超硬高速鋼及其應用

一、模具新鋼種——超硬型高速鋼

研究和發展模具新鋼種，是改善和提高模具鋼的強韌性，延長模具的使用壽命的重要途徑。我國模具工業在迅速發展，我國的材料工作者在借鑒國外先進技術的基礎上結合本國資源情況和特點，引進和研制了不少新型模具鋼。經過生產上的考核篩選，一些性能優異、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到甚至超過國內外同類模具的水平，如北京鋼鐵學院與大冶鋼廠研制的無Co超硬高速鋼W12Cr4Mo3V3N(簡稱V3N)的各項性能優良，獲中華人民共和國發明獎，中華人民共和國專利(91102252)，V3N模具性能比現用普通高速鋼提高2～10倍，相當于國際市場現用含 10%Co的高速鋼，已成功地推廣應用在工模具生產中，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的化學成分c:1.21%;W:11.88%;Mo:2.95%;Cr4.00%;V:2.87%;N:0.075%.新型超硬高速鋼V3N成分設計特點是：

高C：C對冷作模具鋼的強韌性、耐磨性有決定性的影響。含碳量增加，則抗壓強度及耐磨性增加。因此，抗沖擊及高強韌冷作模具鋼含碳量較高。

高V：V強烈細化晶粒，強烈提高耐磨性、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可細化晶粒，又有析出強化的作用，且機械性能及焊接性能都較好。

主要技術性能：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，通過適當的熱處理，可得到高硬度(HRC67～70)、高紅硬性(625℃4小時，HRC63～65)和高耐磨性，韌性和抗彎強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模具的工作條件、失效方式和對性能的不同要求來確定。應不斷改善熱處理設備，改進熱處理工藝，使材料的強度、韌性得到配合，并嚴格遵循熱處理工藝，控制加熱溫度、時間、冷卻速度，從而保證模具的使用性能。

1、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，才能使其呈細小、均勻的形貌分布于鋼基體，提高整體力學性能。

V3N鋼導熱性差，鍛坯加熱時應充分預熱，始鍛溫度1170℃，終鍛溫度950℃，設備可采用250kg(小件)和400kg空氣錘，開始采用輕錘快打，中間用重錘打，慢打輕打，鍛后于石棉粉箱中緩冷取出后即進行退火處理。

2、鍛后退火

可采用等溫退火或普通860oC退火4小時.機械加工

鍛后硬度較高，采用等溫或普通退火后，機加可順利進行，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行磨削。

3、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，又能保持較細晶粒(10～10級)。

V3N超硬高速鋼模具部件采用1220～1230℃經550℃四次回火，硬度可控制在HRC64～67，具體可根據零件尺寸的大小從熱處理工藝上進行調整，達到硬度和強度較理想的配合，V3N超硬型高速鋼淬火后有較多殘余奧氏體，據測定約為25%～30%，必須盡量消除減少，為此進行多次高溫回火使之發生馬氏體轉變。進行4次高溫回火后，大部分殘余奧氏體發生了馬氏體轉變，產生二次硬化效應。V3N鋼二次硬化效應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。

4、精加工后的深冷處理

經深冷處理后，由于殘留奧氏體向馬氏體轉變以及超細碳化物的析出，模具零件硬度和耐磨性將進一步改善，耐磨性可提高40%，既縮短回火時間節省了能量，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。

四、V3N鋼在冷作模具的應用與效果

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，比現用普通高速鋼提高2～10倍，經濟效益更為顯著，V3N鋼制模具性能相當于國際市場現用含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，經濟效果不錯。

五、結語

V3N超硬高速鋼各項性能優良，適合加工沖裁模等冷作模具，壽命顯著提高。

V3N鋼熱加工工藝較嚴格，1220～1230℃淬火，550℃4次1小時回火，精加工后再經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行去應力回火以延長壽命。