熱作模具的工作條件極為惡劣復(fù)雜，都是直接與加熱的坯料甚至液態(tài)金屬相接觸，并且在服役過程中不僅要被反復(fù)地加熱和冷卻，而且還要受到?jīng)_擊載荷的作用，因此對(duì)熱作模具鋼的性能有極為苛刻的要求。當(dāng)前熱作模具鋼的發(fā)展日新月異，國外開發(fā)出了許多性能優(yōu)異的新鋼種，許多新技術(shù)和新工藝在模具鋼的冶煉和熱處理過程中的應(yīng)用極大地提高了模具鋼的質(zhì)量和性能。
熱作模具鋼鋼種的發(fā)展
傳統(tǒng)上熱作模具用鋼主要是5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V這3個(gè)鋼種。其中，5CrMnMo和5CrNiMnMo主要用于中小鍛模，對(duì)于更大截面或更高溫度的熱鍛模，這兩種鋼的淬透性和淬硬性都達(dá)不到要求，熱穩(wěn)定性也差�；趥鹘y(tǒng)熱鍛模具鋼在性能上存在不足，按照合金化成分設(shè)計(jì)原理，有關(guān)人員在5CrNiMo鋼的基礎(chǔ)上研制開發(fā)出一些新型的鋼種。新鋼種與傳統(tǒng)鋼種相比較，淬透性和熱穩(wěn)定性明顯得到提高。
由于鑄造模具與普通機(jī)械加工制造的模具相比具有多方面的優(yōu)越性，國外非常重視其發(fā)展。為了提高鑄造熱鍛模具鋼的性能，目前研究主要集中在兩個(gè)方面：第一，優(yōu)化模具鋼合金元素成分；第二，對(duì)現(xiàn)行的鑄造熱鍛模具鋼進(jìn)行變質(zhì)處理。
3Cr2W8V鋼廣泛用于黑色、有色金屬熱擠壓模具和Cu、Al合金的壓鑄模具，這種鋼的熱穩(wěn)定性好，使用溫度達(dá)650攝氏度，但鎢系熱作模具鋼的導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)致其冷熱疲勞性能差，模具使用壽命不長。當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)對(duì)熱擠壓和壓鑄模具用鋼性能的要求越來越高。為了適應(yīng)這種變化，提高熱作模具鋼的性能，國外的研究工作者經(jīng)過多次研究試制后，相繼研發(fā)了一些綜合性能較好的熱作模具鋼。
從當(dāng)前的研究狀況來看，國外的研究者主要是基于H13、3Cr3Mo3V這兩種在國外應(yīng)用較廣的鋼種從優(yōu)化模具鋼的成分、改進(jìn)模具鋼的生產(chǎn)工藝流程兩個(gè)方面發(fā)展新的鋼種，提高熱擠壓和壓鑄模具鋼的性能，形成了一批性能優(yōu)良的新鋼種。
為了提高H13熱作模具鋼的性能，世界各國通過調(diào)整優(yōu)化合金成分研發(fā)了許多新型鋼種。當(dāng)前H13鋼成分優(yōu)化有兩種趨勢(shì)：一是低Si高M(jìn)o的合金化途徑；二是加入Nb微合金化的方法，Nb的適量加入(0.07%)可以起到細(xì)化晶粒、提高熱穩(wěn)定性和熱疲勞性能的作用。
近年來，在3Cr3Mo3V鋼的基礎(chǔ)上國外研制了一些強(qiáng)韌性和熱穩(wěn)定性都比較好的熱作模具鋼，較有代表性的有瑞典的QR090M、日本的QDH、德國的GS999等，這些鋼都具有較好的高溫性能和冷熱疲勞性能。
新技術(shù)和新工藝的發(fā)展對(duì)模具提出了更嚴(yán)格的要求，一些普通熱作模具鋼已不能滿足其要求，必須采用特殊性能鋼種制作熱作模具，才能使模具達(dá)到其技術(shù)要求并延長其使用壽命。這類特殊性能熱作模具鋼主要有基體鋼、析出硬化鋼、奧氏體型熱作模具鋼等。
新技術(shù)在提高模具鋼質(zhì)量上的應(yīng)用
對(duì)模具鋼而言，提高其純凈度已經(jīng)成為提高模具性能和延長壽命的重要手段。提高鋼材的純凈度主要是指控制鋼中有害元素的含量，通過降低P、S含量可明顯提高材料的沖擊韌性和熱疲勞性能，并改善材料的等向性能；H、N、O對(duì)鋼材的性能也有諸多有害的影響，降低這些元素的含量對(duì)改善和提高鋼材的性能是十分有利的。目前往往采用真空精煉、電渣重熔、保護(hù)氣氛重熔、真空自耗等先進(jìn)的冶煉工藝來提高模具鋼的冶煉質(zhì)量。各種精煉技術(shù)的應(yīng)用提高了鋼的純凈度，極大地降低了鋼中的夾雜物和偏析，并改善了夾雜物的形態(tài)。
為提高模具鋼的質(zhì)量，除了追求高的純凈度外，更需要微觀組織的均勻細(xì)小，特別是對(duì)模具鋼中碳化物的有效控制。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，一些新的工藝技術(shù)被采用。比如為了改善H13鋼偏析從而減少一次碳化物，廣泛采用高溫?cái)U(kuò)散退火方法，該方法的應(yīng)用同時(shí)也使二次碳化物成球形分布在鐵素體的基體上，所有這些都提高了H13鋼的橫向沖擊韌性。為了改善H13鋼的等向性能則采用等向鍛造工藝，使其橫向的塑性和韌性均得到很大提高。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使模具鋼的研究開發(fā)取得了長足的進(jìn)步，也使新鋼種的研發(fā)周期加快。比如，應(yīng)用大型商業(yè)化軟件Thermo-cale研究開發(fā)了Nb微合金化熱作模具鋼，有效提高了鋼的熱疲勞性能。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)熱加工工藝過程進(jìn)行模擬，從而開發(fā)出先進(jìn)的熱加工工藝也是當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)在提高模具鋼質(zhì)量方面的一個(gè)重要應(yīng)用。采用有限元分析軟件對(duì)熱連軋過程的金屬三維流動(dòng)進(jìn)行了有限元模擬，從而確定了安全可行的軋制方案。將計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來解決實(shí)際生產(chǎn)問題，可消除傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法中存在的感性因素，減少盲目性，使新鋼種的開發(fā)和新工藝的制定向理性化、科學(xué)化、高效化發(fā)展，從而節(jié)省大量的研究經(jīng)費(fèi)、時(shí)間和人力。
模具鋼熱處理技術(shù)的進(jìn)展
高溫淬火工藝。隨著淬火溫度的升高，H13鋼的熱強(qiáng)性、斷裂韌性和熱疲勞抗力明顯改善�；谶@種原因，人們發(fā)展了高溫淬火工藝。用高溫淬火和高溫回火代替普通球化退火，然后再進(jìn)行普通的淬火和回火。這種工藝既是雙重淬火工藝，又能在幾乎不降低沖擊韌性的前提下得到最大的斷裂韌性，硬度也高于普通熱處理。
強(qiáng)烈淬火技術(shù)。雖然強(qiáng)烈淬火的冷卻速度極快，但可避免開裂，減少畸變，顯著提高鋼的力學(xué)性能，延長零件使用壽命，而且在許多情況下，強(qiáng)烈淬火技術(shù)還有節(jié)能、高效、環(huán)保等效果，是一種前景廣闊的熱處理技術(shù)。
深冷處理。深冷處理是常規(guī)熱處理的延伸，是以液氨為制冷劑在低于零下130攝氏度的溫度下對(duì)材料進(jìn)行處理的方法。該方法能夠改變材料的力學(xué)性能，可在不降低材料強(qiáng)度和硬度的情況下，顯著提高材料的韌性。近年來，國外已對(duì)深冷處理進(jìn)行了廣泛的研究，并在工模具上不斷得到應(yīng)用，處理過的工模具使用壽命明顯延長，但在工藝的穩(wěn)定性和對(duì)某些材料的作用機(jī)理方面的研究還不夠深入，阻礙了深冷處理在工業(yè)上的應(yīng)用。
模具鋼的表面處理技術(shù)及其進(jìn)展
表面滲氮。目前對(duì)滲氮的研究主要集中在等離子滲氮上。氣體滲氮、鹽浴滲氮等傳統(tǒng)工藝盡管在工業(yè)上已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用，但由于這些傳統(tǒng)工藝所用材料往往具有易爆炸性、有毒性，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)對(duì)工人和環(huán)境造成傷害，從而限制了這些傳統(tǒng)工藝的應(yīng)用。等離子滲氮就沒有氣體鹽浴滲氮工藝的不利因素，而且可以避免復(fù)合層即白亮層的形成和保證擴(kuò)散層的質(zhì)量。
激光表面處理。高能束表面強(qiáng)化技術(shù)的特點(diǎn)是加熱速度快、工件變形小、不需冷卻介質(zhì)、可控性能好，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在高能束表面強(qiáng)化技術(shù)中尤以激光表面處理的研究應(yīng)用最多。目前對(duì)激光表面處理的研究主要是利用這種技術(shù)的可控性好、對(duì)基體影響小的特性，結(jié)合其他技術(shù)進(jìn)行某些新工藝的開發(fā)研究。比如，利用激光表面處理技術(shù)進(jìn)行功能梯度材料的設(shè)計(jì)并應(yīng)用在模具上，從而提高模具的性能。還有人把激光表面處理技術(shù)與仿生學(xué)相結(jié)合，在材料表面進(jìn)行激光仿生耦合設(shè)計(jì)，從而提高材料的表面性能。
除此之外，對(duì)激光表面處理進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬也是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。這方面的研究，一方面是基于實(shí)際的激光表面處理，由于涉及的參數(shù)很多，因此必須確定一個(gè)最優(yōu)的工藝，這就需要一個(gè)數(shù)學(xué)模型來幫助預(yù)測(cè)最優(yōu)的工藝參數(shù)；另一方面運(yùn)用數(shù)學(xué)模型可以使人們對(duì)最終結(jié)果的相互影響有更好的理解。
表面氣相沉積強(qiáng)化。氣相沉積分為化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。這方面的研究主要是在模具表面形成一層陶瓷涂層，但是應(yīng)用陶瓷涂層的最大問題在于陶瓷涂層在熱膨脹性能上與模具鋼基體不匹配，這會(huì)造成涂層的早期開裂。在陶瓷涂覆前進(jìn)行等離子滲氮是增強(qiáng)陶瓷涂層與基體結(jié)合力的有效方法，對(duì)延長熱作模具壽命的效果顯著，得到廣泛的研究。鑒于各種陶瓷涂層，無論是單層還是多層或與滲氮復(fù)合，都會(huì)不可避免地產(chǎn)生與基體熱膨脹性能的差異，所以其對(duì)模具熱疲勞性能的影響是無法避免的。因此，有人提出設(shè)計(jì)一種復(fù)合涂層系統(tǒng)。復(fù)合涂層系統(tǒng)除了使壓鑄模表面具有抗焊合、抗熔損、耐氧化、耐磨損等功能外，最大的特點(diǎn)是減少了熱量向模具的傳遞，減緩了模具的溫度變化，增強(qiáng)了模具鋼的熱疲勞抗力。
結(jié)論
制造業(yè)的快速發(fā)展對(duì)模具鋼的性能提出了越來越高的要求，原有的模具鋼已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。為適應(yīng)制造業(yè)的發(fā)展，結(jié)合當(dāng)前模具鋼在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，國外對(duì)模具鋼成分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，研究開發(fā)出了許多性能優(yōu)異的新型熱作模具鋼。應(yīng)用高新技術(shù)，提高模具鋼冶金質(zhì)量和對(duì)組織性能進(jìn)行均勻化，是提高模具鋼性能的一條重要途徑。對(duì)熱作模具鋼進(jìn)行合理熱處理和表面處理，是在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上發(fā)揮材料潛力、延長熱作模具使用壽命的常用方法。
