基于V3N 超硬型高速钢模具在粉末冶金压模压制的研究

吴国明，李进东

（四川职业技术学院 机械工程系，四川 遂宁 629000）

1 材质和工艺

粉末冶金模具的种类很多，应用最广泛的是压模、精整模、锻模，把粉末压制成压坯所用的模具称为压模[2］。将压模模具型腔内粉末压制成有预定形状和尺寸压坯的过程，就是压制[3］。粉末冶金制件是否优质、高产、低成本的压制出来，模具的设计、制造和模具材料的选择起至关重要的作用。粉末冶金模具的选材一般分为合金模具钢、高速钢、钢结硬质合金、硬质合金。而W10Mo4 Cr4V3NAL 简称V3N 钢。V3N 钢是介于高速钢和硬质合金之间的一种超硬型耐磨高速钢。我国目前超硬型高速钢系列有M2AL、M42、V3N 等几个品种。M2AL 热处理硬度能达到67-70HRC，但是热处理过程中容易产生混晶，韧性不够理想；M42 具有较好的力学性能，但是CO 的含量比较高，因此成本较高，性价比不够理想。V3N 钢是一种无钴超硬耐磨高速钢。它和M2AL 相比具有良好在综合力学性能，热处理硬度达到70HRC，同时可以保持好的韧度指标。它和M42 相比，价格只有M42 的1/3，但所有在力学性能都达到M42 在水平。和硬质合金相比，综合力学性能接近硬质合金，但车成本只有硬质合金在20%左右。V3N 超硬型耐磨模具的特点：(1)无钴、硬度高，耐磨性好；高的红硬性（625OC，4 小时，硬度保持在63～65HRC）和一定在韧性。(2)加入N 元素，细化钢中的共晶碳化物，改善淬火组织，提高韧性。⑶化学成分：WC=1.13～1.25%，WW=11～12.5%，WMO=2.5～3.2%，WCr=3.5～4.1%，Wv=2.5～3.1%，WN=0.04～0.1%，WSi≤0.4%，WMn≤0.4%，WP≤0.03%，WS≤0.03%。

2 V3N 超硬型耐磨高速钢模具的性能

V3N 超硬型耐磨高速钢模具的硬度和韧性是相互对立的，而超硬型耐磨高速钢很好地解决了硬度和韧性之间的问题。当硬度越高时，韧性越下降，用低温淬火+低温回火解决。硬度为61HRC时冲击韧度AK=52J/cm2；硬度为62HRC 时冲击韧度AK=49J/cm2,大大超过了相同硬度状态下的高含铬量类模具的冲击韧度[4]。V3N 钢中钨、钒等合金元素含量较高，其耐磨性高于合金类模具。硬度68.6HRC 时，冲击韧度AK=15J/cm2；；硬度为67.2HRC 时冲击韧度AK=27J/cm2。虽然耐磨性比烧结碳化物稍差，但冲击韧性却要高得很多。V3N 钢超硬耐磨模具其硬度高、耐磨性好以及高的红硬性和良好的韧性的，其生产过程中它的使用效果在冷作模具钢上表现十分明显，克服了模具刃口塌陷和崩裂等早期损坏的现象。和现用其它冷作模具材料的五项力学性能见表1。

表1 V3N 钢超硬耐磨冷作模具材料性能比较

由表1 可知，在硬度、强度和刚度方面，V3N 钢高于现有各类材料制造的冷作模具，相当于钢结硬质合金材料水平，其抗弯强度和冲击性能明显高于另外两类硬质合金。V3N 钢作为一种冷作模具材料，它的硬度、强度和韧性等主要技术性能指标相当于同等钒量级别的含钴高速钢水平[4]。HPS-15 和V3N 钢高速工具钢性能比较见表2。

表2 V3N 钢和HSP-15 高速工具钢性能比较

3 V3N 超硬型耐磨高速钢模具使用情况

一般情况下，V3N 相当于国际市场现用含10%Go 的高速钢，已在模具生产中推广应用，可使使用寿命成倍增加。V3N 超硬型耐磨高速钢冲裁模具寿命超过普通高速钢的2～10 倍，Cr12 类模具的5～10 倍，CrWMn 类模具的20 倍左右。制造的成形模具和冷镦模具使用寿命达到普通模具的10 倍。所以如果模具的失效形式为崩裂，可选低硬度低于62HRC 高韧度的V3N 钢；如果模具的失效形式为磨损，可选用68HRC 高硬度的V3N 钢。当设计的模具使用寿命达不到要求时，用V3N钢[4]。

硬质合金模具在使用过程中易崩裂，呈非正常的失效形式。用V3N 钢可以大大提高模具的冲击韧性，减少或消除模具的脆断。硬质合金模具一旦划伤，很难修复，但V3N 钢模具则较容易修复，因而提高了模具的使用寿命。大尺寸的硬质合金模具难以生产制造，且加工成本较高，性能不易保证，V3N 钢模具可以取代大尺寸的硬质合金模具，用镦粗，拔长，锻造和改善内部组织等加工工艺。模具锻造质量明显优于硬质合金，加工成本又大大低于硬质合金。硬质合金模具加工相当困难，机械加工费用占较大比例，所以硬质合金一般适宜于形状简单的模具；V3N 钢的退火硬度小于270HBS，非常容易进行机械加工，能根据需要加工成任意复杂形状的零件。

V3N 钢适用于制作粉末冶金模具。阴模，上模冲，下模冲，芯轴在工作时都承受很高的压力，在与各种粉末的高压力摩擦下，要求模具有很高的硬度和耐磨性。V3N 钢能很好地满足该要求，当压制的产品批量大时，更能显示它的优越性。V3N 钢在模具中的阴模套、阴模镶块、滑轮压垫、滚轮、滚轮芯轴等都可以选用。V3N 钢还可以用来制作粉末冶金挤压模具。用V3N 钢制作挤压杆，易于加工，几乎不磨损螺旋表面磨损，使用寿命是普通系列高速钢的5 倍以上。表3 是V3N 钢在粉末冶金制品压制模具(压模)上的应用实例。

从国外引进的高性能模具材料,大多数为含高钒高速钢和含钴超硬高速钢。比如日本SKH57、德国S10-4-3-10（Ww=10%，WMO=4%，WV=3%，,WCO=10%,WCr=4%）、美国 的M46（8-2-3-8）和T15（12-1-5-5）、瑞典的KWE-45 和KWE-4 即ASSAB 高速钢HSP-17 和HSP-15。而用V3N 超硬型耐磨高速钢模具代替以上进口模具材料，制造成本远远低于进口模具材料，其使用性能全部能够达到要求，完全能够实现进口模具国产化，现在我国目前粉末冶金行业从国外引进了不少的先进生产线，模具的使用寿命直径影响企业的正常生产。如果使用国内生产的一般类合金模具，其寿命远远低于国外的设计水平，使用进口模具则成本过高，如果使用V3N 钢模具，提高企业的经济效益，大大降低模具的制造和使用成本。V3N 超硬型耐磨高速钢模具的抗热震性比含碳化钨和钴合金以及钢结硬质合金高，红硬性也远远高于钢结硬质合金及其它模具钢和高性能的高速钢，是非常理想的温压、温中模具材料，而温压技术是新兴的粉末冶金技术，模具的选材十分重要，而V3N 超硬型耐磨高速钢模具钢就恰好满足了温压模具的应用要求[5]。

表3 V3N 钢在粉末冶金制品压制模具(压模)上的应用实例

随着现代模具工业的快速发展，现在很多产品对模具的精度要求越来越高，这些模具在线切割后还要经过研磨、抛光才能使用，有些模具材料在线切割过程中易发生变形，直接影响模具的精度。而V3N 钢经过特殊处理后，在加工过程中基本不变形。

4 结论

通过对以上几种模具制造的材料、性能、工艺、应用和对比可以看出，V3N 钢模具具有优良的综合力学性能。模具使用寿命长，使用范围相当广泛，经济效益非常显著，进一步研究、推广和应用V3N 超硬型耐磨高速钢模具会得到良好的效果。