模具材料與模具熱處理的研究

1、模具材料與模具熱處理的研究王志（西北機(jī)器廠工模具公司）摘要：簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)模具鋼的發(fā)展概況，以及冷作模具鋼和塑料模具鋼的種類和模具的熱處理關(guān)鍵詞：模具鋼，熱處理五十年代，我國(guó)模具用鋼全部因襲國(guó)外鋼號(hào)。進(jìn)入六十年代，為了節(jié)約原材料和提高毛坯精度，少無(wú)切削工藝和精密成形技術(shù)有了迅速的發(fā)展，為了提高生產(chǎn)效率，采用了許多高效壓力加工設(shè)備，鍛錘逐漸被壓力機(jī)替代。原用模具鋼的性能常不能滿足服役條件對(duì)性能的高要求，影響了模具的使用壽命和壓力加工新工藝新設(shè)備的推廣應(yīng)用。七十年代末，精密及大型工程塑料制品的使用日益廣泛，對(duì)塑料模具用鋼的需求量急劇增加，對(duì)塑料模具鋼的性能也提出了新的要求，而我國(guó)當(dāng)時(shí)尚無(wú)塑料模具專

2、用鋼。六十年代以來(lái)，在國(guó)家有關(guān)部委的支持下，中國(guó)科技工作者結(jié)合國(guó)情，開發(fā)出不少新模具鋼，其中一些使用性能優(yōu)異、工藝性能也比較好的新鋼種受到模具制造和使用單位的歡迎。在此期間也引進(jìn)了一些國(guó)外通用的鋼號(hào)，其中有些鋼號(hào)通過(guò)生產(chǎn)試用，取得良好的效果。對(duì)一些使用效果較好的冷作模具鋼和熱作模具鋼，有關(guān)部門還分別組織了性能對(duì)比試驗(yàn)研究，提出了選擇和應(yīng)用的建議。為滿足高耐磨、長(zhǎng)壽命模具的需要，五十年代末，我國(guó)硬質(zhì)合金有了迅速的發(fā)展，同時(shí)也開發(fā)了多種鋼結(jié)硬質(zhì)合金，用做模具取得良好的效果。在這里將對(duì)冷作模具鋼、塑料模具鋼、硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金以及模具的熱處理等四個(gè)部份進(jìn)行論述。1 冷作模具鋼目前我國(guó)常用的冷作模

3、具鋼仍是低合金工具鋼CrWMn和高碳高鉻工具鋼Cr12MoV及Cr12這些老的鋼號(hào)。CrWMn鋼有適當(dāng)?shù)拇阃感院湍湍バ裕瑹崽幚碜冃涡?，但CrWMn鋼鍛后需較嚴(yán)格地控制冷速，并采用適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使碳化物呈均勻?xì)小的粒狀，分布于基體上，否則易形成網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致模具在使用中的崩刃和開裂。高碳高鉻工具鋼有高的耐磨性，但其碳化物偏析較嚴(yán)重，導(dǎo)致變形的方向性和強(qiáng)韌性的降低。通過(guò)反復(fù)鐓撥可在一定程度上改善其偏析程度。1981年，我國(guó)引入國(guó)際通用的高碳高鉻工具鋼D2(Cr12Mo1V1)。和Cr12MoV鋼相比，D2鋼的碳化物偏析較之Cr12MoV略有改善，強(qiáng)度與韌性稍有提高，D2鋼制作的模具，其使用壽命亦

4、有不同程度的提高。高速鋼（主要是W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V）有更高的耐磨性和強(qiáng)度，常用于制作模具，但其韌性不能滿足復(fù)雜大型和受沖擊負(fù)荷大的模具的需要。為了改善這類鋼的強(qiáng)韌性，我國(guó)開發(fā)了一些新的冷作模具鋼：1.1低合金冷作模具鋼這類鋼的主要特點(diǎn)是工藝性好，淬火溫度低，熱處理變形小，強(qiáng)韌性好，并具有適當(dāng)?shù)哪湍バ?。如GD(6CrMnNiMoVSi)、7CrSiMnMoV（簡(jiǎn)稱CH）、DS鋼等。GD鋼用于制作易崩刃、斷裂的冷沖模具有高的使用壽命。CH鋼的成分與日本的SX105V鋼相同，是一種火焰淬火鋼，常用于制做汽車等生產(chǎn)線上用的模具零件，火焰淬火時(shí)加熱模具刃口切料面，硬化層下又有一個(gè)高韌性

5、的基體做襯墊，從而使模具獲得較高的使用壽命。DS鋼是一種沖擊冷作模具鋼，其沖擊韌性顯著優(yōu)于常用的高韌性刀片用工具鋼6CrW2Si。1.2基體鋼基體鋼一般指其成分與高速鋼淬火組織中基體化學(xué)成分相同的鋼。美國(guó)、日本在七十年代初即研究過(guò)牌號(hào)為VascoMA、VascoMatrixI和MOD2的基體鋼，相當(dāng)于M2和M36高速鋼的基體，但未得到廣泛的使用。我國(guó)研制了一些基體鋼，如65Cr4W3Mo2VNb（簡(jiǎn)稱65Nb）、65W8Cr4VTi（簡(jiǎn)稱LM1）65Cr5Mo3W2VSiTi（簡(jiǎn)稱LM2）鋼等。這些基體鋼的主要特點(diǎn)是其含碳量稍高于基體的含碳量，以增加一次碳化物量和提高耐磨性，還加入少量的強(qiáng)碳化

6、物形成元素鈮或鈦，以形成比較穩(wěn)定的碳化物，阻止淬火加熱時(shí)晶粒的長(zhǎng)大并改善鋼的工藝性能。這類基體鋼已較廣泛地用于制作冷擠壓、厚板冷沖、冷鐓等模具，特別適于難變形材料用的大型復(fù)雜模具，還可用做黑色金屬的溫?zé)釘D壓模具。1.3韌性較高的耐磨冷作模具鋼為了改善Cr12型冷作模具鋼的碳化物偏析，提高其韌性，并進(jìn)一步增加鋼的耐磨性，我國(guó)做了大量的研究工作，開發(fā)出不少新的鋼種，如LD、ER5和GM鋼等。在這些鋼中，適當(dāng)降低了鉻含量以改善碳化物偏析，增加鎢、鉬和釩的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性。與Cr12型冷作模具鋼比較，這類鋼的碳化物偏析有所改善，有較高的韌性。這類鋼比Cr12型冷作模具鋼有更好的耐磨

7、性，因而制做的模具有更高的壽命，更適于高速?zèng)_床和多工位沖床的使用。2 塑料模具鋼塑料成形用模具產(chǎn)值已在模具工業(yè)總產(chǎn)值中占首位。中國(guó)過(guò)去無(wú)專用塑料模具用鋼。近年在引進(jìn)國(guó)外塑料模具用鋼的同時(shí)，自行研制和開發(fā)出一些新的塑料模具專用鋼。2.1預(yù)硬型塑料模具鋼這類鋼在鋼廠經(jīng)過(guò)充分鍛打后制成模塊，預(yù)先熱處理至要求的硬度（一般預(yù)硬至3035RHC）后，供使用單位制模。P20（即3Cr2Mo）是國(guó)外使用最廣泛的預(yù)硬塑料模具鋼，已列入我國(guó)合金工具鋼標(biāo)準(zhǔn)，八十年代以來(lái)已在我國(guó)一些工廠廣泛采用。718是瑞典生產(chǎn)的改型P20鋼，較P20有更高的淬透性，調(diào)質(zhì)后可在大截面尺寸保持硬度均勻一致，亦在我國(guó)得到較廣泛地使用。2

8、.2易切削預(yù)硬鋼為了改善預(yù)硬塑料模具鋼的被切削性能，可加入易切削元素。美國(guó)、日本、德國(guó)都發(fā)展了一些易切削預(yù)硬鋼。國(guó)外易切削預(yù)硬鋼主要是S系，也有S-Se系、Ca系。但Se價(jià)格較貴。S系易切削鋼的各向異性較大，在截面增大時(shí)，硫化物的偏析比較嚴(yán)重。我國(guó)研制了一些含硫易切削預(yù)硬塑料模具鋼，如8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）和S-Ca復(fù)合易切削塑料模具鋼5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）。5NiSCa鋼采用了S-Ca復(fù)合易切削系和噴射冶金技術(shù)，改善了硫化物的形態(tài)、分布和鋼的各向異性,在大截面中硫化物的分布仍比較均勻。5NiSCa鋼有高的淬透性和鏡面拋光性，模具硬度為3545HRC時(shí)，可順利

9、進(jìn)行各種加工。2.3非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼這種鋼不經(jīng)調(diào)度處理，鍛、軋后可達(dá)到預(yù)硬硬度，有利于節(jié)約能源、降低成本、縮短生產(chǎn)周期。我國(guó)開發(fā)的這類鋼有：中碳錳硼系空冷貝氏體鋼、可用于制作塑料模和橡膠模；非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼2Mn2CrVTiSCaRe(FT),鋼中加入S、Ca、Re做為易切削元素，比S-Ca復(fù)合系易切削鋼有更好的切削性能；低碳MnMoVB系非調(diào)質(zhì)貝氏體型大截面塑料模具鋼（B30），鋼中加入S、Ca作為易切削元素，工業(yè)試生產(chǎn)表明400mm厚板坯熱軋后空冷，硬度沿截面分布較均勻。2.4時(shí)效硬化鋼我國(guó)開發(fā)了幾種低鎳時(shí)效硬化鋼，這些鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后進(jìn)行機(jī)械加工，再經(jīng)時(shí)效，通過(guò)析出金屬間化合物提高硬度，熱處理

10、后變形很小。時(shí)效硬化鋼適于制作高精度塑料模具、透明塑料用模具等。這類鋼有25CrNi3MoAl、10Ni3Mn2AlCu（PMS）和06Ni6CrMoVTiAl等鋼。這些鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后，硬度為2030HRC，可進(jìn)行機(jī)械加工，再經(jīng)時(shí)效，硬度可達(dá)3842HRC、。2.5耐蝕塑料模具鋼塑料制品在以化學(xué)性腐蝕塑料為原料時(shí)，模具需具有防腐蝕性能，一般采用耐蝕鋼制造模具，此時(shí)還要求有較好的耐磨性。常用的鋼種為4Cr13(420)、9Cr18、17-4PH。PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)是我國(guó)開發(fā)的一種耐蝕塑料模具鋼，有較好的綜合力學(xué)性能良好的抗蝕性。3 模具熱處理模具制造的成本高，特別是一些精密復(fù)雜的冷

11、沖模、塑料模、壓鑄模等。采用熱處理技術(shù)提高模具的使用性能，可以大幅度提高模具壽命，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，我國(guó)模具技術(shù)工作者十分重視模具熱處理技術(shù)的發(fā)展。3.1真空熱處理模具鋼經(jīng)真空熱處理后有良好的表面狀態(tài)，變形小。與大氣下的淬火比較，真空油淬后模具表面硬化比較均勻，而且略高一些，主要原因是真空加熱時(shí)，模具鋼表面呈活性狀態(tài)，不脫碳，不產(chǎn)生阻礙冷卻的氧化膜。在真空下加熱，鋼的表面有脫氣效果，因而具有較高的力學(xué)性能，爐內(nèi)真空度越高，抗彎強(qiáng)度越高。真空淬火后，鋼的斷裂韌性有所提高，模具壽命比常規(guī)工藝普遍提高40%400%，甚至更高。冷作模具真空淬火技術(shù)已得到較廣泛的使用。3.2深冷處理近年來(lái)的研究工作表明

12、，模具鋼經(jīng)深冷處理（-196），可以提高其力學(xué)性能，一些模具經(jīng)深冷處理后顯著提高了使用壽命。模具鋼的深冷可以在淬火和回火工序之間進(jìn)行，也可在淬火回火之后進(jìn)行深冷處理。如果在淬火、回火后鋼中仍保留有殘余奧氏體，則在深冷處理后仍需要再進(jìn)行一次回火。深冷處理能提高鋼的耐磨性和抗回火穩(wěn)定性。深冷處理不僅用于冷作模具，也可用于熱作模具和硬質(zhì)合金。深冷處理技術(shù)已越來(lái)越受到模具熱處理工作者的關(guān)注，已開發(fā)出專用深冷處理設(shè)備。不同鋼種在深冷過(guò)程中的組織變化及其微觀機(jī)制及其對(duì)力學(xué)性能的影響，尚需進(jìn)一步研究。3.3模具的高溫淬火和降溫淬火一些熱作模具鋼，如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等，采

13、用高于常規(guī)淬火溫度加熱淬火，可以減少鋼中碳化物的數(shù)量、改善其形態(tài)和分布，使固溶于奧氏體中碳的分布均勻化，淬火后可在鋼中獲得更多的板條馬氏體，提高其斷裂韌性和冷熱疲勞抗力，從而延長(zhǎng)模具使用壽命。例如3Cr2W8V鋼制的一種熱擠壓模具，常規(guī)淬火溫度為10801120，回火溫度為560580。當(dāng)淬火溫度提高至1200，回火溫度為680（2次），模具壽命提高了數(shù)倍。W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速鋼和Cr12MoV等高合金冷作模具鋼，可適當(dāng)降低其淬火溫度，以改善其塑韌性，減少脆性開裂傾向，從而提高模具壽命。例如W6Mo5Cr4V2的淬火溫度可選用11401160。3.4化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理能有

14、效地提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗咬合、抗氧化性等性能。幾乎所有的化學(xué)熱處理工藝均可用于模具鋼的表面處理。研究工作表明，高碳及低合金工具鋼和中高碳高合金鋼均可進(jìn)行滲碳或碳氮共滲。高碳低合金鋼滲碳或碳氮共滲時(shí)，應(yīng)盡可能選取較低的加熱溫度和較短的保溫時(shí)間，此時(shí)可保證表層有較多的未溶碳化物核心，滲碳和碳氮共滲后，表層碳化物呈顆粒狀，碳化物總體積也有明顯增加，可以增加鋼的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb鋼制模具進(jìn)行滲碳以及65Nb鋼制模具真空滲碳后，模具的壽命均有顯著提高。采用500650高溫回火的合金鋼模具，均可在低于回火溫度的范圍內(nèi)或在回火的同時(shí)進(jìn)行表面滲氮或氮碳共滲。滲氮工藝目前多采用離

15、子滲氮、高頻滲氮等工藝。離子滲氮可以縮短滲氮時(shí)間，并可獲得高質(zhì)量的滲層。離子滲氮可以提高壓鑄模的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞性和抗粘附性能。氮碳共滲可在氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)中進(jìn)行，滲層脆性小，共滲時(shí)間比滲氮時(shí)間大為縮短。壓鑄模、熱擠壓模經(jīng)氮碳共滲后可顯著提高其熱疲勞性能。氮碳共滲對(duì)冷鐓模、冷擠壓模、冷沖模、拉伸模等均有很好的應(yīng)用效果。冷作模具和熱作模具還可以進(jìn)行硫氮或硫氮碳共滲。近年許多研究工作都表明稀土有明顯的催滲效果，從而發(fā)展了稀土氮共滲、稀土氮碳共滲等新工藝。3.5滲硼和滲金屬滲硼可以是固體滲硼、液體滲硼和膏劑滲硼等，應(yīng)用最多的是固體滲硼，市場(chǎng)上已有固體滲硼劑供應(yīng)。固體滲硼后，表層的硬度高達(dá)1

16、4002800HV，耐磨性高，耐腐蝕性和抗氧化性能都較好。滲硼工藝常用于各種冷作模具上，由于耐磨性的提高，模具壽命可提高數(shù)倍或十余倍。采用中碳鋼滲硼有時(shí)可取代高合金鋼制作模具。滲硼也可應(yīng)用于熱作模具，如熱擠壓模等。滲硼層較脆，擴(kuò)散層比較薄，對(duì)滲層的支撐力弱，為此，可采用硼氮共滲或硼碳氮共滲，以加強(qiáng)過(guò)渡區(qū)，使其硬度變化平緩。為改善滲硼層脆性，可采用硼釩、硼鋁共滲。滲金屬包括滲鉻、滲釩、滲鈦等工藝均可用于處理冷作和熱作模具，其中TD法（熔鹽滲金屬）已得到一些應(yīng)用，可使模具壽命提高幾倍乃至十幾倍。3.6高能束熱處理高能束熱處理的熱源通常是指激光、電子束、離子束等。它們共同的特征是：供給材料表面功率密度至少103W/2。它們的共同特點(diǎn)是：加熱速度快，加熱面積可根據(jù)需要選擇，工件變形小，不需要冷卻介質(zhì)，處理環(huán)境清潔，可控性能好，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理