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模具被誉为工业之母，模具制备技术水平是衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。我国模具工业经过近30年的飞速发展，产业规模已跃居全球第一，模具行业年产值高达3500亿元，市场潜力巨大。由于起步较晚，我国模具产业的整体竞争力较发达国家仍显不足，主要体现在模具钢产品质量、模具加工技术与管理水平、生产效率、服务水平等方面。因此，目前我国模具产品仍以中低端为主，大型、精密、复杂模具严重依赖进口。 热锻模是一种在高温下通过冲击加压强迫金属成形的工具，由于锻件精度高、变形均匀等特点，在汽车工业和机械制造业领域得到广泛应用。随着高速、高强度、大吨位机械化加工成形设备发展和热锻工艺与锻件产品质量升级，对热锻模具的强韧性、耐磨性、红硬性、冷热疲劳性能要求越来越高。据统计，在众多模具失效的影响因素中，模具材料质量差和模具热处理工艺不当是引起的模具失效的最主要原因，约占总失效比例的70％。因此，热锻模具钢合理选材是提高热锻件产品质量、降低生产成本的必要手段。本文分析了热锻模具钢的使用工况、失效形式和性能要求，并对国内热锻模具钢产品发展现状及应用情况进行概述，为后续热锻模具钢的选材与产品研发提供参考依据。 热锻模具服役过程中，型腔表面与1100～1200℃的高温锻件接触，常被加热到400～500℃甚至更高。同时，在锻压过程中，型腔会受到比较高的压力和冲击负荷，以及高温金属对型腔的摩擦作用。要求模具材料要具有良好的综合力学性能，避免出现断裂、塌陷、磨损超差等早期失效，具体要求如下： 1）较高的高温强度和红硬性：防止模腔边缘塌陷和模腔变形。 3）高淬透性：保证锻模整个截面获得均匀、稳定的力学性能。 4）良好的耐热疲劳性和热稳定性：确保型腔表面在冷热交变作用下过早产生疲劳裂纹，引起模具断裂。 5）高耐磨性：防止模腔受到坯料磨损出现尺寸超差和表面划伤。 6）良好的导热性：便于锻模热量尽快传出，避免模腔表面温度过高降低硬度和强度。 根据锻造设备类型，热锻模具可分为锤锻模、压力机锻模、平锻模和辊锻模等，由于锻造工艺与使用工况不同，不同热锻模具对材料的性能要求略有差异。目前，我国常见热锻模具钢分为3大类：第一类，以5CrMnMo、5CrNiMo、4CrMnSiMoV为代表的中碳低合金热作模具钢，这类钢的合金化原理与中碳合金结构钢类似，属于低耐热高韧性钢；第二类，以H13、H11、H12为代表的铬系中合金热作模具钢，这类钢综合力学性能优异，通用性较强，属于中耐热韧性钢；第三类， 以4Cr3Mo3SiV(H10)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、3Cr3Mo3W2V(HM1)为代表的改进型热作模具钢，这类钢的高温强度、热稳定性、抗回火稳定性更高，更适应日益严苛的热锻行业发展，属于高耐热钢。作为上世纪八十年代广泛应用的钨系高耐热性热作模具钢，由于塑韧性差、成本高等问题，已逐渐被其他类型的热作模具钢替代。
5CrMnMo、5CrNiMo属于典型的第一代热作模具钢，该类钢铬含量在1％～2％ 范围，提高钢的强度和淬透性，由于合金含量较低，回火后碳化物数量不足，其热强性、抗回火稳定性和热稳定性较差，使用温度通常在500℃ 以下 。表1为国内典型的低耐热热作模具钢的化学成分。![]()
5CrMnMo 经850℃ 淬火、500℃ 回火后，硬度41～44HRC，抗拉强度1300～1500MPa，因其淬透性较低，过热敏感性稍大，常被用于制造受力较小的中小型锤锻模。5CrNiMo淬透性高于 5CrMnMo，在截面尺寸为300ｍｍ 的锻模制备过程中，模具全截面硬度比较均匀，硬度差在2HRC以内，常用于制作形状复杂、重载荷的中大型锻模。 5CrNiMoV是在5CrNiMo基础上，适当提高Cr和Mo含量，并加入0.10％～0.30％ 的Ｖ，其淬透性和高温强韧性均有明显提升，在相同使用条件下，5CrNiMoV 模具使用寿命比 5CrNiMo 提高50％以上。5CrNi2MoV与5CrNiMoV合金化机理相同，区别是5CrNi2MoV 的V含量稍低、Ni含量稍高，主要用于制作大型锻压模具。4CrMnSiMoV与5CrNiMoV相比，C含量降低到0.4％ ，提高Si、Mn含量，且不含Ni，其抗回火稳定性、抗热疲劳性能优于5CrNiMoV，高温韧性与5CrNiMoV相当，综合性能表现优异，适用于制作各类型锤锻模和压力机锻模。4Cr2NiMoV是在5CrNiMo基础上，通过降C提Mo、V的手段，提高淬透性和热稳定性，适于制作中大型锻模，据统计，4Cr2NiMoV的锻模寿命比5CrNiMo提高近1倍。 5Cr2NiMoVSi是一种强韧性较佳的热锻模具钢，与4Cr2NiMoV相比，适当提高Si、Mn含量，从而提高热稳定性和抗氧化性能，通过提高Mo、V含量来替代Ni，增强二次硬化效果，主要用于制作大截面机械压力机模具，5Cr2NiMoVSi制作的压力机锻模寿命比5CrNiMo至少提高50％。3Cr2MoWVNi中提高了Cr、Mo、V含量，同时加入了0.50％～0.80％ 的Ｗ，显著提高二次硬化效果；同时降低Ｃ含量至0.3％左右，确保模具在具有高强度和高耐磨性前提下，获得良好的韧性，属于高寿命压力机锻模，同等模具寿命比5CrNiMo提高1倍以上 。 Ｈ１３、Ｈ１１、Ｈ１２ 属于典型的第二代热作模具钢，这类钢的铬含量约为５％ ，其他合金元素主要为Ｍｏ、Ｖ、Ｗ 等。铬系热作模具钢具有良好的综合力学性能和加工性能，是目前国内外最成熟的热作模具钢，广泛用于热锻和有色金属压铸、挤压等各种加工领域。由于钢中含有8％ 的合金含量，使其具有抗回火稳定性和热稳定性，使用温度可提高到600℃ ，最佳使用温度在550℃ 以下，属于通用型中耐热热作模具钢。表2为国内典型的铬系中合金热作模具钢的化学成分。![]()
4Cr5MoSiV1钢类似于美标H13钢，总合金含量约为8％ ，属于过共析钢，材料在凝固后期由于选分结晶，在枝晶间存在共晶碳化物，这种成分偏析如在后续锻造及热处理过程中控制不当，常出现带状偏析严重、碳化物沿晶析出等组织缺陷，影响模具寿命。4Cr5MoSiV1钢具有良好的综合力学性能，可根据不同模具使用要求，通过工艺设计实现38～58ＨＲＣ硬度可调，是目前应用最广泛的热作模具钢，在热锻模领域适合制作冲击载荷较大的压力机锻模、锤锻模和精锻模。4Cr5MoSiV钢类似于美标H11钢，其V含量稍低于4Cr5MoSiV1钢，减轻了成分偏析倾向，与4Cr5MoSiV1钢相比，其高温韧性有所提高，高温强度和耐磨性略有降低，适合制作形状复杂的大截面锻模。4Cr5MoWVSi钢与美标H12钢相当，在4Cr5MoSiV基础上加入1.10％～1.50％ 的Ｗ，显著提高了热强性、红硬性和热稳定性，适合制作快速锤锻模和镦锻模。4Cr5W2VSi钢是在4Cr5MoWVSi钢基础上，高V和W含量，来替代Mo含量，增强二次硬化作用。与4Cr5MoSiV1钢相比，4Cr5W2VSi钢高温强度和红硬性占优，塑性韧性略差，抗回火稳定性相当，适合制作快速锤锻模和热顶锻模具。 3Cr3Mo3VNb(HM3)、3Cr3Mo3W2V(HM1)、4Cr3Mo3VSi(QRO90)属于典型的第三代热作模具钢，主要特点是在H13类热作模具钢基础上提高Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ 等合金含量、降低Ｃ含量，从而确保模具在具有一定塑韧性基础上，提高高温强度、抗回火稳定性和抗冷热疲劳性能，模具使用温度可提高至650～700 ℃ 。表３为国内典型的改进型热作模具钢的化学成分。![]()
4Cr5Mo2V与瑞典乌徳霍姆公司ＤＩＥＶＡＲ 钢成分相近，是 4Cr5MoSiV1的改进型钢，Ｍｏ含量的提高进一步改善抗回火稳定性和抗热疲劳性。在1030℃ 油淬、600℃ 二次回火的调质处理后，4Cr5Mo2V 和4Cr5MoSiV1硬度相近， 均为46～47ＨＲＣ，而冲击韧性4Cr5Mo2V 要比4Cr5MoSiV1高出30％ ，适合制作冲击载荷较大的压力机锻模、锤锻模和精锻模。４Ｃｒ３Ｍｏ２ＭｎＶＢ（ＥＲ８）是我国在乌徳霍姆公司ＱＲＯ８０ 基础上开发而成，加入微量Ｂ元素，大大提高材料的淬透性，提高Ｍｎ 含量，有助于在模具高韧性条件下提高强度，因其具有较高的抗热疲劳性和抗氧化性能，适合制作各类中小型压力机锻模。 ４Ｃｒ３Ｍｏ３ＳｉＶ 类似于美标Ｈ１０ 钢，其性能介于Ｈ１３ 和３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ 之间，即韧性优于３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ 而低于Ｈ１３，抗回火稳定性和热稳定性低于３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ而优于Ｈ１３，适合制作高速精锻模和热镦锻模。 ３Ｃｒ３Ｍｏ３ＶＮｂ（ＨＭ３） 是我国针对航空工业自主研发的高耐热热锻模具钢，钢中加入微量Ｎｂ，提高了抗回火稳定性和强韧性，是难变形合金钢和高温合金理想的热锻模具，在连杆辊锻模和小型机锻模领域，使用寿命远高于３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ 钢 。 ３Ｃｒ３Ｍｏ３Ｗ２Ｖ（ＨＭ１）是在３Ｃｒ３Ｍｏ３Ｖ 基础上，加入１.２０％ ～１.８０％ 的Ｗ，开发出的高强高韧热作模具钢。由于钢中碳化物形成元素较多，易出现沿晶析出的碳化物链，造成模具早期失效，在截面尺寸大于１００ ｍｍ 的锻材上更为明显。 ３Ｃｒ３Ｍｏ３Ｗ２Ｖ（ＨＭ１）的热稳定性和抗冷热疲劳性能较佳，适合制作小型机锻模和辊锻模，使用寿命较３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ 提高１ 倍以上。 ５Ｃｒ４Ｗ５Ｍｏ２Ｖ（ＲＭ２）属于基体钢，含有１２％ 的合金元素，碳化物主要为Ｆｅ３Ｗ３Ｖ，热强性极高。经１ １３０ ℃ 油淬、６５０ ℃ 回火后，硬度仍高达４７ＨＲＣ；经７００ ℃回火后，硬度可维持在４０ＨＲＣ，适于制作小型精锻模和平锻模，使用寿命较３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ 提高２ ～３ 倍。 ４Ｃｒ３Ｍｏ２ＮｉＶＮｂＢ （ＨＤ） 是在４Ｃｒ３Ｍｏ２Ｖ 基础上加入０.１５％ Ｎｂ 和１.０％ Ｎｉ，开发出的专为适应７００ ℃ 左右工作温度的高强高韧热作模具钢，Ｎｂ 在钢中可形成稳定碳化物ＮｂＣ，起到细化晶粒、增强二次硬化效果作用，其作用机理与Ｖ 元素相同；Ｎｉ主要作用是细化晶粒，提高钢的塑性；微量Ｂ 可提高钢的淬透性，进而提高高温强度和热稳定性。 ４Ｃｒ３Ｍｏ２ＮｉＶＮｂＢ（ＨＤ）的高温强韧性、抗冷热疲劳性和热磨损性能均优于３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ，适于制作高强螺栓镦锻模和轴承套圈精锻模，使用寿命较３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ提高２ 倍以上。 近年来，随着新能源汽车和机械制造业飞速发展，热锻行业发展也进入了快车道。常见的热锻模具钢不能满足日益严苛的定制化模具使用要求，亟需在原有热锻模具钢成分基础上，通过优化合金配比、微合金化等手段，开发满足特定使用工况的新型热锻模具钢。
燕山大学以５ＣｒＮｉＭｏＶ 为基础，通过降Ｃ、降Ｖ、提Ｍｎ 的合金化手段，开发了一种低成本热作模具钢ＺＷＴ４，用于犁铲热锻模具，模具使用寿命较５ＣｒＮｉＭｏＶ 提高了３０％ ，生产成本降低４０％ ，具有较大的应用潜力。 上海大学先进模具材料及表面处理课题组开发的新型高强韧热锻模具钢ＤＭ 钢， 成分参照３Ｃｒ３Ｍｏ３Ｗ２Ｖ（ＨＭ１）钢，采用低Ｃｒ、低Ｓｉ、高Ｍｎ 的合金化设计，降低成分偏析和高温脆性，提高材料热稳定性、抗冷热疲劳性和抗磨损性，利用有限元软件模拟计算，ＤＭ 钢热锻模具寿命是Ｈ１３ 钢的两倍、是３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ 的３ 倍，性能优势明显。除此之外，该课题组还针对不同热锻工况开发了ＳＤＨＮＢ、ＳＤＨ２、ＳＤＤＭ 等多个热锻模具钢， ＳＤＨＮＢ 添加０． ０１％ 的Ｎｂ 元素，热强性和抗回火稳定性更高，适于制作连杆辊锻模、精锻模、小型压力机锻模；ＳＤＨ２是在３Ｃｒ３Ｍｏ３Ｗ２Ｖ（ＨＭ１）钢基础上，采用降Ｓｉ、提Ｗ 的合金化手段，进一步提高高温强度和红硬性，降低成分偏析，适于制作小型高温热锻模具，使用寿命是Ｈ１３ 的两倍以上；ＳＤＤＭ 钢参照４Ｃｒ５Ｗ２ＶＳｉ钢，采用低Ｓｉ 高Ｍｎ、降Ｃｒ 加Ｍｏ 的合金化手段，提高了热稳定性和耐磨性，在工作温度超过６００ ℃ 的热锻模领域，可替代３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ 钢。 钢铁研究总院自主开发的６Ｃｒ４Ｗ２Ｍｏ３Ｖ１Ｃｏ３钢，属于高热强性热作模具钢，通过调整Ｍｏ＋ Ｗ 的合金总量和元素配比，控制碳化物类型，提高固溶与二次硬化效果，从而获得高的高温强度、良好的抗冷热疲劳性和热稳定性，适合制作受较小冲击载荷的小型机锻模和精锻模。 大冶特钢自主开发了一种无钴析出硬化型热作模具钢２Ｃｒ３Ｍｏ２ＮｉＶＳｉ（ＰＨ），经１ ０１０ ℃ 淬火和３７０ ～４００ ℃ 回火，硬度在４５ＨＲＣ，模具使用过程中表层发生析出硬化，硬度可提高至４８ＨＲＣ，提高模具耐磨性。适于制作机械连杆、齿轮等精锻模，使用寿命优于Ｈ１１ 钢。 钢铁研究总院和抚顺特钢合作开发了新型高热强性热锻模具钢５Ｃｒ４ＮｉＭｏ２ＶＣｏ，添加Ｎｉ、Ｃｏ 等非碳化物形成元素，增强固溶强化效果，提高高温强度，该钢的抗回火稳定性和耐磨性较高，适于制作温度较高、冲击载荷较小的热锻模具，使用温度可达６５０ ℃ 。 目前国内热锻模具钢的理论研究和质量水平已达到较高水平，也形成了多个热锻模具钢产品系列。 随着锻压设备升级和工艺革新，对热锻模具钢的高温性能和质量稳定性的要求越来越高，促使热锻模具钢向高耐热、高强韧、高耐磨方向发展。因此，利用Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｏ 等元素进行合金化设计，开发高热强性热作模具钢是今后热锻模领域发展的必要趋势。针对热锻行业发展趋势和高热强性热作模具钢产品特点，提出以下３ 点建议： （１）成分设计方面，深入分析模具使用工况和失效形式，借鉴现有热锻模具钢成分体系，利用热力学模拟软件进行成分优化，减少试验成本，提高材料研发效率。 （２）质量控制方面，高热强性热作模具钢的合金含量高，成分偏析严重，应充分采用电渣重熔、均质化、多向锻造和超细化处理等工艺手段，合理设计工艺参数，避免出现大块液析碳化物和碳化物链状分布等组织缺陷。 （３）模具应用方面，提高应用服务水平，精准提供模具热处理、模具使用和模具修复的方法推荐，解决使用问题的同时，拓宽模具新材料开发思路。免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。但因转载众多，或无法确认真正原始作者，故仅标明转载来源，如标错来源，涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商版权问题或删除内容！
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