铌在模具钢中的应用

1.模具钢的市场应用

模具是一种实现少加工、无切削加工的重要工艺装备。模具成型现在应用广泛，家电行业80%的零件、机电行业70%的零部件均采用模具成型。凹塑料、橡胶、陶瓷、建材、耐火材料制品大部分也依靠模具成型，因此，模具的质量性能、制造精度直接关系到工业产品的质量。

现代加工工艺的发展采用许多高效压力加工设备。压力机逐渐取代了锻锺，少、无切削工艺和精密成型技术有了迅速发展，原用模具钢的性能常不能满足服役条件对性能的高要求，影响了模具的使用寿命和压力加工新工艺新设备的推广应用。因此要研究和开发综合性能优异的新一代模具材料适应飞速发展的模具制造业的需求。

模具钢受服役条件的限制，对钢材的强韧性要求较高，晶粒的细化和强化以及控制碳化物的弥散析出是提高模具钢性能的重要手段。铌是微合金化的主要合金化元素之一，近年来含铌模具钢新钢种已发展到各个领域并取得较好的成效。

2. 铌在热作模具钢中的应用

热作模具钢用于制造将加热到再结晶温度以上的金属或金属液压制成工件的模具间，如热锻模、热镦模、热挤压模、压铸模和高速成形模等。

模具长时间在反复、急冷急热条件下服役，温度一般在300 -700℃之间，要求能稳定地保持各种力学性能，特别是热强性、热疲劳性能和韧性。

研究了形变热处理对AISIHI3模具钢显微组织的影响，对比分析了含Nb与不含Nb的H13模具钢显微组织与硬度之间的关系，利用光学与电子显微技术，发现形变热处理过程中的变形引起高密度位错、碳化物析出等组织变化，从而影响该钢的硬度。结果显示，以Nb部分代替钢中的V并不会给钢的硬度带来显著变化。

QDH是日本最近开发的含Nb热作模具钢，较之H13钢具有更高的高温硬度、抗软化能力和冷、热疲劳抗力，其冲击韧性亦稍高于H13钢。

在加工重有色金属如铜时，往往需要使用高合金化的热作模具钢。在这类钢中，BohlerW335采用了Nb微合金化技术，其化学成分见表1，由于该钢中加入了Nb，故可以在高达1080℃温度下进行奥氏体化，从而保证了高于600℃下使用的优良的热强性。

Carpenter Technology报道过，为挤压汽车阀“Thermowear"具有比更高合金的AISIH19钢高出一倍的寿命，加Nb到"Thermowear""中是为了形成耐磨碳化物，该钢加热到1100℃的奥氏体化温度，晶粒不粗化。

为了尺寸稳定性、抗氧化性、近终形及取消随后的热处理，温锻比淬火回火钢更获得承认。VTM是由Vcos Villaes(巴西)开发的一种能满足温锻所需强度、韧性和耐磨性工具钢，与M2钢相比，在回火硬度相同的情况下(HRC57~62)， 该钢的冲击韧性值要高于M2钢4~5倍。

为了适应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热稳定性方面更高的要求，国内研制了不少新型含Nb热作模具钢，其合金成分见表2, 3Cr3Mo3VNb (HM3)是在25Cr3Mo3VNb钢和国外35Cr3Mo3V钢基础上研制而成的中碳铬系高强度热作模具钢，钢中加入3%左右的Mo，既提高该钢的淬透性和防止回火脆性，又能提高钢的热稳定性，见表2。加入V和Nb则可起到细化晶粒、降低钢的过热敏感性的作用。因此，该钢的淬透性高、淬火加热温度范围宽、过热敏感性低，具有高温强度高、热稳定好、塑韧性好、冷热疲劳性能好、热磨损性能好等优点，用于制造不锈钢(2Cr13) 等热锻模、轴承凹模和辊锻模，都取得了良好的使用效果。

表1 国内外部分含Nb热作模具钢的化学成分

表2 3种热作模具钢的650℃回火稳定性

4Cr3Mo3W4VNb (代号GR)钢除Cr、Mo、V和Nb外，又加入了4%W，所以该钢的高温强度和热稳定性得到了进步提高，是中碳铬系热作模具钢中高温强度较高、热稳定性较好的钢种。

针对铜合金压铸模具使用温度较高(≥800℃)，模具的使用工况较苛刻。用3Cr2W8V或H13钢制作此类模具，寿命一直很低。 国内曾试图采用奥氏体热作模具钢来解决问题，但因钢的冷热疲劳性能较差而仍未能得到圆满解决，为此国内有关研究所又推出4Cr3Mo2NiVNbB (代号HD)、4Cr3Mo2MnVNbB (代号Y4)等钢种，并通过在中碳Cr3-Mo2或Cr3-Mo3型基础上适当调整合金成分，进一步提高了钢的塑韧性。在相同硬度下(HRC43),其断裂韧性比3Cr2W8V钢高30%，使用寿命提高一-倍以上。

5Cr4W4MoVNb (代号JM)和50Cr4W3Mo2VNb (代号50Nb)均为基体钢类型的精锻、热挤压模具用钢。精锻齿轮可实现以锻压代替机械加工成型齿形，可大大提高锥齿轮的生产效率，是实现无切削加工齿轮的重要发展方向。

为适应高速锤锻模对强韧性能的要求，研究者还研制出如6W5Mo4Cr4VNbTi (代号R6)、6Cr4W6MoAISiVNiNb (代号B501)等以M2类型为基体的含Nb热作模具钢。

有些模具的工作温度超过700℃，有时高达800℃或更高，上述马氏体形钢不能满足要求，此时可使用高温合金。高温合金Ni含量较高，价格昂贵，加工性能差。对此我国开发了一些含Ni量低的CrMnNi系奥氏体型热作模具钢。其中AH钢含Nb0. 25%，经1150℃固溶处理后700℃时效6h，硬度为HRC44, 800℃时效 6h,硬度仍保持在HRC37。这主要是由于晶内析出的MC强化相稳定性高，不宜粗化， 从而提高了晶粒的粗化温度、提高了钢的高温强度、减少了沿晶断裂的倾向、增加高温塑性。这类钢适合制作不受急冷急热、工作温度高达800℃的热作模具。

3.铌在冷作模具钢中的应用

冷作模具钢用于金属或非金属材料的冲裁、拉伸、弯曲、冷挤、冷镦、滚丝、压弯等工序，要求模具具有高强度、高耐磨性和足够的韧性，以保证相当的耐用度。为了保证模具有高硬度和高耐磨性，冷作模具钢的含碳量一般在0.6%以上。

铌在冷作模具钢中的应用，如冷轧机的轧辊用钢，成分大约为0.8%C、2%Cr、0.5%Mo、0.2%V。为了获得高的表面硬度和淬硬硬度，用约0.10%Nb微合金化，可以保证在1000个的固溶温度下，还有稳定的碳化物存在，由此改善了淬透性，减少了残余奥氏体量，减少了由于剥落而导致的损坏，这些微合金化冷轧辊的性能比未经微合金化的辊至少提高20%，已成为的产品。

对于要求高耐磨性、高疲劳强度的冷作模具钢一般选用莱氏体铬钢。最近开发了一种新型冷作模具钢BohlerK340,其化学成分为1.1%C、8.3%Cr、2.1%Mo、0.5%V、1%AI和1.0%Nb。由于它的弥散碳化物的分布，使钢材具有良好的韧性，减少了工具的损坏，该钢的冲击韧性比12%Cr钢高出几乎3倍，另外还具有高硬度和较好的抗软化性能，可进行氮化等表面处理，良好的耐磨性、电火花加工性及低粗糙度，该钢保证了许多用途所需要的良好性能，特别是剪刀片和打印工具。

为提高模具的综合性能，兼顾冷、热作模具钢的优点，国内外开发出批改型的 M2高速钢系列钢种，如HSSBohlerS620,其基体成分为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，主要用于加工镍合金或钛合金，性能比高合金牌号M42或含9-10%Co的T42钢好，而且更为经济。

65Cr4W3Mo2VNb钢(代号65Nb)是国内研制的一种含Nb冷作模具钢，它是以W6Mo5Cr4V2高速钢为母体，在其淬火基体成分基础上适当增加含碳量并用少量铌(0.25~0.35%Nb)微合金化的一种改型基体钢。

该钢利用NbC在钢中的溶解温度比VC(1050℃)高，大约1150℃以上开始溶解，并且还能部分溶解在Cr、W、Mo等的碳化物中，提高其稳定性，显著细化晶粒，降低淬火基体中的溶碳量，大大恢复了由于碳含量高而受损的基体韧性。该钢淬火后回火时以MC和M2C型碳化物弥散析出，促成强烈的二次硬化效果，65Nb钢的韧性比母体高速钢W6Mo5Cr4V2和高碳高铬钢都有大幅度提高，见表3。

在单位压力低于2450MPa的冷挤、冷镦模具上应用时，使用寿命比高速钢和高碳高铬钢成倍提高。加铌还可以改善钢的工艺性能，使锻造时的变形抗力减小，退火时易于球化，热处理加热温度范围宽，操作方便易于掌握。65Nb钢在我国已大量推广应用，并列入我国合金工具钢标准GB1299-2000。

表3 65Nb钢与高速钢Cr12MoV钢的强韧性对比

4.铌在塑料模具钢中的应用

塑料成型用模具的产值已在模具工业总产值中跃居。根据塑料产品品种在性能上的差异及制品的形状、尺寸、质量、精度要求，模具材料应具备适当的综合力学性能、较好的耐磨性、良好的切割加工性能、抛光性能、花纹图案光蚀性能、耐蚀性及焊接性能。

塑料模具钢在国内发展的较为滞后，到目前为止国内还未形成完整系列的钢种。在上世纪九十年代之前，国内常用的塑料模具钢仍然是含0.4-0.6%℃的碳素结构钢，如45号钢与40Cr钢等，另以T10A、GCr15、 CrWMn、5CrNiMo、 5CrMnMo、 Cr12、 Cr12MoV 等作为补充。近年来国内外先后开发了一些新型塑料模具钢，如预硬化塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、非调质塑料模具钢、耐蚀塑料模具钢等。

17-4PH和PCR是两种新研制的属于马氏体沉淀硬化型耐蚀塑料模具钢，其中含Nb约0.3%。PCR经1050℃固溶后淬火获得单一板条马氏体，硬度为HRC32-35,可进行切削加工。该钢经460-480℃时效后，硬度升至HRC42-44，变形率为0.04-0.05%，并具有较好的综合力学性能和良好的抗蚀性，适于制造含氟、氯的塑料成型模。

5.结束语

(1)铌在模具钢中的应用已取得明显效果，铌在钢中可形成弥散稳定的碳化物，细化晶粒，促进二次硬化效应，从而改善钢材的强韧性、提高钢材的综合力学性能、增加模具的使用寿命。

(2)从国内外的文献报道中可以看出:铌在模具钢中的应用还处于初始阶段。铌在模具钢中的作用、强化机制、形成过程还处于定性的研究阶段，因此要开发研制高性能新代模具钢产品，还需进行深入细致的研究工作。

(3)模具钢涉及的合金成分范围较宽，涵盖了从低合金----中合金--高合金，含碳量从低碳--中碳一高碳的成分范围。而迄今国内外有关文献中报道的含铌钢的成分范围较窄，高碳高铬型冷作模具钢、中碳低合金塑料模具钢几乎未见相关报导。因此我们认为急需继续拓宽铌在模具钢中的应用领域，开发出新型含铌模具钢。

(4)建议从量大面广的模具钢品种入手，开展铌在模具钢中的应用研究，以提高我国模具用钢的整体水平。