1.模具鋼的市場應用

模具是一種實現(xiàn)少加工、無切削加工的重要工藝裝備。模具成型現(xiàn)在應用廣泛，家電行業(yè)80%的零件、機電行業(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，模具的質量性能、制造精度直接關系到工業(yè)產(chǎn)品的質量。

現(xiàn)代加工工藝的發(fā)展采用許多高效壓力加工設備。壓力機逐漸取代了鍛鍾，少、無切削工藝和精密成型技術有了迅速發(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備的推廣應用。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，對鋼材的強韌性要求較高，晶粒的細化和強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)展到各個領域并取得較好的成效。

2. 鈮在熱作模具鋼中的應用

熱作模具鋼用于制造將加熱到再結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。

模具長時間在反復、急冷急熱條件下服役，溫度一般在300 -700℃之間，要求能穩(wěn)定地保持各種力學性能，特別是熱強性、熱疲勞性能和韌性。

研究了形變熱處理對AISIHI3模具鋼顯微組織的影響，對比分析了含Nb與不含Nb的H13模具鋼顯微組織與硬度之間的關系，利用光學與電子顯微技術，發(fā)現(xiàn)形變熱處理過程中的變形引起高密度位錯、碳化物析出等組織變化，從而影響該鋼的硬度。結果顯示，以Nb部分代替鋼中的V并不會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，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，其化學成分見表1，由于該鋼中加入了Nb，故可以在高達1080℃溫度下進行奧氏體化，從而保證了高于600℃下使用的優(yōu)良的熱強性。

Carpenter Technology報道過，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。VTM是由Vcos Villaes(巴西)開發(fā)的一種能滿足溫鍛所需強度、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。

為了適應壓力加工新工藝、新設備對模具鋼在強韌性和熱穩(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鋼基礎上研制而成的中碳鉻系高強度熱作模具鋼，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，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熱作模具鋼的化學成分

表2 3種熱作模具鋼的650℃回火穩(wěn)定性

4Cr3Mo3W4VNb (代號GR)鋼除Cr、Mo、V和Nb外，又加入了4%W，所以該鋼的高溫強度和熱穩(wěn)定性得到了進步提高，是中碳鉻系熱作模具鋼中高溫強度較高、熱穩(wěn)定性較好的鋼種。

針對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)有關研究所又推出4Cr3Mo2NiVNbB (代號HD)、4Cr3Mo2MnVNbB (代號Y4)等鋼種，并通過在中碳Cr3-Mo2或Cr3-Mo3型基礎上適當調整合金成分，進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JM)和50Cr4W3Mo2VNb (代號50Nb)均為基體鋼類型的精鍛、熱擠壓模具用鋼。精鍛齒輪可實現(xiàn)以鍛壓代替機械加工成型齒形，可大大提高錐齒輪的生產(chǎn)效率，是實現(xiàn)無切削加工齒輪的重要發(fā)展方向。

為適應高速錘鍛模對強韌性能的要求，研究者還研制出如6W5Mo4Cr4VNbTi (代號R6)、6Cr4W6MoAISiVNiNb (代號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℃，有時高達800℃或更高，上述馬氏體形鋼不能滿足要求，此時可使用高溫合金。高溫合金Ni含量較高，價格昂貴，加工性能差。對此我國開發(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℃時效6h，硬度為HRC44, 800℃時效 6h,硬度仍保持在HRC37。這主要是由于晶內(nèi)析出的MC強化相穩(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800℃的熱作模具。

3.鈮在冷作模具鋼中的應用

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，要求模具具有高強度、高耐磨性和足夠的韌性，以保證相當?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用，如冷軋機的軋輥用鋼，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。

對于要求高耐磨性、高疲勞強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，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M42或含9-10%Co的T42鋼好，而且更為經(jīng)濟。

65Cr4W3Mo2VNb鋼(代號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上適當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，顯著細化晶粒，降低淬火基體中的溶碳量，大大恢復了由于碳含量高而受損的基體韌性。該鋼淬火后回火時以MC和M2C型碳化物彌散析出，促成強烈的二次硬化效果，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、冷鐓模具上應用時，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，使鍛造時的變形抗力減小，退火時易于球化，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用，并列入我國合金工具鋼標準GB1299-2000。

表3 65Nb鋼與高速鋼Cr12MoV鋼的強韌性對比

4.鈮在塑料模具鋼中的應用

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、質量、精度要求，模具材料應具備適當?shù)木C合力學性能、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%℃的碳素結構鋼，如45號鋼與40Cr鋼等，另以T10A、GCr15、 CrWMn、5CrNiMo、 5CrMnMo、 Cr12、 Cr12MoV 等作為補充。近年來國內(nèi)外先后開發(fā)了一些新型塑料模具鋼，如預硬化塑料模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、非調質塑料模具鋼、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,可進行切削加工。該鋼經(jīng)460-480℃時效后，硬度升至HRC42-44，變形率為0.04-0.05%，并具有較好的綜合力學性能和良好的抗蝕性，適于制造含氟、氯的塑料成型模。

5.結束語

(1)鈮在模具鋼中的應用已取得明顯效果，鈮在鋼中可形成彌散穩(wěn)定的碳化物，細化晶粒，促進二次硬化效應，從而改善鋼材的強韌性、提高鋼材的綜合力學性能、增加模具的使用壽命。

(2)從國內(nèi)外的文獻報道中可以看出:鈮在模具鋼中的應用還處于初始階段。鈮在模具鋼中的作用、強化機制、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，還需進行深入細致的研究工作。

(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)外有關文獻中報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報導。因此我們認為急需繼續(xù)拓寬鈮在模具鋼中的應用領域，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用研究，以提高我國模具用鋼的整體水平。