上海利佳特殊鋼有限公司

BC-4模具鋼特性

一、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率的迅速提高，對國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展有著十分重要的作用，而模具又是決定產(chǎn)品的質(zhì)量、性能好壞，生產(chǎn)率高低的重要因素之一。

為適應(yīng)科學技術(shù)的進步和工業(yè)的發(fā)展，模具制造技術(shù)領(lǐng)域也需要做相應(yīng)的改革和發(fā)展，諸如尋求新的模具材料，探索先進的制造技術(shù)等，以便大幅度提高模具使用壽命和經(jīng)濟效益，這是當前模具制造技術(shù)領(lǐng)域迫在眉睫的任務(wù)。

二、熱擠壓成型模具服役條件及對模具的性能要求

熱擠壓模具主要用于完成高溫條件下成型工序，服役條件十分苛刻。例如：20Cr等材料，加熱溫度為1150~1200℃，在水壓機上成型，模具的溫度可以達到900~950℃，因高壓成型，被擠壓的零件越大，加工的深度越深（特別是飯擠壓成型的大工件），則條件越苛刻，高溫強度要求也越高。若采用熱作模具鋼，由于高溫強度低，每次熱擠壓后都要進行外部水冷以降低模具溫度，模具要經(jīng)受嚴重的冷熱疲勞考驗，在擠壓成型時與熾熱的工件接觸，造成模具與工件之間的強烈摩擦，產(chǎn)生化學作用，使模具表面產(chǎn)生熱腐蝕。這就使熱作模具鋼制造的熱擠壓模具產(chǎn)生塌陷、形變、拉溝、炸裂、表面腐蝕等現(xiàn)象，造成模具失效。

高溫高壓下熱擠壓成型模具還應(yīng)具有良好的綜合性能，主要是：應(yīng)具有高的抗塑性變形能力；在服役的溫度（800~950℃）下有高的熱穩(wěn)定性及抗磨損性能；在動負荷下應(yīng)有足夠高的韌性；對于熱作模具鋼應(yīng)有高的淬透性能；還應(yīng)當制造工藝簡便，鍛造、熱處理亦不宜太復雜，機械加工容易。

目前國內(nèi)外熱擠壓行業(yè)中通常采用熱作模具鋼做模具材料，我國主要用3Cr2W8V鋼，英美、蘇、瑞典則采用H13\4cr5MoVSi鋼或其他基本鋼制造模具。

由于服役條件苛刻，熱擠壓模具壽命低、經(jīng)濟效益差是個共同的問題。高溫高壓下作業(yè)的熱擠壓模具，其服役時的工作溫度往往超過回火溫度。盡管采用多種手段作強韌化處理（強韌化處理+表面強化處理、、、、、、），以圖改善服役條件，最大限度的發(fā)揮材料的潛力，但仍遠遠滿足不了使用性能的要求。

三、熱擠壓模具材料的選擇——新型熱擠壓模具材料

根據(jù)目前熱擠壓行業(yè)的狀況及對耐高溫高強度材料的需求，我們研制了新的合金材料：BC-4熱擠壓模具材料。

熱擠壓模具材料BC-4選用工作溫度為1000~1100℃的鎳基合金為宜。因其變形抗力大，瞬時拉伸（800℃)，σ0.2＞90kg/mm2能滿足模具高溫擠壓時的強度要求而不需要外部水冷，排除了由于急冷急熱而引起炸裂破壞的傾向，因此適合做高溫高壓下熱擠壓模具材料。

這種合金通過多種手段進行復合強化，從而具有良好的高溫綜合性能，滿足高溫高壓下熱擠壓模具的服役條件，其原理如下：

合金在高溫下有高的強度（800℃瞬時拉伸σb＞100kg/mm2 ） 主要取決于基本的強度。所謂基本強度，即合金元素（W、Mo、Co 、Cr、、、、、、元素 ）溶入Ni中形成固溶體，是強度升高（即固溶強化）。W、Mo、Co 、Cr等元素的溶入，使固溶體的點陣發(fā)生畸變，改變了顯微應(yīng)力場條件，使材料的滑移變形抗力增加，阻止滑移變形過程的進行。又由于熱擠壓模具是在高溫高壓下工作，合金基體強度也與 合金元素的擴散有關(guān)，W、Mo、Co 、溶入固溶體，使原子間的結(jié)合力有所提高，減緩了固溶體中擴散變形的進行，使基體的強度提高，W、Mo、Co 、Cr、、、、、、元素 的加入與Ni元素的原子差價大，則屈服強度高（原子間的差價越大則層錯能力越低，越易于產(chǎn)生堆垛層錯）。堆垛層錯越多，則材料的合金強度也越高，W、Mo、Co 、Cr等元素都使材料的層錯能力下降。W、Mo、Co 等元素溶入固溶體，排斥Al在固溶體中的溶解度，這對于得到高含量的Ni3（Al，Ti）及其有利。

強化相：Ni3（Al，Ti）金屬間化合物

鎳基高溫合金中Ni3（Al，Ti）越多，高溫強度也越高。原因是：在一定溫度范圍內(nèi)（400~950℃）隨著溫度的升高，則Ni3（Al，Ti）強度也升高。

材料中的Ni3（Al，Ti）越多，高溫強度、持久強度也越高，為保證材料有良好的高溫性能，Ni3（Al，Ti）應(yīng)大于50%（體積）以上。但Ni3（Al，Ti）塑性差且脆，合金中Ni3（Al，Ti）多，則壓力加工也越困難。Ni3（Al，Ti）是由固溶體中析出，且與基體保持共格強化效應(yīng)，故可提高合金的高溫強度。

晶界強化：由于晶界處原子排列很不規(guī)則，在高溫工作條件下原子沿晶界的擴散較晶內(nèi)擴散要快的多，特別是晶界處含有低熔點雜質(zhì)時，晶界處的強度較晶界內(nèi)要低得多，破壞首先從晶界處開始，因此，晶界的強度時不可忽視的地方。

晶界強化的主要手段：

1、在合金中盡量減少低熔點的有害元素，如（P)，(S)，(Pb)，(Bi），（As)、、、、、、等。

2、加入表面活性元素，產(chǎn)生內(nèi)吸附，凈化晶界。如加入少量的B（硼）、Zr（鋯）或稀土元素Ce（鈰），使其富集于晶界上，填充晶界空位，打到強化晶界的目的。而且Ce（鈰）等元素的加入，還可以與富集晶界上的低熔點元素形成高熔點的化合物，如Bi形成高熔點的CeBi，起到凈化晶界的作用。

3、通過熱處理手段，使碳化物沿晶界呈顆粒狀分布，即晶界處碳化物呈鏈條狀分布（晶界是ｒ‘相與碳化物呈鏈條狀分布），起著阻礙裂紋擴展，提高強度的作用。

BC-4合金的主要相：

ｒ相：以鎳為基的固溶體，系面心立方晶格，合金中ｒ相約占40~45%，是合金的基體。

ｒ‘相：是一種金屬間化合物，系面心立方晶格，與ｒ相基本保持共格關(guān)系，合金中ｒ‘相占55~58%，是合金的主要強化相。

碳化物相：合金中碳化物類型為：MC，M6C和M23C6等三類。

硼化物：硼在合金中對晶界起著強化作用，如：在控制成分范圍內(nèi)，則有少量M3B2型硼化物存在于晶界。

晶界：晶界有少量初生碳化物MC相和較粗大的ｒ‘相交替排列組成，經(jīng)固溶處理(1210±10℃保溫4小時空冷）后的晶界面明顯。