鞏兆維，徐建偉，鄭勁松，熊國鋒

模鍛離不開鍛模。鍛造模具是模鍛件生產(chǎn)過程中必不可少的工藝裝備，起著舉足輕重的作用。模具質(zhì)量高低、壽命長短，直接影響到模鍛件產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率及產(chǎn)品在市場上的競爭能力。所以，追求鍛造模具質(zhì)量與使用壽命的不斷提高，是每一個(gè)模鍛生產(chǎn)企業(yè)和鍛造工作者永恒的主題。

相對于碳素鋼和一般低合金結(jié)構(gòu)鋼而言，高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼無論是冷變形還是熱變形，其變形抗力都要大一些，而許多耐酸堿的不銹鋼其變形抗力就要大得多，但變形抗力更大的材質(zhì)莫過于被廣泛用在航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部的鈦合金與高溫合金。由于這類材料在高溫工作狀態(tài)下的飛機(jī)發(fā)動機(jī)內(nèi)部，其本身就要求有足夠高溫強(qiáng)度，因此要將其熱模鍛成形就對模具有著更高的要求。這類模具鋼材質(zhì)要有高的熱強(qiáng)性、熱硬性、耐磨性和高的熱穩(wěn)定性，還要有良好的沖擊韌性和耐冷熱疲勞性能，只有這樣才能極大滿足難變形材料鍛模的性能要求。

在我國最常用的熱模鋼中，5CrNiMo、5CrMnMo、5Cr2NiMoVSi、4Cr5W2VSi、H13、3Cr2W8V應(yīng)用比較普遍。前三種屬于較低檔次的熱模鋼，后兩種則屬于較高檔次且應(yīng)用最為廣泛的熱模鋼種。H13鋼的韌性和耐冷熱疲勞性能較好，但熱硬性不行，熱強(qiáng)性不高，型腔在高溫和沖擊力雙重作用下易脹大、塌陷和變形；而3Cr2W8V熱強(qiáng)性高，熱硬性好但缺點(diǎn)是耐冷熱疲勞不行，韌性差，模具在冷熱交替和沖擊力作用下容易龜裂和開裂，所以也不是最理想的熱模具鋼。

在這里我們向航鍛用戶推薦一種熱模鋼，其曾榮獲中國國防工辦技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)、原航空工業(yè)部科技成果一等獎(jiǎng)，并被列入航空工業(yè)部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號為HB-5137-80（3Cr3Mo3VNb鋼代號HM3），其具有H13、3Cr2W8V優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了各自的不足。很顯然，具有上述性能特征的模具材料也同時(shí)是高精熱模鍛件模具的首選材質(zhì)。

1.3Cr3Mo3VNb鋼合金元素的構(gòu)成特點(diǎn)

（1）3Cr3Mo3VNb鋼化學(xué)成分如表1所示，將3Cr3Mo3VNb鋼與國標(biāo)GB/T1299-2000中所有12個(gè)熱模鋼種相比較，與眾不同的三大特點(diǎn)：C低、Mo高、含Nb。

（2）碳低 比含C量最低的3Cr2W8V含碳量（中限含量比較）還要低0.065%，碳元素雖然可以影響鋼的強(qiáng)度和硬度,但對于合金含量高的熱模鋼來說,當(dāng)型腔溫度上升到數(shù)百攝氏度以上時(shí)，碳的高低并不顯得很重要，反之，由于C含量低的原因，卻因此而提高了整個(gè)模具本體的導(dǎo)熱性能和沖擊韌性，因此反而獲益。

表1 3Cr3Mo3VNb鋼的化學(xué)成分 （%）

（3）鉬高 與世界通用H13系列鋼種相比，Mo含量按中限比較，3Cr3Mo3VNb鋼是它們的2倍,低限比較則在2.3倍以上。鉬在熱作模具鋼中,是非常重要的固溶化元素和碳化物形成元素,其存在可以提高鋼的高溫強(qiáng)度和硬度、提高型面的耐磨性和耐回火性。

（4）含Nb 國標(biāo)GB/T1299-2000中所有12種熱模鋼都不含Nb。Nb在熱模鋼中與碳形成穩(wěn)定性很高的強(qiáng)碳化鈮化合物，不僅有抑制晶粒長大、細(xì)化晶粒的作用,且可以顯著提高熱模鋼的熱強(qiáng)性與基體韌性。

另外,3Cr3Mo3VNb鋼中也如同其他高檔次熱模鋼種一樣,含有足量鉻與釩,以滿足其各種性能需求。

2.3Cr3Mo3VNb鋼與其他幾種典型熱模鋼物理性能的對比

由于3Cr3Mo3VNb鋼中各種特定量的元素科學(xué)搭配組合,所以就決定了該鋼具有優(yōu)異于其他熱模鋼的多種特征、性能及最終的生產(chǎn)應(yīng)用效果。

（1）線脹系數(shù)對比 線脹系數(shù)對于熱作模具鋼來說是很重要的一個(gè)物理量，其決定了熱模鋼模具在反復(fù)冷熱數(shù)百度變化的工作狀態(tài)下,型腔部位線長度尺寸和體積發(fā)生變化的大小,還有模具因此而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的高低程度。很顯然選擇線脹系數(shù)越小的鋼種制作精鍛模具，不僅可以比較好的保證精鍛件的尺寸精度,同時(shí)還能減少模具內(nèi)應(yīng)力,有利于提高模具使用壽命。從表2中可以看出3Cr3Mo3VNb鋼高溫的線脹系數(shù)最小。

（2）熱導(dǎo)率對比 如表3所示，熱導(dǎo)率越高的模具材料,就越利于熱量迅速傳遞,用其制作的模具在熱模鍛過程中,與高溫毛坯接觸模膛部分熱量就越能迅速傳導(dǎo)給模具本體,從而減低了模膛表面實(shí)際工作溫度，有利于延緩模具使用壽命；另一方面,熱量快速向模體內(nèi)其他地方傳導(dǎo),也能減小整個(gè)模體內(nèi)的溫差,從而降低內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的程度,也同樣有利于延長模具壽命。從表中可以看出3Cr3Mo3VNb的熱導(dǎo)率最高。

（3）臨界點(diǎn)對比 如表4所示，鋼臨界點(diǎn)是鋼在淬火、正火和退火加熱和冷卻過程中，在其特定溫度下出現(xiàn)鐵素體和奧氏體的轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度被稱之為相變點(diǎn)或臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)是與模具使用特性密切相關(guān)的重要物理參數(shù)，臨界點(diǎn)高低能夠直接反映出熱作模具使用狀態(tài)下的高溫力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性高低。從表4中的數(shù)據(jù)比較結(jié)果看，還是3Cr3Mo3VNb鋼要高一些。

表2 幾種典型模具鋼的線膨脹系數(shù)(×10-6℃-1)與溫度關(guān)系

表3 幾種典型模具鋼的熱導(dǎo)率（W/（m·K））與溫度的關(guān)系

表4 幾種熱模鍛典型模具鋼的臨界溫度

3.3Cr3Mo3VNb鋼與其他幾種典型熱模鋼高溫性能的對比

由于3Cr3Mo3VNb鋼中合金元素的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，決定了其具有多種優(yōu)良的物理特性，也正因?yàn)槿绱?，所以也造就了該鋼的高溫?zé)釓?qiáng)性等諸多方面的性能指標(biāo)，又明顯高于國內(nèi)普遍大量應(yīng)用的幾個(gè)典型鋼種?？梢詮暮竺鎸Ρ戎幸灰豢吹?。

（1）高溫力學(xué)性能對比 從表5高溫力學(xué)性能中可以看出，在熱作模具型腔表面工作溫度范圍中，3Cr3Mo3VNb的高溫力學(xué)性能最好。在600℃時(shí)，H13強(qiáng)度就已經(jīng)明顯不如3Cr3Mo3VNb；到了700℃時(shí)，3Cr3Mo3VNb鋼的σb和σs分別是H13的 2.5倍和2.8倍，如此巨大的差距足以說明3Cr3Mo3VNb鋼制模具的使用壽命能夠明顯高于H13的一個(gè)內(nèi)在原因。同樣在650℃以上時(shí)3Cr2W8V也顯然不如3Cr3Mo3VNb鋼。

（2）熱穩(wěn)定性比較 從表6中可看出，在620℃狀態(tài)下以44HRC為標(biāo)準(zhǔn)。H13鋼保持不了2h，而3Cr3Mo3VNb鋼可以保持4h；當(dāng)溫度在640℃時(shí)，以40HRC為標(biāo)準(zhǔn)，H13也只能堅(jiān)持2h，而3Cr3Mo3VNb鋼仍可堅(jiān)持2倍于H13鋼的時(shí)間即4h。所以3Cr3Mo3VNb鋼制模具比H13鋼更能在高溫工作環(huán)境中持久耐用，型腔硬度堅(jiān)持較好而不容易軟化脹大和變形。

（3）沖擊韌度的對比 對于鍛模來說，沖擊韌度是一個(gè)很重要的指標(biāo)。到目前為止，我們還沒有找到H13和3Cr3Mo3VNb鋼沖擊韌度的直接對比試驗(yàn)結(jié)果。但北京航空材料研究院曾對4Cr5W2VSi，5CrNiMo和3Cr3Mo3VNb鋼的沖擊韌度作過對比試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表7（3種試驗(yàn)材料的硬度均接近50HRC）。由于4Cr5W2VSi與4Cr5MoSiV1除W、Mo不同外。其余所含元素的品種及含量一致，而W與Mo在熱作模具鋼中的作用又相同，所以這兩種鋼在性能與實(shí)際應(yīng)用效果上也無大的差異。

由表7可見，3種材料的室溫沖擊值都很低，但在實(shí)際工作溫度下（烤模預(yù)熱溫度250～300℃）3Cr3Mo3VNb鋼的沖擊韌度顯著提高，比4Cr5W2VSi高出1倍，比5CrNiMo鋼高約2倍。所以3Cr3Mo3VNb鋼制模具在使用時(shí)很少出現(xiàn)早期開裂現(xiàn)象。沖擊韌度好沖擊值高就可以適當(dāng)提高模具的淬火硬度，也可以加大鍛壓打擊力，從而有利于精密鍛件表面精度和內(nèi)在質(zhì)量。

表5 幾種熱作模具鋼高溫力學(xué)性能

表6 H13與3Cr3Mo3VNb鋼熱穩(wěn)定性 (HRC)

表7 幾種熱模鋼沖擊韌度 （aK：J·cm-2）

（4）冷熱疲勞性能 比較3Cr3Mo3VNb鋼與4Cr5W2VSi鋼、5CrNiMo鋼冷熱疲勞性能的比較。用厚2mm、開有60°槽口的板狀試樣，在先650℃←→20℃（水）反復(fù)加熱冷卻的條件下，經(jīng)1000次循環(huán)后測定槽口尖端產(chǎn)生裂紋的長度進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)見表8。

結(jié)果表明，3Cr3Mo3VNb鋼冷熱疲勞性能最好。以縱向試樣為例，在相同條件下，4Cr5W2VSi鋼裂紋長度是3Cr3Mo3VNb鋼的1.5倍,5CrNiMo鋼的裂紋長度則是3Cr3Mo3VNb鋼的11倍。從裂紋形式觀察，3Cr3Mo3VNb鋼和4Cr5W2VSi鋼多為一條直裂紋，而5CrNiMo鋼卻為多條裂紋。特別是對于熱精鍛模具來說，人們當(dāng)然更樂意去選擇冷熱疲勞時(shí)間出現(xiàn)得更晚，狀態(tài)更輕微的3Cr3Mo3VNb鋼來制作。

4.3Cr3Mo3VNb鋼制模具部分應(yīng)用實(shí)例

3Cr3Mo3VNb鋼與眾不同的各種優(yōu)異性能，最終在應(yīng)用效果上得到了印證。我們可以從下面部分幾個(gè)典型例子中可以看到，3Cr3Mo3VNb鋼制模具在不同領(lǐng)域、不同設(shè)備上將不同材質(zhì)鍛造成不同類型的產(chǎn)品，都顯示出3Cr3Mo3VNb鋼明顯優(yōu)于3Cr2W8V、H13等鋼種，也不遜色于國外某些名牌產(chǎn)品。

（1）在航空航天鍛造領(lǐng)域里，發(fā)動機(jī)上零件大量采用高溫合金、鈦合金和鎳基合金，這類材質(zhì)高溫強(qiáng)度大，因而在鍛造過程中變形抗力也大，所以對模具材料的高溫硬度有更高要求。正是由于HM3鋼高溫強(qiáng)度高，在高溫工作環(huán)境狀態(tài)下熱硬性保持得很好，所以在其誕生地貴州安大公司，一直是應(yīng)對難變形航空航天和批量大的鍛件首選模具材料。用HM3鋼制作的模具，在安大鍛造GH30或1Cr18Ni9Ti，其使用壽命是5CrNiMo的4～8倍，是4Cr5W2VSi的2倍；在430廠鍛造材質(zhì)為GH33的K104-173渦輪葉片壽命是4Cr5W2VSi的2倍；在170廠鍛造材質(zhì)為13Cr11Ni2W2MoV的整流葉片壽命也是4Cr5W2VSi的2倍。

（2）用3Cr3Mo3VNb鋼制作沖頭和凹模，用于生產(chǎn)GCr15精密軸承環(huán)，同3Cr2W8V相比壽命是其5～8倍。而最高成績是南昌航空學(xué)院用其制作生產(chǎn)35鋼軸承內(nèi)環(huán)沖頭，壽命達(dá)2.8萬件，是3Cr2W8V鋼2000件壽命的14倍。

（3）中外合資廣西邕生廠是一家專門生產(chǎn)鋁合金管的企業(yè)，要求鋁合金管產(chǎn)品內(nèi)外壁表面粗糙度高，尺寸精準(zhǔn)，其設(shè)備為英國產(chǎn)康風(fēng)連續(xù)擠壓機(jī)，開始采用的模具為美國產(chǎn)H13鋼，后轉(zhuǎn)用國產(chǎn)3Cr2W8V和3Cr3Mo3VNb鋼，在20世紀(jì)90年代初就得出明確結(jié)果（見表9）。

從表中可知，3Cr3Mo3VNb鋼制模具壽命為美國產(chǎn)H13的2倍左右，是3Cr2W8V的4倍以上。

（4）重慶秋田齒輪公司生產(chǎn)各種精密摩托車齒輪鍛件，其中許多為帶爪齒的精鍛產(chǎn)品，二十幾條生產(chǎn)線正常日產(chǎn)量為20萬件精鍛齒輪件，每月消耗模具2000件左右。該公司全面采用3Cr3Mo3VNb鋼制模具巳經(jīng)有6年多，其使用壽命一般都是H13二倍多。每年節(jié)約模具費(fèi)用非?？捎^。同樣在重慶另一家生產(chǎn)汽車精密鍛件的精鍛公司，用H13鋼模具一次性壽命正好是一個(gè)班次產(chǎn)量即2000多件，采用3Cr3Mo3VNb鋼制模具壽命曾創(chuàng)造紀(jì)錄達(dá)到一萬多件，為H13的4倍。

（5）近年來，在浙江、四川、天津、江蘇、河北等地，一些生產(chǎn)汽車發(fā)動機(jī)同步齒環(huán)的企業(yè)，采用3Cr3Mo3VNb鋼制模具生產(chǎn)這些要求精度特別高、表面粗糙度非常嚴(yán)的齒環(huán)坯精鍛件，其中有鋼質(zhì)也有銅質(zhì)件，效果令人很滿意，模具壽命也通常都在H13的2倍左右。

表8 三種材料冷熱疲勞 (mm)

表9 3種材料在康風(fēng)連續(xù)擠壓機(jī)上使用壽命對比

（6）湖北二汽襄樊車橋廠是專門生產(chǎn)載貨汽車后橋的廠家，其后橋橋殼是把厚鋼板在20000kN壓力機(jī)上熱鍛造成形，橋殼模具是屬于組合模具，裝配在上下模套內(nèi)，每副模具用熱模鋼坯料2000多kg，每套模具機(jī)械制造費(fèi)用近20萬元。該廠自2002年起開始全面采用3Cr3Mo3VNb鋼制作成套橋殼模具，一套可頂原5CrNiMo多套模具使用，僅兩臺壓力機(jī)節(jié)約的模具制造費(fèi)用全年就可以達(dá)100萬元以上。

（7）中國兵器工業(yè)五九研究所，2012年采用3Cr3Mo3VNb鋼制作沖頭模具，在我國北方兩個(gè)軍工企業(yè)各生產(chǎn)4種不同規(guī)格的深孔鍛件，在同等條件下與H13和3Cr2W8V比較，其中3種沖頭都是它們的2倍，另一種沖頭則達(dá)到過3Cr2W8V的3倍。也同樣在這一批試驗(yàn)過程中，還用了一種模具材料強(qiáng)國奧地利產(chǎn)、代號為HOTVAR的145元/kg的熱模鋼，其使用壽命僅比3Cr3Mo3VNb鋼制沖頭略高一點(diǎn)，其性價(jià)比遠(yuǎn)不如3Cr3Mo3VNb鋼。而現(xiàn)今在重慶等地3Cr3Mo3VNb鋼模塊毛坯單價(jià)并不高于3Cr2W8V鋼。

（8）2013年山東某軍工企業(yè)采用HM3鋼制凹模模具（毛坯重170kg），用以生產(chǎn)04號深孔鍛件，其壽命是原3Cr2W8V的3倍以上，3Cr2W8V的原壽命僅為300～400件，而HM3鋼04號凹模壽命最低在1400件以上，最高的達(dá)到3600件。兩種材質(zhì)模具性價(jià)比較，每生產(chǎn)一萬件04號鍛件僅凹模就可以節(jié)約12萬元成本。應(yīng)該指出的是3Cr3Mo3VNb鋼制模具在該廠之所以能達(dá)到如此之高的使用性價(jià)比，還有一個(gè)很主要的原因，那就是使用者在模具使用生產(chǎn)過程中，善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，正確選擇該種材質(zhì)模具在特定設(shè)備上生產(chǎn)特定產(chǎn)品的最佳硬度值，并在模具制造過程中的熱處理工序上予以保證。同時(shí)，模具在工作應(yīng)用過程中，正確使用脫模劑和冷卻方式方法也是一大關(guān)鍵。只有這些方方面面均做好做到位，優(yōu)質(zhì)模具的潛力才能夠得到極大發(fā)揮，正因山東這個(gè)廠把這一切都做好了，所以也就達(dá)到奇跡般的應(yīng)用效果與性價(jià)比。

5.結(jié)語

盡管3Cr3Mo3VNb鋼許多性能特征超過眾多其他熱模鋼品種；盡管3Cr3Mo3VNb鋼在生產(chǎn)實(shí)踐中創(chuàng)造過許多優(yōu)異的成績或可稱作奇跡；也盡管最近由國防工業(yè)出版社出版、中國鍛壓協(xié)會組織眾多著名鍛壓專家教授編著的《鍛造模具與潤滑》一書，對3Cr3Mo3VNb鋼特別贊賞有加而高于其他熱模鋼種。但是必須應(yīng)該指出的是，與H13和3Cr2W8V等老鋼種相比它畢竟是國內(nèi)研制的一個(gè)新鋼種，3Cr3Mo3VNb鋼的應(yīng)用范圍還不廣、時(shí)間也并不長，人們對它的認(rèn)識、研究、生產(chǎn)制造及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)都遠(yuǎn)不如對H13和3Cr2W8V等老鋼種熟悉。換句話說，3Cr3Mo3VNb鋼從已經(jīng)表現(xiàn)出來的成績看是具有趕超國外某些品牌的潛力，但更大潛力在等待我們鍛造與模具工作者去繼續(xù)挖掘提高，把3Cr3Mo3VNb鋼的研究、生產(chǎn)，以及應(yīng)用都能較好地做到位，那么隨著時(shí)間的推移，3Cr3Mo3VNb鋼的應(yīng)用面將會越來越廣，也必將會給我國的熱模鍛事業(yè)作出更大貢獻(xiàn)。

[1]許發(fā)樾，李崇豪，楊守義等.實(shí)用模具設(shè)計(jì)與制造手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2]第三機(jī)械工業(yè)部熱作模具鋼研制組.HM3熱作模具鋼研制報(bào)告.第三機(jī)械工業(yè)部HM3鋼鑒定會資料，1979.

[3]趙一平.提高鍛造模具的使用壽命.中國鍛壓協(xié)會《提高模具壽命》專題培訓(xùn)班資料，2004.

[4]王樂安、趙一平、高新等.鍛造模具與潤滑[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.