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。
