模具工业 6 月刊上市，热锻模使用寿命影响因素解析

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热锻模具作为重要的基础工艺装备，主要用于再结晶温度以上的固体金属锻造，广泛应用于汽车工业、机械制造业等领域。热锻模具在锻造过程中，承受着复杂的热-机械载荷，使用寿命一般较低，直接影响锻件的生产成本和企业的经济效益。在国外，热锻模具的成本占锻件成本的8%～15%，而在我国却高达30%～40%。为适应现代制造业的发展需要，中国模具工业协会制定了《模具行业“十二五”产品发展重点》，强调模具的可靠性和使用寿命的重要性。影响模具可靠性和使用寿命的主要因素有模具结构设计、加工制造工艺、模具材料选用、热处理工艺及表面强化、润滑及使用维护等。在模具失效的众多因素中，因模具材料及模具热处理工艺不当而引起的失效约占70%。可以推断，此项计划对模具材料的选择提出了更高的要求。结合国内模具行业的现状，热锻模具钢选用不当的原因大致可归纳为以下几点：

（1）热锻模具钢生产厂家很多，材料的质量和评价标准差别很大。

（2）使用模具复杂，锻造条件、锻造材料有差异。

（3）需开发和推广新的高性能热锻模具钢种。

国内外热锻模具钢发展情况介绍

目前，国内热锻模具钢主要分为轧制产品和锻造产品两种类型，轧制产品适用于制造性能要求不高、成本较低的模具，锻造产品适用于制造性能和性能要求较高的模具。国外市场与国内市场略有不同，由于采用铸造技术生产热锻模具周期短，可直接铸造出接近最终尺寸的模具，铸造热锻模具材料已得到开发应用，并形成了专用钢种体系。铸造热锻模具钢早在20世纪50年代就在国内得到应用，但由于铸造模具强度和韧性较低，铸造热锻模具钢在使用过程中经常因早期开裂而失效，未能得到推广。到目前为止，国内对铸造热锻模具关键制造技术的掌握尚未完全成熟。因此，锻造热锻模具钢在未来一段时期内仍将占据国内市场的主要份额，并具备参与国际竞争的能力。其优点体现在以下两点：

（1）材料制造方法。锻造模具钢对制造设备和工艺有严格的要求。优质的锻造热锻模具钢一般采用真空精炼、电渣重熔、高温均匀化和多向锻造生产工艺，提高钢的纯净度和均匀性。锻造热锻模具钢具有更好的使用性能和使用寿命，符合模具行业的发展方向。

（2）国内制造能力。目前国内的生产设备和技术完全有能力生产出与国外相媲美的优质锻造热作模具钢。

以宝钢集团五钢公司开发的热作钢SWPH13为例，其性能已达到甚至超过瑞典牌号ASSAB8407，如表1所示。

表1 精炼国产SWPH13钢与ASSAB 8407钢冲击性能对比

可见国内生产锻造热锻模具钢具有装备、技术、经验等方面的优势，符合制造业的发展规律。介绍了近年来国内外开发的具有应用前景的锻造热锻模具钢的发展趋势。

国内热锻模具钢发展趋势

目前，已纳入国家标准（GB/T 1299-2000）的热作模具钢有5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V、5Cr4Mo3SiMnVAl、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、8Cr3、4CrMnSiMoV、4Cr3Mo3SiV、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi，共12个品种。这些钢种一般可用作热锻模具材料。常用的高韧性热作模具钢有5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV，中耐热韧性热作模具钢有4Cr5MoSiV1，高耐热热作模具钢有3Cr2W8V。

为了进一步提高热锻模具的使用寿命，满足型腔尺寸要求严格的精锻模具对模具材料的性能要求，国内科研机构、大专院校、生产企业相继开发了几十种热作模具钢，其中包括一些专用热锻模具材料。

华中科技大学与大冶特钢公司联合研制的HD（4Cr3Mo2NiVNbB）钢，在4Cr3Mo3V钢的基础上优化Cr、Mo、V等合金元素，通过强化基体、形成有效强化第二相等手段提高钢的高温性能，该钢在700℃时仍能保持40HRC的硬度。在同等硬度条件下，HD钢的断裂韧性比3Cr2W8V钢提高50%，700℃时的抗拉强度提高70%，抗冷热疲劳性能和热磨损性能分别提高1倍和5%，具有较高的高温强度、热稳定性和塑性。

HM1(3Cr3Mo3W2V)钢是结合我国资源条件开发的一种热作模具钢。该钢合金含量低，冷热加工性能好，淬火回火温度范围宽，是目前我国开发的新钢种中工艺性能好、适用性广、应用前景广阔的高耐热热作模具钢。HM1钢用作轴承套圈毛坯热挤压凸模、轧辊、辊锻模具等，取得了良好的效果。模具平均使用寿命达1～2万件，最高达3万件以上，模具使用寿命一般比3Cr2W8V、5CrMnMo等钢提高2～5倍，最高提高10倍以上。

HM3（25Cr3Mo3VNb）钢是以含碳量较低的模具材料为基础，通过有效的微合金化，提高模具高温强度，HM3钢模具使用寿命比3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5W2SiV等钢提高2～10倍，能有效克服热磨损、热疲劳、热裂等引起的模具早期失效。

广州冶金研究院研制的R521热作模具钢是Cr5系铬钼钒硅系高合金模具钢，具有较高的淬硬性、耐磨性、热强性和韧性。为了提高R521钢的红硬性，按配比加入W元素，形成R522钢；为了进一步提高钢的抗热疲劳和抗热裂性能，又研制了含稀土元素的热作模具钢R523。这三种钢组织纯净，元素分布均匀，组织致密，切削性能优于Cr12系钢和3Cr2W8V钢。

012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)钢是由首钢贵阳特钢有限公司研制的，由于其化学成分和淬火后的基体组织与高速钢相似，故称其为基体钢。经适当的热处理后，该钢的抗寒性能和热疲劳性能均优于3Cr2W8V。用该钢制成的热作模具钢比用3Cr2W8V钢制成的模具寿命长。如用于轴承套圈热挤压凸模，寿命可提高5～7倍。

RM2（5Cr4W5Mo2V）钢是北京机电研究院和中国第一汽车集团公司联合开发的一种基钢型高热强热作模具钢，使用寿命比3Cr2W8V钢提高2~3倍，适用于制造对型腔尺寸要求严格的精锻模具或锻造模具镶块、热挤压模具冲头、热剪切刀片，也适用于制造冲压模具冲头、辊锻模具等。

5Cr4Mo2W2VSi钢是国产新型热作模具钢，属于基体钢类。该钢经适当的热处理后，具有较高的高温强度、高温硬度、良好的耐磨性、抗热疲劳性、优良的抗回火稳定性等综合力学性能。该钢热加工性能良好，加工温度范围较宽，但塑性和韧性稍低。适用于制造热挤压模具、热锻模具、温锻模具等。5Cr4Mo2W2VSi钢与3Cr2W8V钢精锻模具使用寿命对比见表2。

表2 5Cr4Mo2W2VSi钢与3Cr2W8V钢精锻模具使用寿命对比

CG2(6Cr4Mo3Ni2WV)钢也是上海钢铁研究总院研制的国产新型冷热模具钢，可用于制造精锻模具。Ni能提高基体的强度、韧性等综合力学性能，该钢与3Cr2W8V钢相比强度较高，与高速钢相比韧性较好。该钢热处理温度范围较宽，基本无脆性开裂现象，但热加工工艺较复杂，锻造开裂倾向严重，热加工时应特别注意。

SDH2钢属于Mo3系热锻模具钢，其高温强度和硬度比Cr系热作模具钢高，高温条件下的塑性和韧性比3Cr2W8V高得多。该钢已在上海伊顿发动机部件有限公司生产的气门热挤压模具、上海齿轮总厂四分厂双盘摩擦压力锻造机上使用。用SDH2钢制成的热挤压模具的实际使用寿命是H13钢制成的同类产品的2.5~3倍，而用SDH2钢制成的热锻模具的实际使用寿命是3Cr2W8V钢制成的同类产品的5倍，甚至更高。

表3 上海大学自主研发的热锻模具钢系列

近年来，上海大学研制出了一种具有高热韧性、热稳定性、耐磨性和抗疲劳性的新型热锻模具钢SDDM。图6为UMT高温磨损率参考值。SDDM钢在500~700 ℃温度范围内具有优异的耐磨性，特别是在600~700 ℃温度范围内，磨损率明显低于3Cr2W8V和H13钢。由热疲劳损伤因子可知，SDDM＜H13＜3Cr2W8V，如表4 Uddeholm自约束热疲劳损伤参考值所示。因此，新型锻模材料SDDM可以替代传统钢种3Cr2W8V，同时也可以改善H13钢在工作温度超过600 ℃时的性能劣化。特别是，SDDM钢在较高硬度（如50 HRC）下表现出较高的横向冲击韧性，具有优异的强韧性组合和各向同性性能。

表4 Uddeholm自约束热疲劳损伤参考值

国外热锻模具钢的发展趋势

模具材料作为模具工业发展的重要基础，受到世界各国的充分重视，表5为国际热锻材料体系的钢种，与我国国家标准热作模具钢钢种（GB/T1299-2000）相差不大。但业界所熟悉的国外模具钢大多都有自己的企业品牌，如1.2367、HOTVAR、SKD61等。这些公司主要有ASSAB集团(瑞典一胜百集团)、日本大同工业株式会社和日立金属株式会社，还有法国阿塞洛集团、Aubert & Dural，德国Kind& Co.的Edelstahl werk(特殊钢厂)、Schmiedewerke Gröditz GmbH，以及日本高频钢株式会社、山洋特殊钢株式会社等。各国热锻模具材料品牌如表5所示。

表5 各国热锻模具材料牌号

随着全球汽车工业等先进制造业的发展，热锻模具的市场需求逐年增加。国外热锻模具的研发方向主要是高热强度、高温耐磨、长使用寿命。为增强热锻模具材料的综合性能，主要采用的方法有：

①采用较低的C、Si含量，限制钢的偏析，从而使钢获得高的韧性、优良的焊接性和高的热导率；

②改变碳化物形成元素的含量，强化二次硬化效果，提高材料的高温强度；

③添加微合金元素或特殊元素，如添加Nb元素细化晶粒，同时提高奥氏体化温度以获得高的淬透性，添加Al元素使材料具有优良的氮化性能，有效提高模具的耐磨性。

德国格瑞兹钢厂在综合考虑了CrMoV和NiCrMoV模具钢的优缺点后，通过降低Si、Cr、V含量，添加约0.6（wt%）Ni和微量Nb，设计出了一种新型钢种。与CrMoV钢相比，其主要特点是淬透性和热导率较高，同时具有优良的韧性、耐磨性、可加工性和焊接性。

日本高频钢公司在SKD61成分优化的基础上开发了KDAMAX，适用于大型热作模具，具有优良的抗热裂性能，特别是在容易产生应力集中的模具拐角处，可防止裂纹的产生，延长模具的使用寿命。日本山洋特殊钢公司开发了低成本的热轧金属模具钢QT41-HARMOTEX。原QT41(SKT4改良钢)是过去热轧金属模具用钢中韧性最好的钢种，但新钢QT41-HARMOTEX的韧性约为QT41的2倍，抗软化性能约为QT41的1.5倍。

瑞典ASSAB集团开发出高耐磨锻造模具专用钢种HOTVAR。在H13基础上调整C、Si含量，降低Cr含量，增加Mo含量。该材料可在650℃保温10小时，硬度在40HRC左右。热稳定性远高于H13钢。高热稳定性对提高模具在高温条件下的耐磨性起着重要作用。

巴西Villares Metals公司开发了一种含铝特种钢VEX，其成分为0.51C-0.3Si-0.3Mn-3.7Cr-0.6Mo-0.4V-0.56Al，其氮化层深度可达115μm，表面硬度为1 200 HV。在同样的工艺条件下，H13钢的氮化层深度为75μm，表面硬度为1 050 HV。因此，优异的氮化性能是优化锻造模具钢种的新方向。

市场主流热锻模具钢分类

目前主流锻造热锻模具材料按合金特性分为四大类：中合金高热强热锻模具钢、Mo3系热作钢或基体钢、沉淀硬化型热锻模具钢、奥氏体型热作模具钢。其中，市场上最常见的热锻模具材料是H13钢及其改进钢种，该类材料属于中合金高热强热锻模具钢，具有良好的加工性能。最具代表性的是国外三大系列钢种，即日本大同公司的DHA1（SKD61）、瑞典伍德霍姆公司的ORVAR、DIEVAR、奥地利百禄公司的W302（1.2344）、W303（1.2367）。

国产钢种凭借稀土和有色金属钨在合金成分上的独特优势，在热锻模具材料市场崭露头角。代表钢种有5Cr4Mo2W2VSi、SDDM、R523等。这类钢种大多属于Mo3热作钢或合金含量较高的基体钢。但这类材料对加工性能要求较高，主要体现在大规模生产下组织和性能不稳定。沉淀硬化模具钢和奥氏体热作模具钢因价格竞争力较弱，市场份额较小。

本文摘自《模具工业》2015年第8期