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鈮在模具鋼中的應(yīng)用
1.模具鋼的市場(chǎng)應(yīng)用
模具是一種實(shí)現(xiàn)少加工,、無切削加工的重要工藝裝備。模具成型現(xiàn)在應(yīng)用廣泛,，家電行業(yè)80%的零件,、機(jī)電行業(yè)70%的零部件均采用模具成型。凹塑料,、橡膠,、陶瓷、建材,、耐火材料制品大部分也依靠模具成型,，因此，模具的質(zhì)量性能,、制造精度直接關(guān)系到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量,。
現(xiàn)代加工工藝的發(fā)展采用許多高效壓力加工設(shè)備。壓力機(jī)逐漸取代了鍛鍾,，少,、無切削工藝和精密成型技術(shù)有了迅速發(fā)展，原用模具鋼的性能常不能滿足服役條件對(duì)性能的高要求,，影響了模具的使用壽命和壓力加工新工藝新設(shè)備的推廣應(yīng)用,。因此要研究和開發(fā)綜合性能優(yōu)異的新一代模具材料適應(yīng)飛速發(fā)展的模具制造業(yè)的需求。
模具鋼受服役條件的限制,，對(duì)鋼材的強(qiáng)韌性要求較高,，晶粒的細(xì)化和強(qiáng)化以及控制碳化物的彌散析出是提高模具鋼性能的重要手段。鈮是微合金化的主要合金化元素之一,，近年來含鈮模具鋼新鋼種已發(fā)展到各個(gè)領(lǐng)域并取得較好的成效,。
2. 鈮在熱作模具鋼中的應(yīng)用
熱作模具鋼用于制造將加熱到再結(jié)晶溫度以上的金屬或金屬液壓制成工件的模具間，如熱鍛模,、熱鐓模,、熱擠壓模、壓鑄模和高速成形模等,。
模具長(zhǎng)時(shí)間在反復(fù),、急冷急熱條件下服役，溫度一般在300 -700℃之間，要求能穩(wěn)定地保持各種力學(xué)性能,，特別是熱強(qiáng)性,、熱疲勞性能和韌性,。
研究了形變熱處理對(duì)AISIHI3模具鋼顯微組織的影響,，對(duì)比分析了含Nb與不含Nb的H13模具鋼顯微組織與硬度之間的關(guān)系，利用光學(xué)與電子顯微技術(shù),，發(fā)現(xiàn)形變熱處理過程中的變形引起高密度位錯(cuò),、碳化物析出等組織變化，從而影響該鋼的硬度,。結(jié)果顯示,，以Nb部分代替鋼中的V并不會(huì)給鋼的硬度帶來顯著變化。
QDH是日本最近開發(fā)的含Nb熱作模具鋼,，較之H13鋼具有更高的高溫硬度,、抗軟化能力和冷、熱疲勞抗力,，其沖擊韌性亦稍高于H13鋼,。
在加工重有色金屬如銅時(shí)，往往需要使用高合金化的熱作模具鋼,。在這類鋼中,，BohlerW335采用了Nb微合金化技術(shù)，其化學(xué)成分見表1,，由于該鋼中加入了Nb,，故可以在高達(dá)1080℃溫度下進(jìn)行奧氏體化，從而保證了高于600℃下使用的優(yōu)良的熱強(qiáng)性,。
Carpenter Technology報(bào)道過,，為擠壓汽車閥“Thermowear"具有比更高合金的AISIH19鋼高出一倍的壽命，加Nb到"Thermowear""中是為了形成耐磨碳化物,，該鋼加熱到1100℃的奧氏體化溫度,，晶粒不粗化。
為了尺寸穩(wěn)定性,、抗氧化性,、近終形及取消隨后的熱處理，溫鍛比淬火回火鋼更獲得承認(rèn),。VTM是由Vcos Villaes(巴西)開發(fā)的一種能滿足溫鍛所需強(qiáng)度,、韌性和耐磨性工具鋼，與M2鋼相比,，在回火硬度相同的情況下(HRC57~62),， 該鋼的沖擊韌性值要高于M2鋼4~5倍。
為了適應(yīng)壓力加工新工藝、新設(shè)備對(duì)模具鋼在強(qiáng)韌性和熱穩(wěn)定性方面更高的要求,，國內(nèi)研制了不少新型含Nb熱作模具鋼,，其合金成分見表2, 3Cr3Mo3VNb (HM3)是在25Cr3Mo3VNb鋼和國外35Cr3Mo3V鋼基礎(chǔ)上研制而成的中碳鉻系高強(qiáng)度熱作模具鋼，鋼中加入3%左右的Mo,，既提高該鋼的淬透性和防止回火脆性,，又能提高鋼的熱穩(wěn)定性，見表2,。加入V和Nb則可起到細(xì)化晶粒,、降低鋼的過熱敏感性的作用。因此,，該鋼的淬透性高,、淬火加熱溫度范圍寬、過熱敏感性低,，具有高溫強(qiáng)度高,、熱穩(wěn)定好、塑韌性好,、冷熱疲勞性能好,、熱磨損性能好等優(yōu)點(diǎn)，用于制造不銹鋼(2Cr13) 等熱鍛模,、軸承凹模和輥鍛模,，都取得了良好的使用效果。
表1 國內(nèi)外部分含Nb熱作模具鋼的化學(xué)成分
表2 3種熱作模具鋼的650℃回火穩(wěn)定性
4Cr3Mo3W4VNb (代號(hào)GR)鋼除Cr,、Mo,、V和Nb外，又加入了4%W,，所以該鋼的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性得到了進(jìn)步提高,，是中碳鉻系熱作模具鋼中高溫強(qiáng)度較高、熱穩(wěn)定性較好的鋼種,。
針對(duì)銅合金壓鑄模具使用溫度較高(≥800℃),，模具的使用工況較苛刻。用3Cr2W8V或H13鋼制作此類模具,，壽命一直很低,。 國內(nèi)曾試圖采用奧氏體熱作模具鋼來解決問題，但因鋼的冷熱疲勞性能較差而仍未能得到圓滿解決,，為此國內(nèi)有關(guān)研究所又推出4Cr3Mo2NiVNbB (代號(hào)HD),、4Cr3Mo2MnVNbB (代號(hào)Y4)等鋼種，并通過在中碳Cr3-Mo2或Cr3-Mo3型基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整合金成分,，進(jìn)一步提高了鋼的塑韌性,。在相同硬度下(HRC43),其斷裂韌性比3Cr2W8V鋼高30%，使用壽命提高一-倍以上。
5Cr4W4MoVNb (代號(hào)JM)和50Cr4W3Mo2VNb (代號(hào)50Nb)均為基體鋼類型的精鍛,、熱擠壓模具用鋼,。精鍛齒輪可實(shí)現(xiàn)以鍛壓代替機(jī)械加工成型齒形，可大大提高錐齒輪的生產(chǎn)效率,，是實(shí)現(xiàn)無切削加工齒輪的重要發(fā)展方向,。
為適應(yīng)高速錘鍛模對(duì)強(qiáng)韌性能的要求，研究者還研制出如6W5Mo4Cr4VNbTi (代號(hào)R6),、6Cr4W6MoAISiVNiNb (代號(hào)B501)等以M2類型為基體的含Nb熱作模具鋼,。
有些模具的工作溫度超過700℃，有時(shí)高達(dá)800℃或更高,，上述馬氏體形鋼不能滿足要求，此時(shí)可使用高溫合金,。高溫合金Ni含量較高,，價(jià)格昂貴，加工性能差,。對(duì)此我國開發(fā)了一些含Ni量低的CrMnNi系奧氏體型熱作模具鋼,。其中AH鋼含Nb0. 25%，經(jīng)1150℃固溶處理后700℃時(shí)效6h,，硬度為HRC44, 800℃時(shí)效 6h,硬度仍保持在HRC37,。這主要是由于晶內(nèi)析出的MC強(qiáng)化相穩(wěn)定性高，不宜粗化,， 從而提高了晶粒的粗化溫度,、提高了鋼的高溫強(qiáng)度、減少了沿晶斷裂的傾向,、增加高溫塑性,。這類鋼適合制作不受急冷急熱、工作溫度高達(dá)800℃的熱作模具,。
3.鈮在冷作模具鋼中的應(yīng)用
冷作模具鋼用于金屬或非金屬材料的沖裁,、拉伸、彎曲,、冷擠,、冷鐓、滾絲,、壓彎等工序,，要求模具具有高強(qiáng)度、高耐磨性和足夠的韌性,，以保證相當(dāng)?shù)哪陀枚?。為了保證模具有高硬度和高耐磨性，冷作模具鋼的含碳量一般在0.6%以上。
鈮在冷作模具鋼中的應(yīng)用,，如冷軋機(jī)的軋輥用鋼,，成分大約為0.8%C、2%Cr,、0.5%Mo,、0.2%V。為了獲得高的表面硬度和淬硬硬度,，用約0.10%Nb微合金化,，可以保證在1000個(gè)的固溶溫度下，還有穩(wěn)定的碳化物存在,，由此改善了淬透性,，減少了殘余奧氏體量，減少了由于剝落而導(dǎo)致的損壞,，這些微合金化冷軋輥的性能比未經(jīng)微合金化的輥至少提高20%,，已成為的產(chǎn)品。
對(duì)于要求高耐磨性,、高疲勞強(qiáng)度的冷作模具鋼一般選用萊氏體鉻鋼,。最近開發(fā)了一種新型冷作模具鋼BohlerK340,其化學(xué)成分為1.1%C、8.3%Cr,、2.1%Mo,、0.5%V、1%AI和1.0%Nb,。由于它的彌散碳化物的分布,，使鋼材具有良好的韌性，減少了工具的損壞,，該鋼的沖擊韌性比12%Cr鋼高出幾乎3倍,，另外還具有高硬度和較好的抗軟化性能，可進(jìn)行氮化等表面處理,，良好的耐磨性,、電火花加工性及低粗糙度，該鋼保證了許多用途所需要的良好性能,，特別是剪刀片和打印工具,。
為提高模具的綜合性能，兼顧冷,、熱作模具鋼的優(yōu)點(diǎn),，國內(nèi)外開發(fā)出批改型的 M2高速鋼系列鋼種，如HSSBohlerS620,其基體成分為1.1%C,、4.3%Cr,、6.4%W,、5%Mo、1.9%V及1.1%A1, 并用0.07%Nb微合金化,，主要用于加工鎳合金或鈦合金,，性能比高合金牌號(hào)M42或含9-10%Co的T42鋼好，而且更為經(jīng)濟(jì),。
65Cr4W3Mo2VNb鋼(代號(hào)65Nb)是國內(nèi)研制的一種含Nb冷作模具鋼,，它是以W6Mo5Cr4V2高速鋼為母體，在其淬火基體成分基礎(chǔ)上適當(dāng)增加含碳量并用少量鈮(0.25~0.35%Nb)微合金化的一種改型基體鋼,。
該鋼利用NbC在鋼中的溶解溫度比VC(1050℃)高,，大約1150℃以上開始溶解，并且還能部分溶解在Cr,、W,、Mo等的碳化物中，提高其穩(wěn)定性,，顯著細(xì)化晶粒,，降低淬火基體中的溶碳量，大大恢復(fù)了由于碳含量高而受損的基體韌性,。該鋼淬火后回火時(shí)以MC和M2C型碳化物彌散析出，促成強(qiáng)烈的二次硬化效果,，65Nb鋼的韌性比母體高速鋼W6Mo5Cr4V2和高碳高鉻鋼都有大幅度提高,，見表3。
在單位壓力低于2450MPa的冷擠,、冷鐓模具上應(yīng)用時(shí),，使用壽命比高速鋼和高碳高鉻鋼成倍提高。加鈮還可以改善鋼的工藝性能,，使鍛造時(shí)的變形抗力減小,，退火時(shí)易于球化，熱處理加熱溫度范圍寬,，操作方便易于掌握,。65Nb鋼在我國已大量推廣應(yīng)用，并列入我國合金工具鋼標(biāo)準(zhǔn)GB1299-2000,。
表3 65Nb鋼與高速鋼Cr12MoV鋼的強(qiáng)韌性對(duì)比
4.鈮在塑料模具鋼中的應(yīng)用
塑料成型用模具的產(chǎn)值已在模具工業(yè)總產(chǎn)值中躍居,。根據(jù)塑料產(chǎn)品品種在性能上的差異及制品的形狀、尺寸,、質(zhì)量,、精度要求，模具材料應(yīng)具備適當(dāng)?shù)木C合力學(xué)性能,、較好的耐磨性,、良好的切割加工性能,、拋光性能、花紋圖案光蝕性能,、耐蝕性及焊接性能,。
塑料模具鋼在國內(nèi)發(fā)展的較為滯后，到目前為止國內(nèi)還未形成完整系列的鋼種,。在上世紀(jì)九十年代之前,，國內(nèi)常用的塑料模具鋼仍然是含0.4-0.6%℃的碳素結(jié)構(gòu)鋼，如45號(hào)鋼與40Cr鋼等,，另以T10A,、GCr15、 CrWMn,、5CrNiMo,、 5CrMnMo、 Cr12,、 Cr12MoV 等作為補(bǔ)充,。近年來國內(nèi)外先后開發(fā)了一些新型塑料模具鋼，如預(yù)硬化塑料模具鋼,、時(shí)效硬化型塑料模具鋼,、非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼、耐蝕塑料模具鋼等,。
17-4PH和PCR是兩種新研制的屬于馬氏體沉淀硬化型耐蝕塑料模具鋼,，其中含Nb約0.3%。PCR經(jīng)1050℃固溶后淬火獲得單一板條馬氏體,，硬度為HRC32-35,可進(jìn)行切削加工,。該鋼經(jīng)460-480℃時(shí)效后，硬度升至HRC42-44,，變形率為0.04-0.05%,，并具有較好的綜合力學(xué)性能和良好的抗蝕性，適于制造含氟,、氯的塑料成型模,。
5.結(jié)束語
(1)鈮在模具鋼中的應(yīng)用已取得明顯效果，鈮在鋼中可形成彌散穩(wěn)定的碳化物,，細(xì)化晶粒,，促進(jìn)二次硬化效應(yīng)，從而改善鋼材的強(qiáng)韌性,、提高鋼材的綜合力學(xué)性能,、增加模具的使用壽命。
(2)從國內(nèi)外的文獻(xiàn)報(bào)道中可以看出:鈮在模具鋼中的應(yīng)用還處于初始階段,。鈮在模具鋼中的作用,、強(qiáng)化機(jī)制,、形成過程還處于定性的研究階段，因此要開發(fā)研制高性能新代模具鋼產(chǎn)品,，還需進(jìn)行深入細(xì)致的研究工作,。
(3)模具鋼涉及的合金成分范圍較寬，涵蓋了從低合金----中合金--高合金,，含碳量從低碳--中碳一高碳的成分范圍,。而迄今國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道的含鈮鋼的成分范圍較窄，高碳高鉻型冷作模具鋼,、中碳低合金塑料模具鋼幾乎未見相關(guān)報(bào)導(dǎo),。因此我們認(rèn)為急需繼續(xù)拓寬鈮在模具鋼中的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)出新型含鈮模具鋼,。
(4)建議從量大面廣的模具鋼品種入手,，開展鈮在模具鋼中的應(yīng)用研究，以提高我國模具用鋼的整體水平,。