研究提高热作模具钢性能的新技术运用分析

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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。
( J6 ^  ~2 a/ {    热作模具钢钢种的发展
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3 w# X9 U3 t4 R1 h    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：第一，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。

0 s: g: \% G: W4 L    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。
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    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。

( I, P, N% i/ ?4 h; T, m    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
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    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。
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' h  y# {$ Q  M* b  S- b( j    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。