研究提高热作模具钢性能的新技术运用分析

    热作模具的工作条件极为恶劣复杂，都是直接与加热的坯料甚至液态金属相接触，并且在服役过程中不仅要被反复地加热和冷却，而且还要受到冲击载荷的作用，因此对热作模具钢的性能有极为苛刻的要求。当前热作模具钢的发展日新月异，国外开发出了许多性能优异的新钢种，许多新技术和新工艺在模具钢的冶炼和热处理过程中的应用极大地提高了模具钢的质量和性能。

    热作模具钢钢种的发展

    传统上热作模具用钢主要是5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V这3个钢种。其中，5CrMnMo和5CrNiMnMo主要用于中小锻模，对于更大截面或更高温度的热锻模，这两种钢的淬透性和淬硬性都达不到要求，热稳定性也差。基于传统热锻模具钢在性能上存在不足，按照合金化成分设计原理，有关人员在5CrNiMo钢的基础上研制开发出一些新型的钢种。新钢种与传统钢种相比较，淬透性和热稳定性明显得到提高。

    由于铸造模具与普通机械加工制造的模具相比具有多方面的优越性，国外非常重视其发展。为了提高铸造热锻模具钢的性能，目前研究主要集中在两个方面：，优化模具钢合金元素成分；第二，对现行的铸造热锻模具钢进行变质处理。

    3Cr2W8V钢广泛用于黑色、有色金属热挤压模具和Cu、Al合金的压铸模具，这种钢的热稳定性好，使用温度达650摄氏度，但钨系热作模具钢的导热性能差，导致其冷热疲劳性能差，模具使用寿命不长。当前实际生产对热挤压和压铸模具用钢性能的要求越来越高。为了适应这种变化，提高热作模具钢的性能，国外的研究工作者经过多次研究试制后，相继研发了一些综合性能较好的热作模具钢。

    从当前的研究状况来看，国外的研究者主要是基于H13、3Cr3Mo3V这两种在国外应用较广的钢种从优化模具钢的成分、改进模具钢的生产工艺流程两个方面发展新的钢种，提高热挤压和压铸模具钢的性能，形成了一批性能优良的新钢种。

    为了提高H13热作模具钢的性能，世界各国通过调整优化合金成分研发了许多新型钢种。当前H13钢成分优化有两种趋势：一是低Si高Mo的合金化途径；二是加入Nb微合金化的方法，Nb的适量加入(0.07%)可以起到细化晶粒、提高热稳定性和热疲劳性能的作用。

    近年来，在3Cr3Mo3V钢的基础上国外研制了一些强韧性和热稳定性都比较好的热作模具钢，较有代表性的有瑞典的QR090M、日本的QDH、德国的GS999等，这些钢都具有较好的高温性能和冷热疲劳性能。

    新技术和新工艺的发展对模具提出了更严格的要求，一些普通热作模具钢已不能满足其要求，必须采用特殊性能钢种制作热作模具，才能使模具达到其技术要求并延长其使用寿命。这类特殊性能热作模具钢主要有基体钢、析出硬化钢、奥氏体型热作模具钢等。

    新技术在提高模具钢质量上的应用

    对模具钢而言，提高其纯净度已经成为提高模具性能和延长寿命的重要手段。提高钢材的纯净度主要是指控制钢中有害元素的含量，通过降低P、S含量可明显提高材料的冲击韧性和热疲劳性能，并改善材料的等向性能；H、N、O对钢材的性能也有诸多有害的影响，降低这些元素的含量对改善和提高钢材的性能是十分有利的。目前往往采用真空精炼、电渣重熔、保护气氛重熔、真空自耗等先进的冶炼工艺来提高模具钢的冶炼质量。各种精炼技术的应用提高了钢的纯净度，极大地降低了钢中的夹杂物和偏析，并改善了夹杂物的形态。

   为提高模具钢的质量，除了追求高的纯净度外，更需要微观组织的均匀细小，特别是对模具钢中碳化物的有效控制。为了实现这一目的，一些新的工艺技术被采用。比如为了改善H13钢偏析从而减少一次碳化物，广泛采用高温扩散退火方法，该方法的应用同时也使二次碳化物成球形分布在铁素体的基体上，所有这些都提高了H13钢的横向冲击韧性。为了改善H13钢的等向性能则采用等向锻造工艺，使其横向的塑性和韧性均得到很大提高。

    现代计算机技术的应用使模具钢的研究开发取得了长足的进步，也使新钢种的研发周期加快。比如，应用大型商业化软件Thermo-cale研究开发了Nb微合金化热作模具钢，有效提高了钢的热疲劳性能。利用计算机技术对热加工工艺过程进行模拟，从而开发出先进的热加工工艺也是当前计算机技术在提高模具钢质量方面的一个重要应用。采用有限元分析软件对热连轧过程的金属三维流动进行了有限元模拟，从而确定了安全可行的轧制方案。将计算机和实验结合起来解决实际生产问题，可消除传统实验方法中存在的感性因素，减少盲目性，使新钢种的开发和新工艺的制定向理性化、科学化、高效化发展，从而节省大量的研究经费、时间和人力。

    模具钢热处理技术的进展

    高温淬火工艺。随着淬火温度的升高，H13钢的热强性、断裂韧性和热疲劳抗力明显改善。基于这种原因，人们发展了高温淬火工艺。用高温淬火和高温回火代替普通球化退火，然后再进行普通的淬火和回火。这种工艺既是双重淬火工艺，又能在几乎不降低冲击韧性的前提下得到大的断裂韧性，硬度也高于普通热处理。

    强烈淬火技术。虽然强烈淬火的冷却速度极快，但可避免开裂，减少畸变，显著提高钢的力学性能，延长零件使用寿命，而且在许多情况下，强烈淬火技术还有节能、高效、环保等效果，是一种前景广阔的热处理技术。

    深冷处理。深冷处理是常规热处理的延伸，是以液氨为制冷剂在低于零下130摄氏度的温度下对材料进行处理的方法。该方法能够改变材料的力学性能，可在不降低材料强度和硬度的情况下，显著提高材料的韧性。近年来，国外已对深冷处理进行了广泛的研究，并在工模具上不断得到应用，处理过的工模具使用寿命明显延长，但在工艺的稳定性和对某些材料的作用机理方面的研究还不够深入，阻碍了深冷处理在工业上的应用。

    模具钢的表面处理技术及其进展

    表面渗氮。目前对渗氮的研究主要集中在等离子渗氮上。气体渗氮、盐浴渗氮等传统工艺尽管在工业上已经取得了较好的应用，但由于这些传统工艺所用材料往往具有易爆炸性、有毒性，在实际应用中会对工人和环境造成伤害，从而限制了这些传统工艺的应用。等离子渗氮就没有气体盐浴渗氮工艺的不利因素，而且可以避免复合层即白亮层的形成和保证扩散层的质量。

    激光表面处理。高能束表面强化技术的特点是加热速度快、工件变形小、不需冷却介质、可控性能好，便于实现自动化控制，在高能束表面强化技术中尤以激光表面处理的研究应用多。目前对激光表面处理的研究主要是利用这种技术的可控性好、对基体影响小的特性，结合其他技术进行某些新工艺的开发研究。比如，利用激光表面处理技术进行功能梯度材料的设计并应用在模具上，从而提高模具的性能。还有人把激光表面处理技术与仿生学相结合，在材料表面进行激光仿生耦合设计，从而提高材料的表面性能。

    除此之外，对激光表面处理进行数学模拟也是目前研究的一个热点。这方面的研究，一方面是基于实际的激光表面处理，由于涉及的参数很多，因此必须确定一个优的工艺，这就需要一个数学模型来帮助预测优的工艺参数；另一方面运用数学模型可以使人们对终结果的相互影响有更好的理解。

    表面气相沉积强化。气相沉积分为化学气相沉积和物理气相沉积。这方面的研究主要是在模具表面形成一层陶瓷涂层，但是应用陶瓷涂层的大问题在于陶瓷涂层在热膨胀性能上与模具钢基体不匹配，这会造成涂层的早期开裂。在陶瓷涂覆前进行等离子渗氮是增强陶瓷涂层与基体结合力的有效方法，对延长热作模具寿命的效果显著，得到广泛的研究。鉴于各种陶瓷涂层，无论是单层还是多层或与渗氮复合，都会不可避免地产生与基体热膨胀性能的差异，所以其对模具热疲劳性能的影响是无法避免的。因此，有人提出设计一种复合涂层系统。复合涂层系统除了使压铸模表面具有抗焊合、抗熔损、耐氧化、耐磨损等功能外，大的特点是减少了热量向模具的传递，减缓了模具的温度变化，增强了模具钢的热疲劳抗力。

    结论

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