新型热挤压模具材料BC-4 BC-4、BC-4热作模具钢

一、工业产品质量、性能和生产效率的迅速提高，对国民经济的飞速发展有着十分重要的作用，而模具又是决定产品的质量、性能好坏，生产率高低的重要因素之一。

为适应科学技术的进步和工业的发展，模具制造技术领域也需要做相应的改革和发展，诸如寻求新的模具材料，探索先进的制造技术等，以便大幅度提高模具使用寿命和经济效益，这是当前模具制造技术领域迫在眉睫的任务。

二、热挤压成型模具服役条件及对模具的性能要求

热挤压模具主要用于完成高温条件下成型工序，服役条件十分苛刻。例如：20Cr等材料，加热温度为1150~1200℃ ，在水压机上成型，模具的温度可以达到900~950℃，因高压成型，被挤压的零件越大，加工的深度越深（特别是饭挤压成型的大工件），则条件越苛刻，高温强度要求也越高。若采用热作模具钢，由于高温强度低，每次热挤压后都要进行外部水冷以降低模具温度，模具要经受严重的冷热疲劳考验，在挤压成型时与炽热的工件接触，造成模具与工件之间的强烈摩擦，产生化学作用，使模具表面产生热腐蚀。这就使热作模具钢制造的热挤压模具产生塌陷、形变、拉沟、炸裂、表面腐蚀等现象，造成模具失效。

高温高压下热挤压成型模具还应具有良好的综合性能，主要是：应具有高的抗塑性变形能力；在服役的温度（800~950℃）下有高的热稳定性及抗磨损性能；在动负荷下应有足够高的韧性；对于热作模具钢应有高的淬透性能；还应当制造工艺简便，锻造、热处理亦不宜太复杂，机械加工容易。

目前国内外热挤压行业中通常采用热作模具钢做模具材料，我国主要用3Cr2W8V钢，英美、苏、瑞典则采用H13\4cr5MoVSi钢或其他基本钢制造模具。

由于服役条件苛刻，热挤压模具寿命低、经济效益差是个共同的问题。高温高压下作业的热挤压模具，其服役时的工作温度往往超过回火温度。尽管采用多种手段作强韧化处理（强韧化处理+表面强化处理、、、、、、），以图改善服役条件，最大限度的发挥材料的潜力，但仍远远满足不了使用性能的要求。

三、热挤压模具材料的选择--新型热挤压模具材料

根据目前热挤压行业的状况及对耐高温高强度材料的需求，我们研制了新的合金材料：BC-4热挤压模具材料。

热挤压模具材料BC-4选用工作温度为1000~1100℃的镍基合金为宜。因其变形抗力大，瞬时拉伸（800℃),σ0.2＞90kg/mm2能满足模具高温挤压时的强度要求而不需要外部水冷，排除了由于急冷急热而引起炸裂破坏的倾向，因此适合做高温高压下热挤压模具材料。

这种合金通过多种手段进行复合强化，从而具有良好的高温综合性能，满足高温高压下热挤压模具的服役条件，其原理如下：

合金在高温下有高的强度（800℃瞬时拉伸σb＞100kg/mm2 ） 主要取决于基本的强度。所谓基本强度，即合金元素（W、Mo、Co 、Cr、、、、、、元素 ）溶入Ni中形成固溶体，是强度升高（即固溶强化）。W、Mo、Co 、Cr等元素的溶入，使固溶体的点阵发生畸变，改变了显微应力场条件，使材料的滑移变形抗力增加，阻止滑移变形过程的进行。又由于热挤压模具是在高温高压下工作，合金基体强度也与 合金元素的扩散有关，W、Mo、Co 、溶入固溶体，使原子间的结合力有所提高，减缓了固溶体中扩散变形的进行，使基体的强度提高，W、Mo、Co 、Cr、、、、、、元素 的加入与Ni元素的原子差价大，则屈服强度高（原子间的差价越大则层错能力越低，越易于产生堆垛层错）。堆垛层错越多，则材料的合金强度也越高，W、Mo、Co 、Cr等元素都使材料的层错能力下降。W、Mo、Co 等元素溶入固溶体，排斥Al在固溶体中的溶解度，这对于得到高含量的Ni3（Al,Ti）及其有利。

强化相：Ni3（Al,Ti）金属间化合物

镍基高温合金中Ni3（Al,Ti）越多，高温强度也越高。原因是：在一定温度范围内（400~950℃）随着温度的升高，则Ni3（Al,Ti）强度也升高。

材料中的Ni3（Al,Ti）越多，高温强度、持久强度也越高，为保证材料有良好的高温性能，Ni3（Al,Ti）应大于50%（体积）以上。但Ni3（Al,Ti）塑性差且脆，合金中Ni3（Al,Ti）多，则压力加工也越困难。Ni3（Al,Ti）是由固溶体中析出，且与基体保持共格强化效应，故可提高合金的高温强度。

晶界强化：由于晶界处原子排列很不规则，在高温工作条件下原子沿晶界的扩散较晶内扩散要快的多，特别是晶界处含有低熔点杂质时，晶界处的强度较晶界内要低得多，破坏首先从晶界处开始，因此，晶界的强度时不可忽视的地方。

晶界强化的主要手段：

1、在合金中尽量减少低熔点的有害元素，如（P),(S),(Pb),(Bi），（As)、、、、、、等。

2、加入表面活性元素，产生内吸附，净化晶界。如加入少量的B（硼）、Zr（锆）或稀土元素Ce（铈），使其富集于晶界上，填充晶界空位，打到强化晶界的目的。而且Ce（铈）等元素的加入，还可以与富集晶界上的低熔点元素形成高熔点的化合物，如Bi形成高熔点的CeBi，起到净化晶界的作用。

3、通过热处理手段，使碳化物沿晶界呈颗粒状分布，即晶界处碳化物呈链条状分布（晶界是ｒ'相与碳化物呈链条状分布），起着阻碍裂纹扩展，提高强度的作用。

BC-4合金的主要相：

ｒ相：以镍为基的固溶体，系面心立方晶格，合金中ｒ相约占40~45%，是合金的基体。

ｒ'相：是一种金属间化合物，系面心立方晶格，与ｒ相基本保持共格关系，合金中ｒ'相占55~58%，是合金的主要强化相。

碳化物相：合金中碳化物类型为：MC,M6C和M23C6等三类。

硼化物：硼在合金中对晶界起着强化作用，如：在控制成分范围内，则有少量M3B2型硼化物存在于晶界。

晶界：晶界有少量初生碳化物MC相和较粗大的ｒ'相交替排列组成，经固溶处理(1210±10℃保温4小时空冷）后的晶界面明显。

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、模具钢：Cr12、Cr12MoV1、Cr12MoV、4Cr5MoSiV1、6542、M2、M42、H13、NAK80、P20、718H、4Cr13、W6、3Cr2W8V、D2、DC53、LD等。

GS-318模具钢、GS-738模具钢、GS-711模具钢、GS-808模具钢、GS-312模具钢、GS-083模具钢、GS-083H模具钢、GS-316S模具钢、GS-316模具钢、GS-343模具钢、GS-344模具钢、GS-344HT模具钢、GS-344ESR模具钢、GS-714模具钢、GS-767模具钢、GS-365模具钢、GS-885模具钢、GS-510模具钢、GS-842模具钢、GS-842模具钢、GS-436模具钢、GS-363模具钢、GS-821模具钢、GS-388高速钢、GSP-10V粉末高速钢、GSP-323粉未高速钢、GS-307模具钢、GS-821模具钢、GS-247高速钢、1.2888模具钢、X36CRMOV5-1模具钢、1.2340模具钢、X38CrMoV5-3模具钢、X40CRMOV5-1模具钢、X37CRMOV5-1模具钢、1.2990模具钢、X33CrS16模具钢、90MnCrV8模具钢、1.2840模具钢、1.2734模具钢、YE2311模具钢、YE2316模具钢、YE2738模具钢、YE2344模具钢、100MnCrW4工具钢、40CrMnMoS8-6模具钢、1.2885模具钢、1.2567模具钢、1.2363模具钢、1.2330模具钢、1.2101模具钢、X100CrMoV5-1模具钢、X30WCrV53模具钢、X30WCrV93、1.2581模具钢、1.2714、56NiCrMoV7工具钢、1.3351、80MoCrV4216模具钢、1.2067、100Cr6模具钢、1.2842、90MnCrV8模具钢、1.3348、S2-9-2高速钢、1.3333、S3-3-2高速钢、1.3243、S6-5-2-5高速钢、1.3245、S6-5-2-5S高速钢、1.3343、S6-5-2高速钢、1.3340、S6-5-2S高速钢、1.3344、S6-5-3高速钢、1.3246、S7-4-2-5高速钢、1.3207、S10-4-3-10高速钢、1.3202、S12-1-4-5高速钢、1.3255、S18-1-2-5高速钢、1.3242、SC6-5-2高速钢、1.2341、X6CrMo4模具钢、1.2764、X19NiCrMo4模具钢、1.2365、32CrMoV33模具钢、1.2625、X33WCrVMo1212模具钢、1.2606、X37CrMoW51模具钢、1.2316、X36CrMo17模具钢、1.2316H模具钢、1.2343、X38CrMoV51模具钢、1.2344、X40CrMoV51模具钢、1.2767、X45NiCrMo4模具钢、1.2376、X96CrMoV12模具钢、1.2379、X155CrVMo12模具钢、1.2880、X165CrCoMo12模具钢、X165CrMoV12、1.2601模具钢、1.2080、X210Cr12模具钢、1.2436、X210CrW12模具钢、27CrMoV6-12、1.2353模具钢、X30WCrV93、1.2581模具钢、1.2367模具钢、1.2510工具钢、1.2083模具钢、1.2311模具钢、1.2347模具钢、1.2085模具钢、1.2346模具钢、1.3247高速钢、HS0-4-1高速钢、HS1-4-2高速钢、HS18-0-1高速钢、HS2-9-1-8高速钢、HS1-4-2高速钢、HS1-8-1高速钢、HS3-3-2高速钢、HS6-5-2高速钢、HS6-5-2C高速钢、HS6-5-2Cg高速钢、HS6-5-3C高速钢、HS6-5-3高速钢、HS6-5-3-8高速钢、HS6-6-2高速钢、HS6-5-4高速钢、HS6-5-2-5高速钢、HS6-5-2-5g高速钢、HS10-4-3-10高速钢、BC-8模具钢等等。

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