热作模具钢中的合金元素
国家标准中，有四种高韧性锤锻模具钢：5CrNiMo、5CrMnMo、5MnMoSiV、5Cr4Mo。其中5MnMoSiV是为改善5CrNiMo钢淬透性而研制的，5Cr4Mo钢，主要是作为堆焊电极材料。70年代研制了无镍钢锤锻模模具钢5MnMoSiV，主要用于大中型模具，该钢加入矾，并采用硅锰复合合金化，强度有所提高，但由于含碳量仍保持在0.50%左右，其韧性有所降低趋势。近年来研制的4Cr2MoVNi、5Cr2MoVNiSi、45Cr2MoVNiSi，高温强度有所提高，且含碳量有略微下降，因此韧性有所提高。上述钢均用于大吨位锤锻模和机锻模。80年代前苏联、日本等国锤锻模具钢的发展趋势是：
I把钢中碳含量降低，即从0.5%降到0.4%，个别的可降至0.30%。
II钢中加入铬、钼、钨、钒的同时又添加钴、铌、钛、稀土、微量的钙、铝、氮等元素，进行多元合金化，合金元素总量在5-10%不等。模具材料使用温度及强韧性均有所提高，模具使用寿命可提高20%-120%。总的趋势是向着低碳、沉淀、硬化方向发展。为此弄清楚各合金元素作用之前，必须说明几个原则。
1 几个原则
-降低钢中碳的含量，淬火后能得到以板条状马氏体为主的组织，以保证模具材料的高韧性。
-实施多元复合合金化，以提高钢的热强性。合金化时，应特别注意防止第二类回火脆性。
-研究实施合理的强韧化热处理工艺，保证热强性与热韧良好的配合。
-在达到要求的综合性能前提下，尽量减少其合金元素的用量，降低新钢种的成本。
2 合金元素的作用
1） 碳
是控制马氏体强度的关键因素，也是影响韧性的主要因素。国内外关于低碳马氏体的大量研究表明：若要获得较好的综合机械性能，钢中碳量要控制在0.45%-0.30%。
2） 铬
铬形成碳化物，可提高钢的淬透性。淬火加热时铬溶于奥氏体，淬火后固溶于马氏体中，可以提高钢的抗回火能力。热作模具钢中，α-Fe中铬含量少于2%时，随着铬含量的增加，高温强度随之上升，但铬含量大于2%时，高温强度将随铬含量的增加反而下降。同时，还会引起碳化物偏析，将导致降低冲击韧性。一般讲，热作模具钢，铬含量应控制2%为宜。
3） 钨和钼
钨的加入在多元复合合金化的热作模具钢中，可以明显地降低钢的过热敏感倾向，并提高钢的热稳定性。但钨的含量超过2-3%，钢的热强性不会再有明显提高，反而会使韧性下降。一般应控制在1%左右。
钼的加入，可以提高钢的淬透性与热强性，又可以防止第二类回火脆性。但钼加入过多，会造成钼碳化物偏析，在回火过程中沿晶界呈针状或网状析出，影响钢的韧性。在高韧性热作模具钢中，钼含量以0.6-1%为宜。
4） 钒
钒可以降低钢的过热敏感倾向。在低合金钢中加入0.1-0.3%的钒就有明显的效果。马氏体钢中，钒含量达到0.5%就可以产生足够的二次硬化效应。钒量过高，在二次硬化温度范围内回火，钢的塑性、韧性将明显下降，故钒加入量不能超过1%。
5） 镍
镍为非碳化合物形成元素，可提高钢的淬透性。对钢的强度与韧性，均有良好作用。但过量镍会促使沿奥氏体晶界析出碳化物，这会导致基体中合金元素含量降低，使钢热强性下降。大型锤锻模具钢镍含量一般不会超过1.5%。
6） 硅
硅的加入可提高钢的淬透性和基体强度。硅溶于α-Fe中，使其强化，并提高α-Fe转变 r-Fe的转变温度及高温抗氧化能力。硅是不溶于碳化物，但能提高回火时析出特殊碳化物的弥散度；近期研究表明：加入适量的硅可以改善钢的韧性，在以碳化物为强化相的热作模具钢中，硅量一般以0.5-0.8%为宜。
7） 锰
锰，除了能提高淬透性之外，还可以消除硫的有害影响。它的含量，一般控制在0.5-0.8%。
8） 钴、铌、钛
铌可形成稳定性很高的NbC，在1050℃刚刚开始溶入奥氏体中，因此抑制晶粒长大，可提高热强性和高韧性。
钴的加入可显著提高耐氧化性和红硬性（耐磨性能好），如美国的H-10钢中。加入3%的钴，可大大提高其钢的耐磨性能。
钛在钢中的作用，就是在高温时，避免晶粒粗化，因此可以强化钢的基体，又能提高钢的韧性。
9） 硫与磷
由原材料带入的有害元素，参照5CrNiMo钢的冶金含量标准，均控制在少于0.03%范围。
国外热作模具钢
1 国外热作模具钢
对于要求高韧性、低耐热性的锤锻模用钢，国外仍以5CrNiMo钢为主。为进一步提高锻模寿命，开发了韧性较高、耐热性更好的钢种，如前苏联已使用多年的30X3HMψ、4X3BMψ，美国的H10、H11、H13等，其模具寿命可为5CrNiMo钢的1.5-3倍。
对于小尺寸的锤锻模，采用H10类型的模具钢虽然有许多优点，但其性能受淬火冷却速度的影响很大，冷却速度慢时，韧性就会显著下降。为此，日本爱知钢厂将3Cr-3Mo系钢加以改进，提高了Si、Cr、Ni的含量，使韧性提高一倍以上。在重约100kg的汽车锻件上，模具寿命提高了约0.8倍。表2给出了这类钢的化学成分，性能和模具寿命。
近年来日本大同特殊钢厂还开发了一类保留5%以上残余奥氏体的热作模具钢。这类钢采用淬火后从550℃缓冷至150℃，或者在Ms点附近保温的办法，使奥氏体稳定化，从而使钢的韧性与持久强度比H10、H13提高1倍以上。
压力机锻模用钢发展的一个特征是迅速普及应用大量析出硬化相模具钢。由于用户对此类钢买来后可不必淬火，不仅可以使制模周期缩短，而且使模具寿命获得提高，这类典型模具钢有3Ni-3Mo型，如日本的TP1、HD24、DH75，美国的6F4，法国的3455、20DN、3211。日本大同钢厂还在3Ni-3Mo钢基础上进一步改进，降低碳含量，加入2.5%的Co，使钢的韧性提高1.6倍，寿命提高50%。各国模具钢标准中都有一些含钴的钢种。日本在公布的新标准中就补进了含钴的美国H19类钢种，定名为SKD8。钴的价格较高，属于稀缺的战略物资，只有在必要时才使用含钴的模具钢。
另一条提高热作模具钢热稳定性与韧性的途径是合金元素含量更加合理化。瑞典Uddeholm公司近年来开发了ORO80M、QRO090M、新钢种，它是利用合理合金化配比，使其产生较多弥散的VC析出相，并在微量元素下，提高钢的热稳定性、抗热疲劳性。在这些性能方面均优于3Cr2W8V钢。其成份见表3。
