熱作模具鋼中的合金元素
國家標(biāo)準(zhǔn)中，有四種高韌性錘鍛模具鋼：5CrNiMo、5CrMnMo、5MnMoSiV、5Cr4Mo。其中5MnMoSiV是為改善5CrNiMo鋼淬透性而研制的，5Cr4Mo鋼，主要是作為堆焊電極材料。70年代研制了無鎳鋼錘鍛模模具鋼5MnMoSiV，主要用于大中型模具，該鋼加入礬，并采用硅錳復(fù)合合金化，強(qiáng)度有所提高，但由于含碳量仍保持在0.50%左右，其韌性有所降低趨勢。近年來研制的4Cr2MoVNi、5Cr2MoVNiSi、45Cr2MoVNiSi，高溫強(qiáng)度有所提高，且含碳量有略微下降，因此韌性有所提高。上述鋼均用于大噸位錘鍛模和機(jī)鍛模。80年代前蘇聯(lián)、日本等國錘鍛模具鋼的發(fā)展趨勢是：
I把鋼中碳含量降低，即從0.5%降到0.4%，個別的可降至0.30%。
II鋼中加入鉻、鉬、鎢、釩的同時又添加鈷、鈮、鈦、稀土、微量的鈣、鋁、氮等元素，進(jìn)行多元合金化，合金元素總量在5-10%不等。模具材料使用溫度及強(qiáng)韌性均有所提高，模具使用壽命可提高20%-120%。總的趨勢是向著低碳、沉淀、硬化方向發(fā)展。為此弄清楚各合金元素作用之前，必須說明幾個原則。
1 幾個原則
-降低鋼中碳的含量，淬火后能得到以板條狀馬氏體為主的組織，以保證模具材料的高韌性。
-實施多元復(fù)合合金化，以提高鋼的熱強(qiáng)性。合金化時，應(yīng)特別注意防止第二類回火脆性。
-研究實施合理的強(qiáng)韌化熱處理工藝，保證熱強(qiáng)性與熱韌良好的配合。
-在達(dá)到要求的綜合性能前提下，盡量減少其合金元素的用量，降低新鋼種的成本。
2 合金元素的作用
（1）碳
是控制馬氏體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，也是影響韌性的主要因素。國內(nèi)外關(guān)于低碳馬氏體的大量研究表明：若要獲得較好的綜合機(jī)械性能，鋼中碳量要控制在0.45%-0.30%。
（2）鉻
鉻形成碳化物，可提高鋼的淬透性。淬火加熱時鉻溶于奧氏體，淬火后固溶于馬氏體中，可以提高鋼的抗回火能力。熱作模具鋼中，α-Fe中鉻含量少于2%時，隨著鉻含量的增加，高溫強(qiáng)度隨之上升，但鉻含量大于2%時，高溫強(qiáng)度將隨鉻含量的增加反而下降。同時，還會引起碳化物偏析，將導(dǎo)致降低沖擊韌性。一般講，熱作模具鋼，鉻含量應(yīng)控制2%為宜。
（3）鎢和鉬
鎢的加入在多元復(fù)合合金化的熱作模具鋼中，可以明顯地降低鋼的過熱敏感傾向，并提高鋼的熱穩(wěn)定性。但鎢的含量超過2-3%，鋼的熱強(qiáng)性不會再有明顯提高，反而會使韌性下降。一般應(yīng)控制在1%左右。
鉬的加入，可以提高鋼的淬透性與熱強(qiáng)性，又可以防止第二類回火脆性。但鉬加入過多，會造成鉬碳化物偏析，在回火過程中沿晶界呈針狀或網(wǎng)狀析出，影響鋼的韌性。在高韌性熱作模具鋼中，鉬含量以0.6-1%為宜。
（4）釩
釩可以降低鋼的過熱敏感傾向。在低合金鋼中加入0.1-0.3%的釩就有明顯的效果。馬氏體鋼中，釩含量達(dá)到0.5%就可以產(chǎn)生足夠的二次硬化效應(yīng)。釩量過高，在二次硬化溫度范圍內(nèi)回火，鋼的塑性、韌性將明顯下降，故釩加入量不能超過1%。
（5）鎳
鎳為非碳化合物形成元素，可提高鋼的淬透性。對鋼的強(qiáng)度與韌性，均有良好作用。但過量鎳會促使沿奧氏體晶界析出碳化物，這會導(dǎo)致基體中合金元素含量降低，使鋼熱強(qiáng)性下降。大型錘鍛模具鋼鎳含量一般不會超過1.5%。
（6）硅
硅的加入可提高鋼的淬透性和基體強(qiáng)度。硅溶于α-Fe中，使其強(qiáng)化，并提高α-Fe轉(zhuǎn)變 r-Fe的轉(zhuǎn)變溫度及高溫抗氧化能力。硅是不溶于碳化物，但能提高回火時析出特殊碳化物的彌散度；近期研究表明：加入適量的硅可以改善鋼的韌性，在以碳化物為強(qiáng)化相的熱作模具鋼中，硅量一般以0.5-0.8%為宜。
（7）錳
錳，除了能提高淬透性之外，還可以消除硫的有害影響。它的含量，一般控制在0.5-0.8%。
（8）鈷、鈮、鈦
鈮可形成穩(wěn)定性很高的NbC，在1050℃剛剛開始溶入奧氏體中，因此抑制晶粒長大，可提高熱強(qiáng)性和高韌性。
鈷的加入可顯著提高耐氧化性和紅硬性（耐磨性能好），如美國的H-10鋼中。加入3%的鈷，可大大提高其鋼的耐磨性能。
鈦在鋼中的作用，就是在高溫時，避免晶粒粗化，因此可以強(qiáng)化鋼的基體，又能提高鋼的韌性。
（9）硫與磷
由原材料帶入的有害元素，參照5CrNiMo鋼的冶金含量標(biāo)準(zhǔn)，均控制在少于0.03%范圍。
