这类钢经固溶时效后， 在7 0 0 , - , 8 0 0 。c 左右仍然能保持较好的强度，可以用于制造在高温条件下工作的模 具。其缺点是导热性差，热膨胀系数大，因此降低了钢的热疲劳性能，不适用于 制造强水冷的模具。 主要代表钢号为特殊钢公司的5 m n l 5 n i 5 c r 8 m 0 2 v 2 钢等。 ( 5 ) 马氏体时效型耐热钢 马氏体时效钢是含有大量稀有贵重的n i 、c o 等元素的一类钢，为超低碳( 碳 的质量分数如0 3 ) 高含镍量( 镍的质量分数 1 0 ) ，还含有一定量的钴、钼、 钛、铝，高的含镍量使得m 。、m f 均高于室温。它不同于f e - c 马氏体，是镍置 换型固溶体，呈体心立方，具有相当高的位错密度和小孪晶( 亚结构) 。 马氏体时效钢经时效后，具有超高强度和良好的塑性、韧性配合，硬度高、 耐磨性好，屈强比也高( o 9 5 - 4 ) 9 9 ) ，并有高的断裂韧度。这类钢有高的耐热性 能，在5 0 0 以下工作强度不降低，高温疲劳强度高，抗氧化性能高，并且具有 良好的低温性能和抗蚀性。马氏体时效钢不存在淬透性的问题，一般空冷条件下 即可全部淬成马氏体，固溶处理后的切削加工性及焊接性等冷热加工性能也很 好，热处理工艺简单、变形小、加热不脱碳、尺寸稳定。但是这类钢的冶炼成本 高，因此价格较贵。 这类钢国外常用的钢号有1 8 n i ( 2 5 0 ) 、1 8 n i ( 3 0 0 ) 、1 8 n i ( 3 5 0 ) 掣15 1 。 1 2 2 国内高热强性热作模具钢的研究现状 随着实际生产需要对钢种性能要求的提高，国内研究人员进行了大量的工 作，取得了比较显著的效果，不仅大量吸收了国外的经验，还进行了自主研究， 开发了许多种新型的高热强性热作模具钢，获得了很大的社会效益。 1 2 2 1 国家标准及部分新钢种 国内研制的高热强型热作模具钢主要有两种类型f 1 6 】： ( 1 ) 基体钢。其化学成分接近于高速钢淬火状态的基体组织成分，未固溶 的过剩碳化物量少于5 ，热强性高，韧性好，但是合金度高，成本高。 ( 2 ) 多元素低合金钢。可以用1 m o 代替部分2 w ，含有n b 、b 、t i 、 上海大学硕士学位论文 高热强性热作模具钢的合金化特性研究 r e 等微量元素复合强化，热强性和韧性高，成本低。 我国的高热强热作模具钢的发展经历了第一代热作模具钢3 c r 2