模具热处理问题.doc

/icbc/perbank/index.jsp 工商银行/bei_kao_xu_zhi_3925/20070911/t20070911_253755.shtml模具结构设计、模具材料、冷热加工工艺、热处理、研磨、机床的调整与操作、被加工材料的性质与状态、润滑条件及模具的服役环境是影响模具使用寿命的八大基本因素。我国现有模具生产厂点约17000余家，从业人员约50万人，年产值达200亿元左右；商品模具约占13，其余为自产自用。从模具市场看，处于供不应求的状态，特别是精密、大型、复杂、长寿命模具，缺口更大1。国内模具市场主要集中在汽车、摩托车、家电、电子产品、通讯设备和仪器仪表等行业。另外、通讯设备、PVC门窗和上下水管道及管接头、铝型材加工等都将成为模具的重要市场。面对如此巨大的模具市场，努力缩短模具的生产周期、提高模具的质量、延长模具的寿命直接和间接带来的社会效益和经济效益是难以估量的。模具的质量包括模具的精度、表面光洁度和模具寿命3个方面。模具的精度和光洁度主要由机加工决定，而模具的寿命取决于设计、加工、材料、热处理和使用操作等多个因素，其中材料和热处理是影响模具使用寿命最重要的内在因素。本文拟从以下5个方面评述模具技术：（1）影响模具使用寿命的基本因素；（2）模具的服役条件、失效方式及对模具用钢的性能要求；（3）模具钢力学性能指标的评述；（4）模具钢的发展与选用；（5）模具的热处理与工艺优化。1影响模具使用寿命的基本因素2模具结构设计、模具材料、冷热加工工艺、热处理、研磨、机床的调整与操作、被加工材料的性质与状态、润滑条件及模具的服役环境是影响模具使用寿命的八大基本因素。1.1结构设计不合理的结构设计往往是造成模具早期失效和热处理变形开裂的重要因素。模具的结构设计应尽量避免尖锐的圆角和过大的截面变化。尖锐圆角引起的应力集中可高达平均计算应力的10多倍。当由于模具结构的要求，尖锐圆角不允许消除时，可将整体结构改成组合式或将圆角的加工放在最终热处理后进行。如内四方头螺栓，原设计用冷镦模镦制，使用寿命500件，在冲头圆角过渡应力集中部位折断；后来改进设计，加大圆角过渡部位的半径，由R0.127mm增大到0.3810.5mm，寿命提高到1200027000件，仍在圆角过渡处断裂失效；第二次改进设计成组合式，寿命提高到100，000件，最终以磨损失效3。为防止热处理变形与开裂，截面尺寸力求均匀，形状力求对称而且简单，盲孔尽量开成通孔，必要时可开工艺孔，对于形状复杂易变形开裂的模具可改成组合式。1.2模具材料与热处理模具材料对模具寿命的影响反映在模具材料的选择是否正确、材质是否良好和使用是否合理3个方面。选材时必须兼顾模具使用性能要求。对于冷冲模应主要考虑钢的强度、韧性和耐磨性。强度与韧性以及韧性与耐磨性之间往往此消彼长。当模具的主要失效方式是脆性开裂时可考虑选择强度较低但韧性更好的材料或制订合理的热处理工艺以改善钢的韧性，亦可根据实际情况选择同时具有高强度与高韧性的高级合金钢。从兼顾韧性和耐磨性的角度除了整体合理选材外，亦可考虑在保证韧性的同时，采用合理的表面处理以改善模具的耐磨性。塑料模具钢选用时要兼顾其在塑料成形温度下的强度、耐磨性和耐蚀性，同时还应考虑其加工性能和镜面度。热处理不当是导致模具早期失效的重要因素。热处理对模具寿命的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处理质量不良两个方面。统计资料表明，由于选材和热处理不当，致使模具早期失效的约占70。这个问题在第4节和第5节中另行讨论。1.3冷热加工工艺锻造和机加工对模具寿命的影响，常常被人们忽略，不正确的锻造和机加工往往成为导致模具早期失效的关键。以Cr12MoV钢为例，该钢是国内最常用的冷作模具钢之一，属于高碳高铬莱氏体钢，含有大量的一次和二次碳化物，偏析很大。因此，改善其碳化物分布状况成为提高模具寿命的重要环节。表1为碳化物级别对Cr12MoV钢力学性能的影响。表1碳化物级别对Cr12MoV钢力学性能的影响4碳化物级别弯曲强度MPa扭转强度MPa冲击韧度J.cm215234538003815364036573490350234003414309031012620263625602569239024022240225320902104394328295245199共晶网状碳化物难以通过热处理消除，必须通过锻造使其细化并均匀化。国标中对网状碳化物级别要求较宽，实际使用中，需要重新改锻，使其达到2级的碳化物的要求。为此需要对钢坯从不同方向上进行多次镦粗和拉拔，并应按“二轻一重”法锻造。即坯料加热到11001150始锻时，要轻击，防止锻裂；在10001100温度区内要重击以保证击碎碳化物；在1000以下因钢料塑性降低要再度轻击，防止出现内裂纹，并确保最后形成的碳化物排列方向垂直于模具的工作面，终锻温度850900。锻造比一般控制在22.5。利用锻后余热淬火，低温回火，可获得隐针马氏体加细小弥散分布的碳化物和少量残留奥氏体，可大幅度提高模具的使用寿命。不正确的机加工可能在以下3个方面导致模具早期失效：不当的切削，形成尖锐圆角或过小的圆角半径时常常造成应力集中，使模具早期失效；表面光洁度不够，存在不允许的刀痕，常常使模具因早期疲劳破坏而失效；机加工没有完全均匀地去除轧制和锻造形成的脱碳层，致使模具热处理后形成软点和过大的残余应力导致模具早期失效。1.4磨削和电火花加工磨加工可能导致金属表面局部过热，产生高的表面残余应力以及组织变化等，其结果可能导致磨削裂纹的产生。常见的磨削缺陷有，磨削速度过快引起金属烧伤；用钝的或重载砂轮磨削或使用过细的砂轮和冷却剂使用不当引发的磨削裂纹。细小的磨削裂纹难于用肉眼观察，需用磁粉探伤或稀硝酸冷侵蚀方能显示。轻的磨削裂纹常垂直于磨削方向平行分布，严重的磨削裂纹呈龟裂状。这些磨削裂纹即使可以通过轻磨予以去除，但危害犹存，常导致模具在服役中早期失效。电火花加工常常作为模具的最后加工工序。电火花加工可在淬火回火模具的表面形成淬火马氏体的白亮层，由于高碳马氏体的固有脆性和显微裂纹的存在，往往导致模具早期开裂失效。另外，电火花加工可在模具表面形成不良的残余应力，降低了模具的使用寿命。1.5机床的调整与操作材质优良、结构设计正确、冷热加工良好、热处理合理的模具，由于机床调整和使用操作不当，仍然可能在服役过程中早期失效。机床调整和操作因素包括机床的精度、刚性、间隙调整、定位不准和偶然过载等。认真对待这些因素，将有助于发现模具失效的真正原因，生产上模具寿命的较大波动，常常与机床调整和使用操作因素有关，必须给予足够重视。除了上述因素外，模具的润滑条件和被加工材料的材质、硬度、尺寸以及端面平直度等外在因素，也都会影响模具的使用寿命。2模具的服役条件、失效方式及对模具钢性能的要求2.1冷镦模冷镦是一种冷锻工艺，凭借镦锻模在一次或多次冲击下将坯料的部分金属加工成特定的截面形状。坯料主要是线材或棒料。冷镦被广泛地用于生产紧固件，如螺钉和铆钉等。适合冷镦的材料有低碳钢丝或棒材（7578HRB）、铜和铜合金、铝和铝合金、不锈钢及含碳量低于0.44的中碳钢丝（球化退火）。冷镦模分为凸模（或锤头）与凹模，凹模又有整体凹模与开式凹模之分，整体凹模可以由一种材料制造，也可以采用两种材料，中心型腔部分采用不同材料制成凹模镶块。开式凹模由表面带槽的两件模块组成，两件模块组合在一起形成模膛。在模块的不同表面开槽，然后通过翻转模块可组成多个新型槽。冷镦模具表面要求高硬度（60HRC），硬材料的冷镦模具要整体淬硬，以防压塌；在保证不堆塌的前提下，为了使模具有足够的韧性，防止开裂，冷镦模具的心部硬度以4050HRC为宜。常用的冷镦模具钢有T10A、9SiCr、9Cr2、Cr12MoV等，凹模镶块可用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、WC（含13%25Co）、W18Cr4V钢制造，形状复杂、冲击大的凸模可采用耐冲击钢5CrW2Si、60Si2Mn和基体钢。2.2冷挤压模冷挤压分为正挤压、反挤压和复合挤压。冷挤压冲头承受较大的动载荷，为防止模具早期疲劳失效，应避免过大的应力集中，并应注意冲头的稳定性，冲头的长径比（LD）不能过大，挤压钢件时，LD31，挤压铜及其合金LD51，挤压铝及其合金LD101。当模具承受的应力超过材料的0.22时，凹模需加预应力环，凹模与预应力环之间可采用锥度（0.51）配合或热压配合（红套）。低中碳钢的冷挤压模具要求有高的硬度（5966HRC），高的抗压屈服强度和适当的韧性。常用的模具材料有Cr12MoV、Cr12Mo1V1、W6Mo5Cr4V2钢和基体钢等，内预应力环常采用4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si钢（4648HRC），外预应力环通常用4Cr5MoVSi、5CrNiMo等钢制造。铝合金冷挤压模可采用T7A、T10A、Cr12、Cr12MoV、GCr15、9SiCr和CrWMn等钢制造。3模具钢力学性能指标的评述冷作模具要求材料具有高的强度、良好的塑性和韧性及耐磨性；热作模具用钢要求在工作温度下保持高的强度和韧性、良好的抗烧蚀性、热稳定性和优良的热疲劳抗力。问题是用什么指标来评价上述性能指标？冷作模具钢一般含碳量较高，通常在回火马氏体加碳化物组织状态下使用，脆性大。常规拉伸试验时，往往在弹性范围内即发生断裂，测不出模具钢的塑性。工程上常采用其他试验方法评定钢的力学性能。文献5选择常用的冷变形工模具钢，测定了其拉伸、弯曲、扭转、压缩、一次冲击、断裂韧度和冲击疲劳性能，对其强度、塑性、韧度指标及与模具寿命关系进行了综合评述。3.1强度结构钢最重要的强度指标是拉伸强度极限b和屈服极限0.2。对于高强度低塑性冷作模具钢拉伸试验用得较少，其原因是大圆弧拉伸试样难以加工并且数据散乱性也比较大。工程上通常根据模具的服役条件选用弯曲、扭转或压缩试验测得的bb、bs、b、s、cs作为冷作模具钢强度的表征参量。在上述这些强度指标中，习惯上容易想到强度极限指标如bb、b等。然而，强度极限不是一个独立的力学性能指标，它既取决于屈服极限的高低，又取决于形变强化指数和形变强化容量（塑性）的大小。本质上冷作模具钢的强度指标应该是用不同试验方法测得的屈服极限。图1比较了各种钢的强度极限与屈服极限。由图1可以看出，各钢种用同一试验方法测得的强度极限和屈服极限差别不大，不超过30。值得指出的是尽管试验方法不同，但各钢种的屈服极限却具有相同的变化规律，即钢的bs高，则s、cs和s也高，而强度极限则不同。这反映了屈服极限是材料的基本性能指标，它代表材料微量塑性变形的抗力。而强度极限作为强度表征参量的物理意义则不够明确。从工程应用的角度，要保证批量生产的被加工零件的精度，模具本身除了要求具有较高的尺寸精度外，使用中不允许发生过量的塑性变形，故模具的设计应力不得超过材料的屈服强度。从这个意义来说，屈服极限比强度极限有更重要的工程意义。 图1冷作模具钢的强度极限与屈服极限1.T8钢2.T10钢3.GCr15钢4.W18Cr4V钢5.6CrW2Si钢6.6Cr4Mo3Ni2WV钢3.2塑性塑性与加载方式有关。对于高碳高强度的冷作模具钢，通常用弯曲和扭转试验测得的总弯曲挠度（ft）和扭转角（t）表征其塑性。然而ft和t反映了材料在弯曲和扭转应力作用下断裂前最大变形能力，它包括弹性变形能力和塑性变形能力两部分。因此，通常采用弯曲塑性挠度fp、塑性扭转角p、压缩相对变形和拉伸断面收缩率作为工模具钢的塑性表征参量。试验结果示于图2中。与强度指标相比，各钢种的塑性变化幅度较大。例如，6CrW2Si和W18Cr4V钢的p和fp相差几十倍，前者的值高达13.4而后者为零。与屈服极限相同，用不同方法测得的各钢种塑性参量也具有相同的规律，不因应力状态的变化而变化。图2冷作模具钢的塑性1.T8钢2.T10钢3.GCr15钢4.W18Cr4V钢5.6CrW2Si钢6.6Cr4Mo3Ni2WV钢3.3韧性工模具钢的韧性可用不同的参量描述。Grobe等人用材料弯曲试验的塑性挠度fp和屈服极限bs的大小这两个参量表征钢的韧性6。Weigand提出用静弯曲和静扭转试验测得的塑性功的大小作为韧性的表征参量7。Seabright论述工模具钢的韧性时，主要指一次无缺口冲击值和扭转冲击值8。近年来，关于断裂韧度在工模具上的应用也受到了广泛的关注9，10。从工程应用的角度，上述韧性指标作为防止工模具断裂的抗力指标有很大的局限性。若用静弯曲或静扭转测得的塑性功表征钢的韧性并借此选择材料和制订工艺，可能导致错误的结论。试验表明，尽管6CrW2Si钢的弯曲总功和塑性变形功分别为W18Cr4V钢的2.3倍和9.8倍，但在较低的冲击应力下（冲击能量3.27N.m和1.83N.m），前者的冲击破坏周次却只有后者的4070。断裂韧度作为防止冷变形工模具断裂的性能指标有一定局限性。工模具都是用轧制钢材，经锻造和严格的机加工以后成型的，表面缺陷小而少，虽然材料本身的夹杂物和第二相可以看做为一种缺陷，但是大多数冷作模具的断裂不属于一次或少周次载荷作用下的脆断而是疲劳断裂，疲劳裂纹的萌生和早期扩展占据总寿命的80以上。KIC是一个防裂纹体脆断的指标，它对抗疲劳断裂的贡献主要表现在影响极限裂纹的深度，它不能用作冷作模具的主要失效抗力指标。试验结果表明，虽然W18Cr4V钢的冲击韧度（KIC16.8MPa.m12）比6CrW2Si钢（KIC26MPa.m12）低35，但它们的冲击疲劳寿命却与此无对应关系。由于一次摆锤冲击试验和扭转冲击试验不能反映模具的实际服役条件，故用做冷作模具断裂失效抗力指标也是不合理的。但是由于试验方法简单易行，并且冲击扭转试验对钢的组织比较敏感，所以这两种试验方法在工模具钢的研究中仍被广泛地采用着。图3对比了6种钢的KIC、弯曲功、扭转功和一次无缺口冲击能。由图2和图3可以看出，各钢种对应的塑性和韧性表征参量具有相同的变化规律。表明冷变形工模具钢韧性的大小在很大程度上反映了相应应力状态下钢的塑性。这是因为冷作模具钢的强度变化幅度小，塑性变化幅度大的缘故。图3冷作模具钢的韧性1.T8钢2.T10钢3.GCr15钢4.W18Cr4V钢5.6CrW2Si钢6.6Cr4Mo3Ni2WV钢3.4冲击疲劳抗力及其与强度、塑性和韧性的关系图4和图5比较了6种钢的冲击疲劳抗力。由图1至图5可以看出，任何单一的静载力学性能指标都不能全面反映钢的冲击疲劳抗力，这是因为后者不是一个单纯的强度指标或单纯的塑性指标，而是一个要求强度和塑性合理配合的抵抗循环冲击载荷的指标。冲击载荷较低时（1.83N.m），钢的冲击疲劳寿命主要取决于强度；冲击载荷较高（冲击能量3.95N.m）时，各钢种的冲击疲劳寿命又主要由塑性（弯曲fp）的大小所决定。因此，在选用工模具材料和进行热处理工艺变革时，外载荷较低时应主要考虑材料的强度指标；外载荷较高时，应当在保证一定强度水平前提下，努力提高材料的塑性。图4冷作模具钢的冲击疲劳抗力图5冷作模具钢的冲击疲劳寿命1.T8钢2.T10钢3.GCr15钢4.W18Cr4V钢5.6CrW2Si钢6.6Cr4Mo3Ni2WV钢4模具钢的发展与选择12我国各类模具钢、低熔点合金、钢结硬质合金、高温合金等新型模具材料有70余种。在GB129985合金工具钢国家标准中，列入了33个钢种，在JBT605892冲模用钢及其热处理技术条件中，收入新钢种5个。基本上形成了具有我国特色的模具用材体系。标准中Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9SiCr、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V和60Si2Mn等钢种是模具生产中应用较多的材料，约占80。20、45、38CrMoAlA、T7A、T8A、T10A和T12A钢等材料多用于工作负荷低，要求不高的模具和模架。W18Cr4V钢和W6Mo5Cr4V2钢用于工作负荷大、要求较高的模具13。近年来，随着模具工业的发展，我国又自行开发研制了一些新型模具钢，主要的几种列于表2中。4.1冷作模具钢4.1.1火焰淬火钢近年来，针对覆盖件冲模，特别是大型镶块模具的加工和热处理问题，国外，主要是日本，开发了Si-Mn系列的含碳量为0.60.8的中合金火焰淬火钢。我国的7CrSiMnMoV火焰淬火钢与日本的SX105V钢成分相同。淬火时可用火焰加热模具刃口切料面，淬火前需对模具进行预热（预热温度180200），该钢淬火温度范围较宽（9001000），对模具刃口施行局部火焰加热，硬化层的硬度与整体淬火相近，表层具有残余压应力，硬化层下又有高韧性的基体，减少了刃口开裂、崩刃等早期失效的发生，提高了模具寿命。该类钢的另一特点是淬火变形小，一般只有0.020.05，故可以在机加工完成后采用氧乙炔喷枪等工具对模具工作部位火焰加热空冷淬火和火焰加热回火后直接使用。4.1.2基体钢基体钢是指在高速钢淬火组织基体化学成分基础上，添加少量其它元素，适当增减碳含量，使钢的成分与高速钢基体成分相同或相近的一类工模具钢。这类钢由于去除了大量的过剩碳化物，因此，与高速钢相比，其韧性和疲劳强度得到了大幅度的改善，但又保持了高速钢的高强度、高硬度、红硬性和良好的耐磨性。表2中列出了5种基体钢。以65Nb钢为例，该钢的成分与M2高速钢淬火组织中基体成分相当，但含碳量提高到0.65，使其具有一定数量的一次碳化物，因而改善了耐磨性，除了Cr、W、Mo、V这些高速钢的通用元素外，还加入0.20.35Nb，Nb在钢中形成稳定的NbC，并可溶入MC和M6C碳化物中，增加了碳化物的稳定性，一方面延缓了淬火加热时碳化物的溶解速度，阻止了晶粒长大，另一方面降低了奥氏体中的碳含量，增加了板条马氏体的数量，因而该钢具有良好的综合力学性能，被广泛用于制作冷挤压、冷镦、冷冲模具。表2新型模具钢及应用11，12类型钢号类别性能特点应用冷作模具钢7CrSiMnMoV（CH）火焰淬火钢可进行局部火焰淬火，淬硬层1.5mm，热处理变形小，可进行渗B、V等表面处理可取代T10A、9Mn2V、CrWMn、Cr12MoV等钢制造冷作模具65Cr4W3Mo2VNb（65Nb）6Cr4Mo3Ni2WV（CG2）5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al）65W8Cr4Ti（LM1）65Cr5Mo3W2VSiTi（LM2）基体钢高的强韧性，良好的耐磨性冷挤压模冷镦模冲模6CrMnNiMoVSi（GD）高韧性低合金冷作模具钢优良的强韧性易崩刃易断裂的冷冲模具7Cr7Mo2V2Si（LD）9Cr6W3Mo2V（GM）Cr4W2MoV高碳中铬耐磨模具钢含Cr一般为48，碳化物偏析小，在保证足够耐磨性的同时改善韧性耐磨冷作模具，高速多工位级进模塑料模具钢3Cr2Mo（P20）5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）55CrNiMnMoVS（SM1）8Cr2MnWMoVS预硬化型塑料模具钢空冷微变形易切削模具钢高的淬透性，良好的切削加工性，镜面加工性和耐蚀性大型塑料模具，使用硬度：3035HRC（P20）3545HRC（5NiSCa）25CrNi3MoAlS1Ni3Mn2CuAlMo（PMS）时效硬化钢耐磨性和耐蚀性优于预硬钢，淬火与回火后有良好切削加工性，机加工后再时效硬化复杂精密塑料模，花纹塑料模使用硬度：4050HRC使用温度：300热作模具钢5Cr2NiMoVSi45Cr2NiMoVSi锤锻模钢高的淬透性，热稳定性比5CrNiMo高150，回火时有二次硬化效应，高的强韧性锤锻模4Cr5MoSiV（H11）4Cr5MoSiV1（H13）3Cr3Mo3W2V（HM1）5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al）4Cr3Mo2VNiNb（HD）热挤压模具钢淬透性较高，高的高温强度及韧性，高的热稳定性，良好的冷热疲劳抗力。使用温度：H13600，HD700热挤压模2Cr3Mo2NiVSi（PH）析出硬化钢淬火低温回火后机械加工，使用中表层受热析出碳化物硬化压力机锻模4.1.3高韧性低合金冷作模具钢14，15这类钢的主要特点是具有高的强韧性，工艺性能好，淬火温度范围宽（870930），可淬油、空冷和风冷淬火，淬火加热脱碳敏感性小，热处理变形小，淬透性大于常用的CrWMn、9SiCr、9Mn2V等低合金冷作模具钢，并具有一定的耐磨性。表2中列出的6CrMnNiMoVSi钢（GD钢）是我国近年来研制的一种新型冷作模具钢，国外的类似钢种有美国的A6（7CrMn2Mo）和日本的GO4（8CrMn2Mo）等钢。GD钢中同时加入少量的Ni和Si，既强韧化了基体，又提高了低温回火抗力，Mo和V的加入可以细化晶粒。GD钢900加热淬火和200回火，组织为隐针马氏体、14左右的残留奥氏体和均匀细小的未溶碳化物，bb为4483MPa，冲击韧度可达到145Jcm2，其强韧性优于同类钢。生产中可代替CrWMn、Cr12、9SiCr、60Si2Mn等钢制造重载冲裁模，表面可进行渗硼等化学热处理，对于因崩刃和断裂而早期失效的冷作模具，使用该钢可显著提高其寿命。4.1.4高碳中铬耐磨模具钢12，16为了克服Cr12型高碳高铬耐磨冷作模具钢因碳化物偏析易脆开裂的缺点，70年代以来，国内外均进行了大量的研究工作，通过降低含铬量，研制了几种新型中铬耐磨高韧性冷作模具钢。这类钢的含铬量，一般降至4%8，并适当增加了Mo和V含量，以便在提高钢的强韧性的同时，保持和改善其耐磨性。代表性的钢号有美国钒合金钢公司开发的VascoDie（8Cr8Mo2V2Si）、日本山阳特殊钢公司开发的QCM-8（8Cr8Mo2SiV），日本大同钢公司开发的DC53（Cr8Mo2SiV）、我国的7Cr7Mo2V2Si（LD钢）和9Cr6W3Mo2V（GM钢）钢等。LD钢成分与VascoDie相近，强韧性与耐磨性均优于Cr12MoV钢。LD钢的常规热处理工艺为11001150淬火，530570回火23次。GM钢在11001160淬火，520560回火2次，发生二次硬化，硬度可达6466HRC，其耐磨性能与高速钢相当，韧性不低于Cr12MoV钢。LD钢、GM钢、M2钢与Cr12MoV钢的力学性能对比如表3所示。表3几种冷作模具钢的力学性能钢号bbMPafmmaKJ.cm2（C型缺口）KICMPa.m12硬度HRCLDGMM2Cr12MoV55574808321027754.802.143.3078（无缺口）28.019.627.461.965.466.562.3GM钢制作的模具在高速冲床上使用和用做多工位级进模，使用寿命比Cr12MoV钢提高数倍。LD钢用作六角螺栓冷镦模，寿命比Cr12MoV钢提高25倍。LD钢制造的汽车起动器导向筒冷挤凸模，经1050淬火，200回火，使用寿命比Cr12钢和高速钢提高6倍17。4.2热作模具钢12，18常用的热作模具钢主要有5Cr型，3Cr-3Mo型，Cr-W型和Cr-Ni-Mo及Cr-Mn-Mo型几类。Cr-W型的代表性钢种是3Cr2W8V钢，被广泛用做热挤压模和Cu、Al合金压铸模。这种钢热稳定性高，使用温度达650，但其导热性低，冷热疲劳性能较差，已逐渐有被铬系和铬钼系热作模具钢取代的趋势。Cr-Ni-Mo，及Cr-Mn-Mo型热作模具钢主要用做锤锻模。4.2.1锤锻模具钢表2中列出了两种新型锤锻模具钢5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi。这两种钢均是在5CrNiMo钢基础上，适当降低含碳量，提高了Cr和Mo的含量并加入适量的V和Si，提高了钢的淬透性。钢在回火时，由于析出M2C和MC型碳化物而呈现二次硬化，其热稳定性比5CrNiMo高出150以上。回火至相同硬度下（39HRC左右），在550高温下，两种钢与5CrNiMo钢具有相近的塑性，但其拉伸强度分别为5CrNiMo钢的1.54倍和1.65倍，如表4所示。 表4热锤锻模具钢的高温（550）力学性能钢号淬火温度回火温度bMPa（）aKJ.cm2硬度HRC5Cr2NiMoVSi（电炉冶炼）98568059581.547.538.545Cr2NiMoVSi（真空精炼）1000675635857036.55CrNiMo（电炉冶炼）860510386823339.55Cr2NiMoVSi钢由于其热稳定性高，故适用于进行渗氮、氮碳共渗、硫氮共渗等表面处理。用这种钢制造35t锤锻模和630t压力机热锻模，使用寿命是5CrNiMo钢制模具的1.52倍。经渗氮后，寿命提高到原来的2.87倍。4.2.2热挤压模具钢19，20表2列出了5种性能优良的热挤压模具钢。其中H11和H13是5Cr型（Cr系）热作模具钢典型钢种。这类钢综合性能较好，有良好的冷热疲劳抗力，被广泛用做低于600的热挤压模和铝合金的压铸模。H13有较大尺寸效应，截面尺寸大于120mm时，心部韧性显著下降。可采用电渣重熔、炉外精炼、等向锻造等工艺提高钢的纯净度，改善其尺寸效应。3Cr-3Mo型（Mo系或Cr-Mo系）热作模具钢的基本钢种是3Cr3Mo3V，相当于美国的H10钢和德国的X32CrMoV33钢。这类钢韧性较高，热强性和热稳定性优于H13钢，为提高其热强性和耐磨性，可加入23Co。国内通过添加适量的W研制成功HM1钢，在保持该钢较好的强韧性条件下提高了其热稳定性；通过降低Mo和V的含量，加入1Ni和0.15Nb，研制了HD钢，提高了钢的室温和高温韧性及热稳定性，在700下仍可保持40HRC的硬度。HD钢用于黑色及有色金属热挤压模，使用寿命比3Cr2W8V钢有显著提高。012Al属于基体钢，有良好的综合性能，是一种冷热兼用的模具钢。4.2.3析出硬化钢析出硬化热作模具钢2Cr3Mo2NiVSi（PH）钢淬火和低温回火后，硬度约为40HRC，可加工后直接使用。在使用中由于模具表层受热析出碳化物导致二次硬化，硬度可达48HRC。其特点是在热处理后进行机加工，不会发生热处理变形和表面氧化脱碳等缺陷。模具表层具有高温强度的同时心部仍有足够的韧性，其缺点是切削加工性能较差，可加入少量Zr或Ca予以改善，该钢用于制作压力机锻模，使用寿命可比5CrNiMo钢提高11.5倍。热稳定性是热作模具钢的重要性能指标，李平安等人21对8种常用热作模具钢的热稳定性进行了研究，认为热作模具钢的热稳定性受钢中弥散析出的合金化合物的长大过程所制约，通过对加热保温时间与硬度降低关系的研究，得到8种钢的热稳定性排序如下：4Cr3Mo2NiVNb（HD）钢5Cr4W2Mo2V钢4Cr3Mo3W2V钢3Cr2W8V钢5Cr2NiMoVSi钢2Cr3Mo3VNb钢4Cr5MoSiV1（H13）钢5CrNiMo钢可供热作模具钢选材时参考。4.3塑料模具钢国内塑料成型模具钢尚未形成系列。一般塑料模具常采用正火态的45钢或40Cr钢经调质后制造。硬度要求较高的塑料模具采用CrWMn或Cr12MoV等钢制造。前者硬度低，耐磨性和表面光洁度差，模具寿命短而逐步被预硬钢所取代；后者制造复杂模具时，因热处理变形大，往往不能满足要求，近年来在引进国外通用塑料模具用钢的同时，我国也自行研制了一些塑料模具钢。大体可分为预硬钢、时效硬化钢和冷挤压成型塑料模具钢3类。4.3.1预硬钢这类钢的含碳量为0.30.55，常用的合金元素有Cr、Ni、Mn、Mo、V等。为了改善其切削性，可加入S、Ca等元素。代表性钢种有3Cr2Mo（P20）钢及其改型钢，5NiSCa钢等。P20钢是国外使用最广泛的预硬塑料模具钢，其淬火温度为830870，油淬后经550600回火，预硬至3035HRC使用。为了提高其淬透性，可在钢中加入1Ni，典型的是瑞典的718钢，为了改善预硬塑料模具钢的切削加工性能，我国研制了5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）和8Cr2MnWMoVS钢。5NiSCa钢经860900加热淬火，575650回火，硬度3545HRC，切削加工性能良好。8Cr2MnWMoVS钢做为预硬钢使用时，经860880加热淬火，550620两次回火，硬度4448HRC。该钢亦可机加工成型后，再淬火回火使用，热处理变形很小，属于空冷微变形钢。4.3.2时效硬化钢常用的是低镍时效钢。表2中列出的PMS和25CrNi3MoAl属于这类钢。PMS钢的成分与日本的NAK55相近，钢中加1的Cu，起时效强化作用，为改善切削加工性能，加入0.1S，固溶加热温度为850900，硬度为3032HRC，经490510时效，硬度可达4042HRC。25CrNi3MoAl钢成分与N3M钢相近，经880900固溶处理，680时效，硬度为2530HRC，可进行机械加工，再经520540时效，由于析出与基体共格的金属间化合物NiAl，硬度达4045HRC。这类钢的耐蚀性和耐磨性优于预硬钢，可用于复杂精密的塑料模具或大批量生产用的长寿命模具。4.3.3冷挤压成型塑料模具钢一些型腔复杂的塑料模具可采用这类钢通过冷挤压方法制造。这类钢的含碳量为0.05%0.08，含铬量为2%5，同时加入适量的Ni、Mo和V。国内最近研制的LJ钢即为专用冷挤压成形模具钢，其化学成分(质量分数%)为：0.08C，0.30Mn，0.20Si，3.50Cr，0.5Ni，0.4Mo，0.12V；退火后硬度85105HB，冷挤压成型后，经渗碳淬火和回火，表面硬度为5862HRC，心部硬度28HRC，模具耐磨性好，无塌陷及表面剥落现象，模具寿命得到大幅度提高。5模具的强韧化热处理与工艺优化表5给出了金属模具的失效原因分析结果。失效大部分是由断裂、磨损和变形而引起，其主要原因是热处理不当和模具加工不良。因此，合理选择材料、正确制订热处理工艺，提高热处理质量，对于延长模具使用寿命起着关键作用。模具热处理包括预先热处理和最终热处理，热处理的最终目的是使模具有良好的表面质量和强度、塑性和韧性的合理配合。 表5金属模具事故原因分析22失效方式热处理不当加工不良使用不当材料缺陷设计不合理选材不当其它合计断裂磨损变形热裂其它合计39622491213169111111576633512875742121005.1预先热处理预先热处理对于提高模具的塑性、韧性、改善切削加工性和减小最终热处理变形有重要的作用。冷作模具钢含碳量较高，最常用的预先热处理是球化退火，以便获得细小、均匀的球形碳化物分布。当常规球化退火工艺效果不理想时，可采用调质取代23，增加一道调质工序24，也可利用锻后余热直接进行球化退火25或循环球化退火工艺。例123：某厂从国外引进了1台先进的轧丝机，用来轧制梯形丝杠，丝杠有效长度为755mm，轧丝模用Cr12MoV制造。原模具加工流程为锻造球化退火粗车精加工淬火回火磨削时效精磨。模具寿命只有几百件，皆系脆性开裂而失效。改进工艺是在粗车和精切加工之间增加了一道高温调质工序。并将回火温度由250提高到400。具体热处理工艺如图6至图8所示。Cr12MoV钢常规淬火加热温度为10201040，而高温调质淬火的加热温度则高达1120，一方面促进了较小碳化物的完全溶解，另一方面促进了大碳化物尖角的局部溶解；溶入基体的碳化物在随后高温回火过程中均匀弥散析出，使钢中的碳化物形态和分布得到改善，从而提高了模具的韧性；将回火温度由250提高到400，模具最终硬度为5758HRC，使其脆性进一步降低，模具寿命提高到轧制2000多件，达到了进口模具的水平。 图6Cr12MoV钢球化退火工艺图7Cr12MoV钢高温调质工艺图8Cr12MoV钢轧丝模淬火回火工艺例226：5CrW2Si是常用的耐冲击冷作模具钢。使用该钢制造的冷剪刀片，常规预先热处理工艺为760加热退火，最终热处理为950加热淬火，250回火，冷剪刀片在使用中常因压塌、崩刃或剥落早期失效，寿命较短。将预先热处理改为先在860920加热正火，然后经850900加热淬火，680740高温回火调质处理，然后再进行950加热淬火和低温回火，其硬度比常规退火提高35HRC，断裂韧度KIC提高近20。在600t废钢剪切机上应用表明，正火加高温调质预处理的刀片平均剪切废钢15467t副，常规退火刀片平均切废钢2570t副。用于剪切1215mm螺纹钢、1822mm碳素工具钢和1225mm普通碳钢时，前者比后者使用寿命提高1.5倍。例327：自行车中接头冷挤成型，冷挤冲头外形尺寸如图9所示。冲头材料为Cr12钢，加工工艺流程如下：锻造球化退火机械加工热处理打光。热处理采用980加热，280回火，硬度为6062HRC。寿命为70008000件，因脆断、崩刃、掉块而失效。后来采用调质处理取代球化退火、使冲头寿命提高到10万件以上。图9冲头尺寸5.2工模具的深冷处理28，37在接近液氮温度（196）介质中对钢进行的处理叫做深冷处理。工模具钢的深冷处理可以在淬火和回火工序之间进行或在淬火回火后进行。当深冷处理在淬火后立即进行时，一方面发生残留奥氏体向马氏体的转变，另一方面热力学不稳定的马氏体将析出大量微细碳化物，使钢的硬度升高，但韧性有所下降。淬火回火后再进行深冷处理，由于残留奥氏体已经在回火过程中完成了转变，故钢的硬度只略有升高或保持不变，但由于大量的细小分散的碳化物由马氏体中析出，降低了马氏体的过饱和度和内应力，改善了钢的韧性。研究表明，深冷处理能够提高钢的耐磨性和抗回火稳定性，稳定工件的尺寸。深冷处理过程中，马氏体析出微细碳化物的确切机理尚不十分清楚。深冷处理在提高模具钢的力学性能和延长模具寿命方面效果显著，属于简单易行的强韧性处理工艺。Cr12MoV钢经1030加热淬火，180回火，196深冷处理，200回火，其aK值比常规热处理提高21，使某扇形冲压模具的寿命提高1.52倍30。Cr12MoV钢经1030加热淬火，100回火，160深冷处理2h，500回火两次，与常规热处理相比，其冲击韧度变化不大，硬度提高12HRC，抗弯强度bb提高约5，耐磨性大幅度提高，可使M12螺母冷镦模寿命提高2倍，铝合金挤压模寿命提高1倍以上31。佟晓辉等报道了深冷处理对Cr12MoV钢抗回火稳定性的影响32，图10为Cr12MoV钢保持60HRC的淬火、回火温度关系曲线，1060淬火并深冷处理后，400回火仍可保持60HRC的硬度，而常规淬火后，要保持60HRC的硬度，回火温度不能超过200。采用1060淬火，196深冷处理和400回火的M16螺母六方冷镦冲模的使用寿命比常规工艺处理的模具提高89倍。图10Cr12MoV钢保持60HRC时淬火与回火温度的关系1.淬火后直接回火2.淬火并深冷处理后回火9SiCr钢制造的轴承内圈冲模经870加热淬火，200回火，196深冷10h后，较未深冷处理的模具寿命提高2倍33。W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2高速钢制造的刀具经常规热处理后，再进行196慢速长时间深冷处理，其红硬性和耐磨性都显著提高，可使刀具寿命延长12倍34。深冷处理既可以用于冷作模具，也可以用于热作模具。3Cr2W8V钢制造的轴承套圈热冲模，经1050加热淬火620回火2h深冷处理180回火2h，其使用寿命较常规处理模具提高1倍以上35黄根哲等人研究了深冷处理的7CrMo2V2Si（LD）模具钢的微观组织36。发现深冷处理过程中，微细碳化物在马氏体的位错线和孪晶面等微观缺陷处析出，并且认为是从深冷温度（196）到室温，相当于在低温范围内加热过程中析出的微细碳化物，并不是在深冷保温阶段析出的。但董允等人研究深冷处理对高速钢红硬性及耐磨性的影响时34，发现在196低温下慢速长时深冷处理的效果优于在相同温度下快速短时深冷处理，表明微细碳化物析出等组织变化也与深冷时间有关，看来碳化物的析出机理尚需进一步研究。5.3模具的降温淬火W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V和Cr12MoV等冷作模具钢，在正常淬火加热温度下淬火，由于合金碳化物的溶解，基体中含有较高的碳量及合金元素，强度和硬度高但塑韧性不足，使用中常因断裂而早期失效，适当降低淬火加热温度，例如，W18Cr4V钢在11501200加热淬火，W6Mo5Cr4V2钢在11401160加热淬火，可以改善基体的塑韧性，减小脆性开裂倾向，延长模具使用寿命37，38。汽车仪表温度补偿片冲裁模原用CrWMn和T10A钢制造。使用过程中常因早期磨损、崩刃、折断失效，寿命平均20003000件，改用W6Mo5Cr4V2高速钢制造，采用1150加热淬火，2001h两次回火的低温淬火和低温回火热处理工艺，使模具具有良好的强度、韧性配合，寿命提高了30多倍39。5.4模具的高温淬火对于3Cr2W8V、H13、5CrNiMo和5CrMnMo等热作模具钢，采用高于常规淬火温度加热淬火，以减少钢中的碳化物数量，改善碳化物形态、尺寸和分布，获得更多的板条马氏体，能够提高模具的断裂韧度和热疲劳抗力，延长模具的使用寿命。3Cr2W8V钢的常规淬火加热温度为10751125，淬油，560580回火，硬度为4046HRC。使用中发现许多热挤压模具由于模具工作温度较高，往往因模具的热稳定性不够，工作不久即发生强度、硬度和耐磨性下降，模具因塌陷或早期磨损失效。当承受较大冲击载荷时，又会因为模具热疲劳抗力不良和韧性不足而发生早期开裂。3Cr2W8V钢含有大量Cr、W、V等难熔合金碳化物，这些合金碳化物在较低淬火温度下，不能充分溶解于奥氏体中，如3Cr2W8V钢退火后，含有约12的碳化物，1100加热淬火，只有6左右的碳化物能够溶解，因此，不能充分发挥合金元素提高钢的淬透性和抗回火稳定性的作用。表6是淬火温度对3Cr2W8V钢热稳定性的影响。钢的热稳定性随着淬火温度的提高而提高。表63Cr2W8V钢不同淬火温度下的热稳定性（回火5h，硬度45HRC）淬火温度105010751100113011501250回火温度570580600640650680因此，从提高模具热稳定性的角度，应该尽可能的提高3Cr2W8V钢的淬火加热温度，但是，问题是钢的晶粒会随着淬火加热温度的升高而长大，导致韧性和热疲劳性能的下降，为此可适当提高回火温度予以补偿。例如，采用3Cr2W8V钢制造的某热挤压模具，原工艺为1050加热淬火，620回火2次，挤压工件1200件开裂；将淬火加热温度提高到1200，回火温度提高到680（2次），模具寿命提高到挤压3300件，因变形和疲劳失效40。当模具的工作温度较低时，也可以采用高温淬火中温回火（450）的工艺使钢中保留较多的残留奥氏体，以改善其韧性和热疲劳抗力41。值得注意的是如果不调整回火温度，3Cr2W8V钢的淬火加热温度不宜超过1200，以便避免因晶粒过度长大而导致模具性能的恶化42。5CrNiMo钢常规淬火加热温度为830860