難變形材質與高精鍛件鍛壓模具的選材

鞏兆維，徐建偉，鄭勁松，熊國鋒

模鍛離不開鍛模。鍛造模具是模鍛件生產過程中必不可少的工藝裝備，起著舉足輕重的作用。模具質量高低、壽命長短，直接影響到模鍛件產品的質量、生產效率及產品在市場上的競爭能力。所以，追求鍛造模具質量與使用壽命的不斷提高，是每一個模鍛生產企業和鍛造工作者永恒的主題。

相對于碳素鋼和一般低合金結構鋼而言，高強度合金結構鋼無論是冷變形還是熱變形，其變形抗力都要大一些，而許多耐酸堿的不銹鋼其變形抗力就要大得多，但變形抗力更大的材質莫過于被廣泛用在航空發動機內部的鈦合金與高溫合金。由于這類材料在高溫工作狀態下的飛機發動機內部，其本身就要求有足夠高溫強度，因此要將其熱模鍛成形就對模具有著更高的要求。這類模具鋼材質要有高的熱強性、熱硬性、耐磨性和高的熱穩定性，還要有良好的沖擊韌性和耐冷熱疲勞性能，只有這樣才能極大滿足難變形材料鍛模的性能要求。

在我國最常用的熱模鋼中，5CrNiMo、5CrMnMo、5Cr2NiMoVSi、4Cr5W2VSi、H13、3Cr2W8V應用比較普遍。前三種屬于較低檔次的熱模鋼，后兩種則屬于較高檔次且應用最為廣泛的熱模鋼種。H13鋼的韌性和耐冷熱疲勞性能較好，但熱硬性不行，熱強性不高，型腔在高溫和沖擊力雙重作用下易脹大、塌陷和變形；而3Cr2W8V熱強性高，熱硬性好但缺點是耐冷熱疲勞不行，韌性差，模具在冷熱交替和沖擊力作用下容易龜裂和開裂，所以也不是最理想的熱模具鋼。

在這里我們向航鍛用戶推薦一種熱模鋼，其曾榮獲中國國防工辦技術進步二等獎、原航空工業部科技成果一等獎，并被列入航空工業部技術標準，標準號為HB-5137-80（3Cr3Mo3VNb鋼代號HM3），其具有H13、3Cr2W8V優點，同時又克服了各自的不足。很顯然，具有上述性能特征的模具材料也同時是高精熱模鍛件模具的首選材質。

1.3Cr3Mo3VNb鋼合金元素的構成特點

（1）3Cr3Mo3VNb鋼化學成分如表1所示，將3Cr3Mo3VNb鋼與國標GB/T1299-2000中所有12個熱模鋼種相比較，與眾不同的三大特點：C低、Mo高、含Nb。

（2）碳低 比含C量最低的3Cr2W8V含碳量（中限含量比較）還要低0.065%，碳元素雖然可以影響鋼的強度和硬度,但對于合金含量高的熱模鋼來說,當型腔溫度上升到數百攝氏度以上時，碳的高低并不顯得很重要，反之，由于C含量低的原因，卻因此而提高了整個模具本體的導熱性能和沖擊韌性，因此反而獲益。

表1 3Cr3Mo3VNb鋼的化學成分 （%）

（3）鉬高 與世界通用H13系列鋼種相比，Mo含量按中限比較，3Cr3Mo3VNb鋼是它們的2倍,低限比較則在2.3倍以上。鉬在熱作模具鋼中,是非常重要的固溶化元素和碳化物形成元素,其存在可以提高鋼的高溫強度和硬度、提高型面的耐磨性和耐回火性。

（4）含Nb 國標GB/T1299-2000中所有12種熱模鋼都不含Nb。Nb在熱模鋼中與碳形成穩定性很高的強碳化鈮化合物，不僅有抑制晶粒長大、細化晶粒的作用,且可以顯著提高熱模鋼的熱強性與基體韌性。

另外,3Cr3Mo3VNb鋼中也如同其他高檔次熱模鋼種一樣,含有足量鉻與釩,以滿足其各種性能需求。

2.3Cr3Mo3VNb鋼與其他幾種典型熱模鋼物理性能的對比

由于3Cr3Mo3VNb鋼中各種特定量的元素科學搭配組合,所以就決定了該鋼具有優異于其他熱模鋼的多種特征、性能及最終的生產應用效果。

（1）線脹系數對比 線脹系數對于熱作模具鋼來說是很重要的一個物理量，其決定了熱模鋼模具在反復冷熱數百度變化的工作狀態下,型腔部位線長度尺寸和體積發生變化的大小,還有模具因此而產生內應力的高低程度。很顯然選擇線脹系數越小的鋼種制作精鍛模具，不僅可以比較好的保證精鍛件的尺寸精度,同時還能減少模具內應力,有利于提高模具使用壽命。從表2中可以看出3Cr3Mo3VNb鋼高溫的線脹系數最小。

（2）熱導率對比 如表3所示，熱導率越高的模具材料,就越利于熱量迅速傳遞,用其制作的模具在熱模鍛過程中,與高溫毛坯接觸模膛部分熱量就越能迅速傳導給模具本體,從而減低了模膛表面實際工作溫度，有利于延緩模具使用壽命；另一方面,熱量快速向模體內其他地方傳導,也能減小整個模體內的溫差,從而降低內部內應力產生的程度,也同樣有利于延長模具壽命。從表中可以看出3Cr3Mo3VNb的熱導率最高。

（3）臨界點對比 如表4所示，鋼臨界點是鋼在淬火、正火和退火加熱和冷卻過程中，在其特定溫度下出現鐵素體和奧氏體的轉變，這些轉變溫度或臨界溫度被稱之為相變點或臨界點。臨界點是與模具使用特性密切相關的重要物理參數，臨界點高低能夠直接反映出熱作模具使用狀態下的高溫力學性能和熱穩定性高低。從表4中的數據比較結果看，還是3Cr3Mo3VNb鋼要高一些。

表2 幾種典型模具鋼的線膨脹系數(×10-6℃-1)與溫度關系

表3 幾種典型模具鋼的熱導率（W/（m·K））與溫度的關系

表4 幾種熱模鍛典型模具鋼的臨界溫度

3.3Cr3Mo3VNb鋼與其他幾種典型熱模鋼高溫性能的對比

由于3Cr3Mo3VNb鋼中合金元素的優化設計組合，決定了其具有多種優良的物理特性，也正因為如此，所以也造就了該鋼的高溫熱強性等諸多方面的性能指標，又明顯高于國內普遍大量應用的幾個典型鋼種。可以從后面對比中一一看到。

（1）高溫力學性能對比 從表5高溫力學性能中可以看出，在熱作模具型腔表面工作溫度范圍中，3Cr3Mo3VNb的高溫力學性能最好。在600℃時，H13強度就已經明顯不如3Cr3Mo3VNb；到了700℃時，3Cr3Mo3VNb鋼的σb和σs分別是H13的 2.5倍和2.8倍，如此巨大的差距足以說明3Cr3Mo3VNb鋼制模具的使用壽命能夠明顯高于H13的一個內在原因。同樣在650℃以上時3Cr2W8V也顯然不如3Cr3Mo3VNb鋼。

（2）熱穩定性比較 從表6中可看出，在620℃狀態下以44HRC為標準。H13鋼保持不了2h，而3Cr3Mo3VNb鋼可以保持4h；當溫度在640℃時，以40HRC為標準，H13也只能堅持2h，而3Cr3Mo3VNb鋼仍可堅持2倍于H13鋼的時間即4h。所以3Cr3Mo3VNb鋼制模具比H13鋼更能在高溫工作環境中持久耐用，型腔硬度堅持較好而不容易軟化脹大和變形。

（3）沖擊韌度的對比 對于鍛模來說，沖擊韌度是一個很重要的指標。到目前為止，我們還沒有找到H13和3Cr3Mo3VNb鋼沖擊韌度的直接對比試驗結果。但北京航空材料研究院曾對4Cr5W2VSi，5CrNiMo和3Cr3Mo3VNb鋼的沖擊韌度作過對比試驗，數據見表7（3種試驗材料的硬度均接近50HRC）。由于4Cr5W2VSi與4Cr5MoSiV1除W、Mo不同外。其余所含元素的品種及含量一致，而W與Mo在熱作模具鋼中的作用又相同，所以這兩種鋼在性能與實際應用效果上也無大的差異。

由表7可見，3種材料的室溫沖擊值都很低，但在實際工作溫度下（烤模預熱溫度250～300℃）3Cr3Mo3VNb鋼的沖擊韌度顯著提高，比4Cr5W2VSi高出1倍，比5CrNiMo鋼高約2倍。所以3Cr3Mo3VNb鋼制模具在使用時很少出現早期開裂現象。沖擊韌度好沖擊值高就可以適當提高模具的淬火硬度，也可以加大鍛壓打擊力，從而有利于精密鍛件表面精度和內在質量。

表5 幾種熱作模具鋼高溫力學性能

表6 H13與3Cr3Mo3VNb鋼熱穩定性 (HRC)

表7 幾種熱模鋼沖擊韌度 （aK：J·cm-2）

（4）冷熱疲勞性能 比較3Cr3Mo3VNb鋼與4Cr5W2VSi鋼、5CrNiMo鋼冷熱疲勞性能的比較。用厚2mm、開有60°槽口的板狀試樣，在先650℃←→20℃（水）反復加熱冷卻的條件下，經1000次循環后測定槽口尖端產生裂紋的長度進行比較，數據見表8。

結果表明，3Cr3Mo3VNb鋼冷熱疲勞性能最好。以縱向試樣為例，在相同條件下，4Cr5W2VSi鋼裂紋長度是3Cr3Mo3VNb鋼的1.5倍,5CrNiMo鋼的裂紋長度則是3Cr3Mo3VNb鋼的11倍。從裂紋形式觀察，3Cr3Mo3VNb鋼和4Cr5W2VSi鋼多為一條直裂紋，而5CrNiMo鋼卻為多條裂紋。特別是對于熱精鍛模具來說，人們當然更樂意去選擇冷熱疲勞時間出現得更晚，狀態更輕微的3Cr3Mo3VNb鋼來制作。

4.3Cr3Mo3VNb鋼制模具部分應用實例

3Cr3Mo3VNb鋼與眾不同的各種優異性能，最終在應用效果上得到了印證。我們可以從下面部分幾個典型例子中可以看到，3Cr3Mo3VNb鋼制模具在不同領域、不同設備上將不同材質鍛造成不同類型的產品，都顯示出3Cr3Mo3VNb鋼明顯優于3Cr2W8V、H13等鋼種，也不遜色于國外某些名牌產品。

（1）在航空航天鍛造領域里，發動機上零件大量采用高溫合金、鈦合金和鎳基合金，這類材質高溫強度大，因而在鍛造過程中變形抗力也大，所以對模具材料的高溫硬度有更高要求。正是由于HM3鋼高溫強度高，在高溫工作環境狀態下熱硬性保持得很好，所以在其誕生地貴州安大公司，一直是應對難變形航空航天和批量大的鍛件首選模具材料。用HM3鋼制作的模具，在安大鍛造GH30或1Cr18Ni9Ti，其使用壽命是5CrNiMo的4～8倍，是4Cr5W2VSi的2倍；在430廠鍛造材質為GH33的K104-173渦輪葉片壽命是4Cr5W2VSi的2倍；在170廠鍛造材質為13Cr11Ni2W2MoV的整流葉片壽命也是4Cr5W2VSi的2倍。

（2）用3Cr3Mo3VNb鋼制作沖頭和凹模，用于生產GCr15精密軸承環，同3Cr2W8V相比壽命是其5～8倍。而最高成績是南昌航空學院用其制作生產35鋼軸承內環沖頭，壽命達2.8萬件，是3Cr2W8V鋼2000件壽命的14倍。

（3）中外合資廣西邕生廠是一家專門生產鋁合金管的企業，要求鋁合金管產品內外壁表面粗糙度高，尺寸精準，其設備為英國產康風連續擠壓機，開始采用的模具為美國產H13鋼，后轉用國產3Cr2W8V和3Cr3Mo3VNb鋼，在20世紀90年代初就得出明確結果（見表9）。

從表中可知，3Cr3Mo3VNb鋼制模具壽命為美國產H13的2倍左右，是3Cr2W8V的4倍以上。

（4）重慶秋田齒輪公司生產各種精密摩托車齒輪鍛件，其中許多為帶爪齒的精鍛產品，二十幾條生產線正常日產量為20萬件精鍛齒輪件，每月消耗模具2000件左右。該公司全面采用3Cr3Mo3VNb鋼制模具巳經有6年多，其使用壽命一般都是H13二倍多。每年節約模具費用非常可觀。同樣在重慶另一家生產汽車精密鍛件的精鍛公司，用H13鋼模具一次性壽命正好是一個班次產量即2000多件，采用3Cr3Mo3VNb鋼制模具壽命曾創造紀錄達到一萬多件，為H13的4倍。

（5）近年來，在浙江、四川、天津、江蘇、河北等地，一些生產汽車發動機同步齒環的企業，采用3Cr3Mo3VNb鋼制模具生產這些要求精度特別高、表面粗糙度非常嚴的齒環坯精鍛件，其中有鋼質也有銅質件，效果令人很滿意，模具壽命也通常都在H13的2倍左右。

表8 三種材料冷熱疲勞 (mm)

表9 3種材料在康風連續擠壓機上使用壽命對比

（6）湖北二汽襄樊車橋廠是專門生產載貨汽車后橋的廠家，其后橋橋殼是把厚鋼板在20000kN壓力機上熱鍛造成形，橋殼模具是屬于組合模具，裝配在上下模套內，每副模具用熱模鋼坯料2000多kg，每套模具機械制造費用近20萬元。該廠自2002年起開始全面采用3Cr3Mo3VNb鋼制作成套橋殼模具，一套可頂原5CrNiMo多套模具使用，僅兩臺壓力機節約的模具制造費用全年就可以達100萬元以上。

（7）中國兵器工業五九研究所，2012年采用3Cr3Mo3VNb鋼制作沖頭模具，在我國北方兩個軍工企業各生產4種不同規格的深孔鍛件，在同等條件下與H13和3Cr2W8V比較，其中3種沖頭都是它們的2倍，另一種沖頭則達到過3Cr2W8V的3倍。也同樣在這一批試驗過程中，還用了一種模具材料強國奧地利產、代號為HOTVAR的145元/kg的熱模鋼，其使用壽命僅比3Cr3Mo3VNb鋼制沖頭略高一點，其性價比遠不如3Cr3Mo3VNb鋼。而現今在重慶等地3Cr3Mo3VNb鋼模塊毛坯單價并不高于3Cr2W8V鋼。

（8）2013年山東某軍工企業采用HM3鋼制凹模模具（毛坯重170kg），用以生產04號深孔鍛件，其壽命是原3Cr2W8V的3倍以上，3Cr2W8V的原壽命僅為300～400件，而HM3鋼04號凹模壽命最低在1400件以上，最高的達到3600件。兩種材質模具性價比較，每生產一萬件04號鍛件僅凹模就可以節約12萬元成本。應該指出的是3Cr3Mo3VNb鋼制模具在該廠之所以能達到如此之高的使用性價比，還有一個很主要的原因，那就是使用者在模具使用生產過程中，善于總結經驗，正確選擇該種材質模具在特定設備上生產特定產品的最佳硬度值，并在模具制造過程中的熱處理工序上予以保證。同時，模具在工作應用過程中，正確使用脫模劑和冷卻方式方法也是一大關鍵。只有這些方方面面均做好做到位，優質模具的潛力才能夠得到極大發揮，正因山東這個廠把這一切都做好了，所以也就達到奇跡般的應用效果與性價比。

5.結語

盡管3Cr3Mo3VNb鋼許多性能特征超過眾多其他熱模鋼品種；盡管3Cr3Mo3VNb鋼在生產實踐中創造過許多優異的成績或可稱作奇跡；也盡管最近由國防工業出版社出版、中國鍛壓協會組織眾多著名鍛壓專家教授編著的《鍛造模具與潤滑》一書，對3Cr3Mo3VNb鋼特別贊賞有加而高于其他熱模鋼種。但是必須應該指出的是，與H13和3Cr2W8V等老鋼種相比它畢竟是國內研制的一個新鋼種，3Cr3Mo3VNb鋼的應用范圍還不廣、時間也并不長，人們對它的認識、研究、生產制造及應用經驗都遠不如對H13和3Cr2W8V等老鋼種熟悉。換句話說，3Cr3Mo3VNb鋼從已經表現出來的成績看是具有趕超國外某些品牌的潛力，但更大潛力在等待我們鍛造與模具工作者去繼續挖掘提高，把3Cr3Mo3VNb鋼的研究、生產，以及應用都能較好地做到位，那么隨著時間的推移，3Cr3Mo3VNb鋼的應用面將會越來越廣，也必將會給我國的熱模鍛事業作出更大貢獻。

[1]許發樾，李崇豪，楊守義等.實用模具設計與制造手冊[M].北京：機械工業出版社,2001.

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[4]王樂安、趙一平、高新等.鍛造模具與潤滑[M].北京：國防工業出版社，2010.