中國正在成為世界制造業(yè)大國和強(qiáng)國，自“九五”以來，大陸模具工業(yè)產(chǎn)值平均每年以13%的速度遞增。模具工業(yè)快速發(fā)展，拉動模具鋼需求。隨著世界模具業(yè)不斷向高技術(shù)含量方向發(fā)展及少無切削和精密成形技術(shù)在我國的快速普及，未來對模具材料的性能要求越來越高，如數(shù)控沖床用冷沖模具由于沖速快，對模具材料的耐磨性，耐沖擊性提出了更高的要求，長期沿用的老鋼種已不能完全滿足要求。為此，國內(nèi)一些大學(xué)、研究所、鋼廠和模具使用單位相繼開發(fā)研制了一批高質(zhì)量、高性能、多品種的國產(chǎn)模具材料，使國內(nèi)模具的使用壽命得到了很大提高，并使我國模具鋼的鋼種系列逐漸得到了補(bǔ)充和完善。
表1 V3N的化學(xué)成分
| C
| W
| Mo
| Cr
| V
| N
|
| 1.21
| 11.88
| 2.95
| 4.00
| 2.87
| 0.075 |
模具壽命和使用效果將影響到制造業(yè)的生產(chǎn)成本與產(chǎn)品升級。但是，目前在我國的許多企業(yè)中，模具的使用壽命還比較低，僅相當(dāng)于國外的1/3～1/5。據(jù)統(tǒng)計，由于模具壽命低而造成的鋼材工時和能源浪費，以及對產(chǎn)品質(zhì)量影響所帶來的損失，每年達(dá)數(shù)十億人民幣。 影響模具的壽命因素有模具材料、材料熱處理和表面處理以及模具制造工藝。 實踐證明，在模具設(shè)計和制造過程中，若能選用恰當(dāng)?shù)匿摬�，確定合理的熱處理工藝，妥善安排工藝路線，對充分發(fā)揮材料的潛在性能、減少能耗、降低成本、提高模具的質(zhì)量和使用壽命都將起到重大的作用。
一、模具新鋼種——超硬型高速鋼研究和發(fā)展模具新鋼種，是改善和提高模具鋼的強(qiáng)韌性，延長模具的使用壽命的重要途徑。我國模具工業(yè)在迅速發(fā)展，我國的材料工作者在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合本國資源情況和特點，引進(jìn)和研制了不少新型模具鋼。經(jīng)過生產(chǎn)上的考核篩選，一些性能優(yōu)異、工藝性能也比較好的鋼種受到模具制造和使用單位的歡迎，使模具的使用壽命達(dá)到甚至超過國內(nèi)外同類模具的水平，如北京鋼鐵學(xué)院與大冶鋼廠研制的無Co超硬高速鋼W12Cr4Mo3V3N(簡稱V3N)的各項性能優(yōu)良，獲中華人民共和國國家發(fā)明獎，中華人民共和國專利(91102252)， V3N模具性能比現(xiàn)用普通高速鋼提高2～10倍，相當(dāng)于國際市場現(xiàn)用含10%Co的高速鋼，已較成功地推廣應(yīng)用在工模具生產(chǎn)中，可使壽命成倍增加。
二、V3N成分及性能特點 W12Cr4Mo3V3N(簡稱V3N)是鎢-鉬系含氮無鈷超硬型高速鋼，V3N的設(shè)計成分見表1。 新型超硬高速鋼V3N成分設(shè)計特點是: 高C： C對冷作模具鋼的強(qiáng)韌性、耐磨性有決定性的影響。含碳量增加，則抗壓強(qiáng)度及耐磨性增加。因此，抗沖擊及高強(qiáng)韌冷作模具鋼含碳量較高。 高V： V強(qiáng)烈細(xì)化晶粒，強(qiáng)烈提高耐磨性、紅硬性及二次硬化能力。但含量過多會明顯惡化可鍛性及磨削性。 含N：N可細(xì)化晶粒，又有析出強(qiáng)化的作用，且機(jī)械性能及焊接性能都較好。主要技術(shù)性能：V3N鋼具有硬度高、耐磨性好、高的紅硬性和一定的韌性，在冷作模具鋼上應(yīng)用效果十分顯著。該鋼與含鈷高速鋼相比，價格低廉且易加工，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚�，可得到高硬�?HRC67～70)、高紅硬性(625℃4小時，HRC63～65)和高耐磨性，韌性和抗彎強(qiáng)度均不低于普通型高速鋼，可克服模具刃口塌陷和崩裂等早期損壞。
三、V3N鋼模具的加工工藝模具熱處理方法和加工工藝的選擇同樣要根據(jù)模具的工作條件、失效方式和對性能的不同要求來確定。應(yīng)不斷改善熱處理設(shè)備，改進(jìn)熱處理工藝，使材料的強(qiáng)度、韌性得到最佳配合，并嚴(yán)格遵循熱處理工藝，控制加熱溫度、時間、冷卻速度，從而保證模具的使用性能。 鍛造 V3N鋼含有大量的一次碳化物和二次碳化物，若保留在淬火組織中，將急劇降低模具所有壽命。只有通過對原材料改鍛，擊碎碳化物，才能使其呈細(xì)小、均勻的形貌分布于鋼基體，提高整體力學(xué)性能。 V3N鋼導(dǎo)熱性差，鍛坯加熱時應(yīng)充分預(yù)熱，始鍛溫度1170℃，終鍛溫度950℃，設(shè)備可采用250kg(小件)和400kg空氣錘，開始采用輕錘快打，中間用重錘打，最后慢打輕打，鍛后于石棉粉箱中緩冷取出后即進(jìn)行退火處理。 鍛后退火 可采用等溫退火(見圖1)或普通退火(見圖2) 機(jī)械加工 鍛后硬度較高，采用等溫或普通退火后，機(jī)加可順利進(jìn)行，淬火后因工硬度較高，故工件成型磨削難度較大，可采用鐠鈮剛玉加鉻制作的砂輪進(jìn)行磨削。 熱處理工藝 V3N鋼在1220～1230℃淬火時，由于存在未熔碳化物，硬度偏低，系淬火溫度不足；在1260～1270℃淬火時，晶粒明顯過大，系過熱現(xiàn)象。選擇1230～1240℃淬火加熱溫度既能使碳化物和合金元素充分溶解到奧氏體中去，又能保持較細(xì)晶粒(10～10級)。 V3N超硬高速鋼模具部件采用1220～1230℃經(jīng)550℃四次回火(見圖3)，硬度可控制在HRC64～67，具體可根據(jù)零件尺寸的大小從熱處理工藝上進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到硬度和強(qiáng)度較理想的配合，V3N超硬高速鋼與強(qiáng)韌性關(guān)系如下表2所示。
V3N超硬型高速鋼淬火后有較多殘余奧氏體，據(jù)測定約為25%～30%，必須盡量消除減少，為此進(jìn)行多次高溫回火使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。進(jìn)行4次高溫回火后，大部分殘余奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。V3N鋼二次硬化效應(yīng)溫度比普通高速鋼高30～40℃，這一特性十分寶貴，表明V3N鋼有更高紅硬性。 精加工后的深冷處理 經(jīng)深冷處理后，由于殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變以及超細(xì)碳化物的析出，模具零件硬度和耐磨性將進(jìn)一步改善，耐磨性可提高40%，既縮短回火時間節(jié)省了能量，又明顯提高了模具使用壽命。 高速鋼模具深冷處理工藝過程為：模具除油污→放入保溫罐中→少量多次注入液氮(196℃)→保溫浸泡2.5h→取出模具迅速放入60～70℃熱水中。
表2 V3N鋼淬火溫度與韌性關(guān)系
| 性能
| 1200℃
| 1220℃
| 1240℃
| 1260℃
| 1270℃
|
| sbb(MPa)
| 2900
| 2700
| 2400
| 1900
| 1600
|
| ak(J/cm2)
| 44
| 36
| 27
| 15
| 10
|
| 晶粒度(級)
| 11
| 10.7
| 10.2
| 9.5
| 9.0 |
四、V3N鋼在冷作模具的應(yīng)用與效果 V3N超硬冷作模具壽命均比 Cr12MoV、Cr12等常用模具壽命提高3～5倍，比現(xiàn)用普通高速鋼提高2～10倍，經(jīng)濟(jì)效益更為顯著，V3N鋼制模具性能相當(dāng)于國際市場現(xiàn)用含10%Co的高速鋼。 某廠硅鋼片沖模原來都是采用CrWMn、Cr12MoV等鉻鋼制作的，但由于硅鋼等硬面脆，故模具耗損量大，采用V3N鋼制作模具，經(jīng)濟(jì)效果明顯，表3為沖模壽命對比。
表3 不同材料硅鋼片重模壽命對比
| 材料
| 單位工作日
刃磨次數(shù)
| 刃磨一次
的沖數(shù)
| 總壽命
| 壽命比
| 模具制造費用
|
CrWMn
Cr12MoV
| 四次
| 2000-3000
| 3-5萬
| 1
| 6000元
|
| V3N
| 一次
| 4-5萬
| 130萬
| 20
| 400元 |
五、結(jié)語 V3N超硬高速鋼各項性能優(yōu)良，適合加工沖裁模等冷作模具，壽命顯著提高。 V3N鋼熱加工工藝較嚴(yán)格，1220～1230℃淬火，550℃4次1小時回火，精加工后再經(jīng)深冷處理可獲得高硬度、高耐磨性和良好的韌性配合，使用過程中還可定期對凹模進(jìn)行去應(yīng)力回火以延長壽命。
