难变形材质与高精锻件锻压模具的选材

巩兆维，徐建伟，郑劲松，熊国锋

模锻离不开锻模。锻造模具是模锻件生产过程中必不可少的工艺装备，起着举足轻重的作用。模具质量高低、寿命长短，直接影响到模锻件产品的质量、生产效率及产品在市场上的竞争能力。所以，追求锻造模具质量与使用寿命的不断提高，是每一个模锻生产企业和锻造工作者永恒的主题。

相对于碳素钢和一般低合金结构钢而言，高强度合金结构钢无论是冷变形还是热变形，其变形抗力都要大一些，而许多耐酸碱的不锈钢其变形抗力就要大得多，但变形抗力更大的材质莫过于被广泛用在航空发动机内部的钛合金与高温合金。由于这类材料在高温工作状态下的飞机发动机内部，其本身就要求有足够高温强度，因此要将其热模锻成形就对模具有着更高的要求。这类模具钢材质要有高的热强性、热硬性、耐磨性和高的热稳定性，还要有良好的冲击韧性和耐冷热疲劳性能，只有这样才能极大满足难变形材料锻模的性能要求。

在我国最常用的热模钢中，5CrNiMo、5CrMnMo、5Cr2NiMoVSi、4Cr5W2VSi、H13、3Cr2W8V应用比较普遍。前三种属于较低档次的热模钢，后两种则属于较高档次且应用最为广泛的热模钢种。H13钢的韧性和耐冷热疲劳性能较好，但热硬性不行，热强性不高，型腔在高温和冲击力双重作用下易胀大、塌陷和变形；而3Cr2W8V热强性高，热硬性好但缺点是耐冷热疲劳不行，韧性差，模具在冷热交替和冲击力作用下容易龟裂和开裂，所以也不是最理想的热模具钢。

在这里我们向航锻用户推荐一种热模钢，其曾荣获中国国防工办技术进步二等奖、原航空工业部科技成果一等奖，并被列入航空工业部技术标准，标准号为HB-5137-80（3Cr3Mo3VNb钢代号HM3），其具有H13、3Cr2W8V优点，同时又克服了各自的不足。很显然，具有上述性能特征的模具材料也同时是高精热模锻件模具的首选材质。

1.3Cr3Mo3VNb钢合金元素的构成特点

（1）3Cr3Mo3VNb钢化学成分如表1所示，将3Cr3Mo3VNb钢与国标GB/T1299-2000中所有12个热模钢种相比较，与众不同的三大特点：C低、Mo高、含Nb。

（2）碳低 比含C量最低的3Cr2W8V含碳量（中限含量比较）还要低0.065%，碳元素虽然可以影响钢的强度和硬度,但对于合金含量高的热模钢来说,当型腔温度上升到数百摄氏度以上时，碳的高低并不显得很重要，反之，由于C含量低的原因，却因此而提高了整个模具本体的导热性能和冲击韧性，因此反而获益。

表1 3Cr3Mo3VNb钢的化学成分 （%）

（3）钼高 与世界通用H13系列钢种相比，Mo含量按中限比较，3Cr3Mo3VNb钢是它们的2倍,低限比较则在2.3倍以上。钼在热作模具钢中,是非常重要的固溶化元素和碳化物形成元素,其存在可以提高钢的高温强度和硬度、提高型面的耐磨性和耐回火性。

（4）含Nb 国标GB/T1299-2000中所有12种热模钢都不含Nb。Nb在热模钢中与碳形成稳定性很高的强碳化铌化合物，不仅有抑制晶粒长大、细化晶粒的作用,且可以显著提高热模钢的热强性与基体韧性。

另外,3Cr3Mo3VNb钢中也如同其他高档次热模钢种一样,含有足量铬与钒,以满足其各种性能需求。

2.3Cr3Mo3VNb钢与其他几种典型热模钢物理性能的对比

由于3Cr3Mo3VNb钢中各种特定量的元素科学搭配组合,所以就决定了该钢具有优异于其他热模钢的多种特征、性能及最终的生产应用效果。

（1）线胀系数对比 线胀系数对于热作模具钢来说是很重要的一个物理量，其决定了热模钢模具在反复冷热数百度变化的工作状态下,型腔部位线长度尺寸和体积发生变化的大小,还有模具因此而产生内应力的高低程度。很显然选择线胀系数越小的钢种制作精锻模具，不仅可以比较好的保证精锻件的尺寸精度,同时还能减少模具内应力,有利于提高模具使用寿命。从表2中可以看出3Cr3Mo3VNb钢高温的线胀系数最小。

（2）热导率对比 如表3所示，热导率越高的模具材料,就越利于热量迅速传递,用其制作的模具在热模锻过程中,与高温毛坯接触模膛部分热量就越能迅速传导给模具本体,从而减低了模膛表面实际工作温度，有利于延缓模具使用寿命；另一方面,热量快速向模体内其他地方传导,也能减小整个模体内的温差,从而降低内部内应力产生的程度,也同样有利于延长模具寿命。从表中可以看出3Cr3Mo3VNb的热导率最高。

（3）临界点对比 如表4所示，钢临界点是钢在淬火、正火和退火加热和冷却过程中，在其特定温度下出现铁素体和奥氏体的转变，这些转变温度或临界温度被称之为相变点或临界点。临界点是与模具使用特性密切相关的重要物理参数，临界点高低能够直接反映出热作模具使用状态下的高温力学性能和热稳定性高低。从表4中的数据比较结果看，还是3Cr3Mo3VNb钢要高一些。

表2 几种典型模具钢的线膨胀系数(×10-6℃-1)与温度关系

表3 几种典型模具钢的热导率（W/（m·K））与温度的关系

表4 几种热模锻典型模具钢的临界温度

3.3Cr3Mo3VNb钢与其他几种典型热模钢高温性能的对比

由于3Cr3Mo3VNb钢中合金元素的优化设计组合，决定了其具有多种优良的物理特性，也正因为如此，所以也造就了该钢的高温热强性等诸多方面的性能指标，又明显高于国内普遍大量应用的几个典型钢种。可以从后面对比中一一看到。

（1）高温力学性能对比 从表5高温力学性能中可以看出，在热作模具型腔表面工作温度范围中，3Cr3Mo3VNb的高温力学性能最好。在600℃时，H13强度就已经明显不如3Cr3Mo3VNb；到了700℃时，3Cr3Mo3VNb钢的σb和σs分别是H13的 2.5倍和2.8倍，如此巨大的差距足以说明3Cr3Mo3VNb钢制模具的使用寿命能够明显高于H13的一个内在原因。同样在650℃以上时3Cr2W8V也显然不如3Cr3Mo3VNb钢。

（2）热稳定性比较 从表6中可看出，在620℃状态下以44HRC为标准。H13钢保持不了2h，而3Cr3Mo3VNb钢可以保持4h；当温度在640℃时，以40HRC为标准，H13也只能坚持2h，而3Cr3Mo3VNb钢仍可坚持2倍于H13钢的时间即4h。所以3Cr3Mo3VNb钢制模具比H13钢更能在高温工作环境中持久耐用，型腔硬度坚持较好而不容易软化胀大和变形。

（3）冲击韧度的对比 对于锻模来说，冲击韧度是一个很重要的指标。到目前为止，我们还没有找到H13和3Cr3Mo3VNb钢冲击韧度的直接对比试验结果。但北京航空材料研究院曾对4Cr5W2VSi，5CrNiMo和3Cr3Mo3VNb钢的冲击韧度作过对比试验，数据见表7（3种试验材料的硬度均接近50HRC）。由于4Cr5W2VSi与4Cr5MoSiV1除W、Mo不同外。其余所含元素的品种及含量一致，而W与Mo在热作模具钢中的作用又相同，所以这两种钢在性能与实际应用效果上也无大的差异。

由表7可见，3种材料的室温冲击值都很低，但在实际工作温度下（烤模预热温度250～300℃）3Cr3Mo3VNb钢的冲击韧度显著提高，比4Cr5W2VSi高出1倍，比5CrNiMo钢高约2倍。所以3Cr3Mo3VNb钢制模具在使用时很少出现早期开裂现象。冲击韧度好冲击值高就可以适当提高模具的淬火硬度，也可以加大锻压打击力，从而有利于精密锻件表面精度和内在质量。

表5 几种热作模具钢高温力学性能

表6 H13与3Cr3Mo3VNb钢热稳定性 (HRC)

表7 几种热模钢冲击韧度 （aK：J·cm-2）

（4）冷热疲劳性能 比较3Cr3Mo3VNb钢与4Cr5W2VSi钢、5CrNiMo钢冷热疲劳性能的比较。用厚2mm、开有60°槽口的板状试样，在先650℃←→20℃（水）反复加热冷却的条件下，经1000次循环后测定槽口尖端产生裂纹的长度进行比较，数据见表8。

结果表明，3Cr3Mo3VNb钢冷热疲劳性能最好。以纵向试样为例，在相同条件下，4Cr5W2VSi钢裂纹长度是3Cr3Mo3VNb钢的1.5倍,5CrNiMo钢的裂纹长度则是3Cr3Mo3VNb钢的11倍。从裂纹形式观察，3Cr3Mo3VNb钢和4Cr5W2VSi钢多为一条直裂纹，而5CrNiMo钢却为多条裂纹。特别是对于热精锻模具来说，人们当然更乐意去选择冷热疲劳时间出现得更晚，状态更轻微的3Cr3Mo3VNb钢来制作。

4.3Cr3Mo3VNb钢制模具部分应用实例

3Cr3Mo3VNb钢与众不同的各种优异性能，最终在应用效果上得到了印证。我们可以从下面部分几个典型例子中可以看到，3Cr3Mo3VNb钢制模具在不同领域、不同设备上将不同材质锻造成不同类型的产品，都显示出3Cr3Mo3VNb钢明显优于3Cr2W8V、H13等钢种，也不逊色于国外某些名牌产品。

（1）在航空航天锻造领域里，发动机上零件大量采用高温合金、钛合金和镍基合金，这类材质高温强度大，因而在锻造过程中变形抗力也大，所以对模具材料的高温硬度有更高要求。正是由于HM3钢高温强度高，在高温工作环境状态下热硬性保持得很好，所以在其诞生地贵州安大公司，一直是应对难变形航空航天和批量大的锻件首选模具材料。用HM3钢制作的模具，在安大锻造GH30或1Cr18Ni9Ti，其使用寿命是5CrNiMo的4～8倍，是4Cr5W2VSi的2倍；在430厂锻造材质为GH33的K104-173涡轮叶片寿命是4Cr5W2VSi的2倍；在170厂锻造材质为13Cr11Ni2W2MoV的整流叶片寿命也是4Cr5W2VSi的2倍。

（2）用3Cr3Mo3VNb钢制作冲头和凹模，用于生产GCr15精密轴承环，同3Cr2W8V相比寿命是其5～8倍。而最高成绩是南昌航空学院用其制作生产35钢轴承内环冲头，寿命达2.8万件，是3Cr2W8V钢2000件寿命的14倍。

（3）中外合资广西邕生厂是一家专门生产铝合金管的企业，要求铝合金管产品内外壁表面粗糙度高，尺寸精准，其设备为英国产康风连续挤压机，开始采用的模具为美国产H13钢，后转用国产3Cr2W8V和3Cr3Mo3VNb钢，在20世纪90年代初就得出明确结果（见表9）。

从表中可知，3Cr3Mo3VNb钢制模具寿命为美国产H13的2倍左右，是3Cr2W8V的4倍以上。

（4）重庆秋田齿轮公司生产各种精密摩托车齿轮锻件，其中许多为带爪齿的精锻产品，二十几条生产线正常日产量为20万件精锻齿轮件，每月消耗模具2000件左右。该公司全面采用3Cr3Mo3VNb钢制模具巳经有6年多，其使用寿命一般都是H13二倍多。每年节约模具费用非常可观。同样在重庆另一家生产汽车精密锻件的精锻公司，用H13钢模具一次性寿命正好是一个班次产量即2000多件，采用3Cr3Mo3VNb钢制模具寿命曾创造纪录达到一万多件，为H13的4倍。

（5）近年来，在浙江、四川、天津、江苏、河北等地，一些生产汽车发动机同步齿环的企业，采用3Cr3Mo3VNb钢制模具生产这些要求精度特别高、表面粗糙度非常严的齿环坯精锻件，其中有钢质也有铜质件，效果令人很满意，模具寿命也通常都在H13的2倍左右。

表8 三种材料冷热疲劳 (mm)

表9 3种材料在康风连续挤压机上使用寿命对比

（6）湖北二汽襄樊车桥厂是专门生产载货汽车后桥的厂家，其后桥桥壳是把厚钢板在20000kN压力机上热锻造成形，桥壳模具是属于组合模具，装配在上下模套内，每副模具用热模钢坯料2000多kg，每套模具机械制造费用近20万元。该厂自2002年起开始全面采用3Cr3Mo3VNb钢制作成套桥壳模具，一套可顶原5CrNiMo多套模具使用，仅两台压力机节约的模具制造费用全年就可以达100万元以上。

（7）中国兵器工业五九研究所，2012年采用3Cr3Mo3VNb钢制作冲头模具，在我国北方两个军工企业各生产4种不同规格的深孔锻件，在同等条件下与H13和3Cr2W8V比较，其中3种冲头都是它们的2倍，另一种冲头则达到过3Cr2W8V的3倍。也同样在这一批试验过程中，还用了一种模具材料强国奥地利产、代号为HOTVAR的145元/kg的热模钢，其使用寿命仅比3Cr3Mo3VNb钢制冲头略高一点，其性价比远不如3Cr3Mo3VNb钢。而现今在重庆等地3Cr3Mo3VNb钢模块毛坯单价并不高于3Cr2W8V钢。

（8）2013年山东某军工企业采用HM3钢制凹模模具（毛坯重170kg），用以生产04号深孔锻件，其寿命是原3Cr2W8V的3倍以上，3Cr2W8V的原寿命仅为300～400件，而HM3钢04号凹模寿命最低在1400件以上，最高的达到3600件。两种材质模具性价比较，每生产一万件04号锻件仅凹模就可以节约12万元成本。应该指出的是3Cr3Mo3VNb钢制模具在该厂之所以能达到如此之高的使用性价比，还有一个很主要的原因，那就是使用者在模具使用生产过程中，善于总结经验，正确选择该种材质模具在特定设备上生产特定产品的最佳硬度值，并在模具制造过程中的热处理工序上予以保证。同时，模具在工作应用过程中，正确使用脱模剂和冷却方式方法也是一大关键。只有这些方方面面均做好做到位，优质模具的潜力才能够得到极大发挥，正因山东这个厂把这一切都做好了，所以也就达到奇迹般的应用效果与性价比。

5.结语

尽管3Cr3Mo3VNb钢许多性能特征超过众多其他热模钢品种；尽管3Cr3Mo3VNb钢在生产实践中创造过许多优异的成绩或可称作奇迹；也尽管最近由国防工业出版社出版、中国锻压协会组织众多著名锻压专家教授编著的《锻造模具与润滑》一书，对3Cr3Mo3VNb钢特别赞赏有加而高于其他热模钢种。但是必须应该指出的是，与H13和3Cr2W8V等老钢种相比它毕竟是国内研制的一个新钢种，3Cr3Mo3VNb钢的应用范围还不广、时间也并不长，人们对它的认识、研究、生产制造及应用经验都远不如对H13和3Cr2W8V等老钢种熟悉。换句话说，3Cr3Mo3VNb钢从已经表现出来的成绩看是具有赶超国外某些品牌的潜力，但更大潜力在等待我们锻造与模具工作者去继续挖掘提高，把3Cr3Mo3VNb钢的研究、生产，以及应用都能较好地做到位，那么随着时间的推移，3Cr3Mo3VNb钢的应用面将会越来越广，也必将会给我国的热模锻事业作出更大贡献。

[1]许发樾，李崇豪，杨守义等.实用模具设计与制造手册[M].北京：机械工业出版社,2001.

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[3]赵一平.提高锻造模具的使用寿命.中国锻压协会《提高模具寿命》专题培训班资料，2004.

[4]王乐安、赵一平、高新等.锻造模具与润滑[M].北京：国防工业出版社，2010.