（材料加工工程专业论文）新型热作模具钢的组织与性能研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 热作模具在现代工业生产中起着不可替代的作用。h 1 3 钢( 4 c r 5 m o s i v l ) 为目 前国内常用的热作模具钢，但是当使用温度高于6 0 0 。c 后该钢的性能便不能满足要 求，主要表现为高温硬度不够，导致疲劳开裂。解决问题的关键是提高材料的高 温强韧性及热疲劳性能。 本文以h 1 3 钢为依据，降低c 、s i 、c r 、v 的含量，提高m o 的含量，同时结 合n b 微合金化，添加适量n b ，设计了h g l 钢。以金属材料强韧化理论为依据，对 h g l 钢和h 1 3 钢进行多种工艺的热处理，利用材料学的现代分析测试技术，对两种 材料经过热处理之后的回火稳定性、热稳定性和热疲劳性能进行测试和分析，得 出以下结论： ( 1 ) 在1 0 2 0 - - 1 1 3 0 的淬火试验结果表明，h g l 钢由于含碳量少于i - 1 1 3 钢， 其在相同温度下的淬火硬度低于h 1 3 钢，但晶粒直径始终小于h 1 3 钢，淬火温度 越高，差别越明显。 ( 2 ) 在5 0 0 - - - - 7 0 0 的回火稳定性试验结果表明，在回火过程中，h g l 钢出现 二次硬化，温度范围为5 4 0 - - 5 8 0 ，而h 1 3 钢的二次硬化温度范围为5 2 0 - - - - 5 6 0 。 回火温度低于6 0 0 时，h g l 钢的硬度小于h 1 3 钢2 - - - 6 h r c ，而高于6 0 0 后，h g l 钢的硬度大于h 13 钢2 - - - 4 h r c 。 ( 3 ) 在6 0 0 和6 5 0 的热稳定性试验结果表明，随着时间延长，h g l 钢的硬 度下降速度低于h 1 3 钢，6 0 0 * ( 2 时硬度值始终小于h 1 3 钢，差值范围是0 1 2 h r c ， 而6 5 0 时硬度值大于h i 3 钢，差值范围是1 7 - 2 i h r c 。 ( 4 ) 在循环温度上下限分别为7 0 0 。c 和2 0 。c 的热疲劳试验过程中，h g l 钢的 表面裂纹在3 0 0 次时出现，h 1 3 钢在4 0 0 次时出现。h 1 3 钢在经历5 0 0 次循环之后 裂纹开始明显粗化，h g l 钢在经历1 0 0 0 次循环之后裂纹才开始明显粗化，且粗化 速度小于h 1 3 钢。 ( 5 ) 热疲劳试验之后，h g l 钢试样的主裂纹深度、宽度均远小于h 1 3 钢，受 热中心横截面的显微硬度下降梯度也远小于h 1 3 钢。 关键词：热作模具，微合金化，回火稳定性，热稳定性，热疲劳 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh o tw o r kd i es t e e lp l a y sa ni r r e p l a c e a b l er o l ei nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n h 1 3s t e e l ( 4 c r 5 m o s i v l ) i sd o m e s t i cc o m m o nh o tw o r kd i es t e e la tp r e s e n t b u ti t s p r o p e r t i e sc a n t m e e tt h ed e m a n dw h e nw o r k i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n6 0 0 c ， m a i n l ys h o w na sh i g h t e m p e r a t u r eh a r d n e s si sn o te n o u g h ，w h i c hc a u s et h ef a t i g u e c r a c k i n g t h ek e yo fs o l v i n gt h ep r o b l e mi si m p r o v i n gs t r o n gt o u g h n e s sa th i g h t e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo ft h em a t e r i a l t h ei n v e s t i g a t i o no ft h i sp a p e rw a sb a s e do nh 1 3s t e e l r e d u c e dt h ec o n t e n to f s u c h e l e m e n t sa sc ，s i ，c ra n dv i nt h es t e e l ，a n di n c r e a s e dt h ec o n t e n to fm o ，c o m b i n e dw i t h t h em i c r o a l l o y i n go fn ba tt h es a m et i m e ，a d d e dp r o p e rq u a n t i t yo fn b ，d e s i g n e dh g l s t e e l i tt o o ks t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gt h e o r i e so fm e t a lm a t e r i a la sab a s i s ，c a r r i e d o nv a r i e sk i n d so fh e a tt r e a t m e n tt ob o t hh g ls t e e la n dh 1 3s t e e l ，t h e nu t i l i z e dm o d e m a n a l y z i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g yo fm a t e r i a ls c i e n c e ，t e s t e da n da n a l y z e dt h et e m p e r i n g s t a b i l i t y , t h e r m a ls t a b i l i t ya n dt h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo ft h et w om a t e r i a l sa f t e rh e a t t r e a t m e n t ，d r e wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 1t h eq u e n c h i n ge x p e r i m e n tr e s u l t si nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f1 0 2 0 11 3 0 s h o w e dt h a t ，b e c a u s et h ec a r b o nc o n t e n to fh g ls t e e li sl e s st h a nh 1 3s t e e l ，i t s q u e n c h i n gh a r d n e s sa tt h es a m et e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a nh 1 3s t e e l b u tt h ed i a m e t e ro f c r y s t a lg r a i ni ss m a l l e rt h a nh 1 3 s t e e la l lt h et i m e ，t h eh i g h e rt h eq u e n c ht e m p e r a t u r ei s ， t h em o r eo b v i o u st h ed i f f e r e n c ei s ( 2 ) n et e m p e r i n gs t a b i l i t ye x p e r i m e n tr e s u l t si nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f5 0 0 - - - 7 0 0 s h o w e dt h a t ，i nt h ec o u r s eo ft e m p e r i n g ，h g ls t e e lp r e s e n t st h es e c o n dh a r d e n ， t h et e m p e r a t u r er a n g ei s5 4 0 - - 5 8 0 a n dw h i c ho fh 1 3s t e e li s5 2 0 - 5 6 0 w h e n t e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a n6 0 0 t h eh a r d n e s so fh g ls t e e li ss m a l l e r2 6 h r ct h a nh 1 3s t e e l ，a f t e rt h et e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n6 0 0 0 c ，t h e h a r d n e s so fh g ls t e e li sg r e a t e r2 4 h r ct h a nh 1 3s t e e l ( 3 ) t h et h e r m a ls t a b i l i t ye x p e r i m e n tr e s u l t sa t6 0 0 a n d6 5 0 s h o w e dt h a t ，t h e d e c r e a s es p e e do fh a r d n e s so fh g ls t e e li sl o w e rt h a nh 1 3s t e e la st i m el e n g t h e n s h a r d n e s si sb e l o wi to fh 1 3s t e e la l lt h et i m ea t6 0 0 a n dg r e a t e rt h a ni to fh 1 3s t e e la t 6 5 0 t h ed i f f e r e n c er a n g ei nh a r d n e s sb e t w e e nt h e ma te a c ht e m p e r a t u r ei s0 1 2 h r ca n d1 7 2 1 h r cr e s p e c t i v e l y f 钔i nt h ec o u r s eo ft h e r m a lf a t i g u ee x p e r i m e n t ，w h i c ht o o k7 0 0 a n d2 0 a s u p p e ra n dl o w e rl i m i t so fc i r c u l a t i o nr e s p e c t i v e l y , t h es u r f a c ec r a c k so fh g ls t e e la n d h 1 3s t e e la p p e a ra t3 0 0t i m e sa n d4 0 0t i m e sr e s p e c t i v e l y t h ec r a c k so fh 1 3s t e e lb e g i n c o a r s e n i n ga f t e r5 0 0t i m e s c i r c u l a t i o no b v i o u s l y , b u tt h ec i r c u l a t i o nt i m e so fo b v i o u s l y c o a r s e n i n go fh g ls t e e li s1 0 0 0 a n dt h ec o a r s e n i n gs p e e di ss l o w e rt h a ni to fh 1 3s t e e l f 5 1a f t e rt h e r m a lf a t i g u ee x p e r i e n c e ，t h ed e p t ha n dw i d t ho fm a i nc r a c k so fh g l s t e e la r es m a l l e rt h a nh 1 3s t e e lf a r , t h ed e c l i n eg r a d i e n to fm i c r o h a r d n e s so fc r o s s s e c t i o na th e a t e dc e n t r ei sb e l o wh 1 3s t e e lf a rt o o k e y w o r d s ：h o tw o r kd i es t e e l ，m i c r o a l l o y i n g ，t e m p e r i n gs t a b i l i t y , t h e r m a ls t a b i l i t y , t h e r m a lf a t i g u e i i 湖北j 棠大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果e h 本人承担。 学位论文作者签名严智日期1 年r 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 嘲：1 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 现代工业，模具领先。模具工业水平的高低己成为衡量国家制造业水平的重 要标志之一。近年来，随着汽车和i t 工业的发展，我国模具工业得到快速的发展， 2 0 0 5 年模具销售额达6 1 0 亿元，列世界第三，模具出口达7 3 8 亿美元，相应同比 增长达2 5 和5 0 3 1 n 3 。但是，我国高端模具的进口达1 3 3 亿美元，为净进口模 具量较大的国家。因此，我国还仅处于模具生产大国的地位。我国要由模具生产 大国向模具生产强国提升，需要不断提高模具工业水平，主要应体现在模具加工 机械的现代化，模具设计的先进性和设计软件的研发，模具材料的国产化和模具 钢性能的优化，模具产品结构的发展。其中的高技术含量、大型、精密、长寿命 模具的生产和出口应不断增长。模具材料作为模具工业发展的重要物质基础，世 界各国均予以充分重视。我国模具工业的发展提供了一个很好的模具钢市场，世 界制造模具钢的许多厂商都十分看好中国的市场。除了大家已熟悉的a s s a b 、大同 和日立等企业外，法国的a r c e l o rg r o u p ，a u b e r t & d u r a l ，德国的k i n d & c o ， e d e l s t a h l 和韩国的昌原( c h a n gw o ns p e c i a l t ys t e e l ) 都在采取果断措施进入 中国。由此可见，发展我们自己国家的模具工业具有非常重要的意义，已经到了 刻不容缓的地步1 1 1 世界模具工业的发展现状 热作模具钢是制造热作模具( 热锻模、热顶锻模、热挤压模和压铸模等) 的 金属材料。由于热作模具工况条件非常恶劣，是在非常苛刻的条件下工作，如承 受各种应力及金属熔液对模具工作表面的溶蚀，在工作中反复受到炽热金属的加 热和冷却介质( 水、油、空气) 冷却的热循环交替作用。当炽热的金属放入热作 模具型腔时，型腔表面急剧升温，表层产生压应力和压应变；当金属件取出时， 型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，极易产生热疲劳等，因此要 求模具材料具有高的热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性和好的热稳定性和抗 冷热疲劳性能等口1 。总之，要求热作模具具有良好的综合力学性能。 法国阿赛洛集团是世界上最大的钢材生产集团之一，其生产的a h 一6 1 优质热 作钢是专为铝压铸模所设计，可以避免使用时的热磨损和热疲劳发生龟裂从而提 高模具使用寿命。其硫磷含量为0 0 0 1 和0 0 0 8 ，相应非金属夹杂物控制在极低 水平，很好地改善了韧度和高温强度n 】。均匀且细小之晶粒的显微组织使热处理后 湖北工业大学硕士学位论文 晶粒保持细小，碳化物均匀分布和相对低的偏析。 奥伯杜瓦公司是世界上生产合金、锰、镍合金领导企业的e r a m e t ( 埃赫曼) 冶金矿业集团的成员之一。a d c 3 是该公司的专利钢种，也可表示成x 3 6 c r m o v 5 一l ， 出厂硬度为2 3 5 h b ，常用硬度为4 3 5 0 h r c ，具有高的抗热龟裂和高韧度、高耐磨 性n 3 ，适用于高要求的大型a 1 合金、m g 合金的压铸模具和a 1 合金挤压模具。模 具适合进行渗氮处理，使表面达1 0 0 0 h v 的硬度。同时模具可以进行预热下的焊接 和现场的焊接。 k i n d c o 公司的e d e l s t a h lw e r k ( 特殊钢工厂) 专门研发和生产高级热作模 具钢，塑料模具钢，不锈钢和玻璃模具钢等。t q 一1 是k i n d & c o 公司的专利高级 模具钢，其合金元素的含量设计按优化组合和按最新的熔炼和锻造制作技术，经 合理的热处理工艺处理后能获得高的韧性和很高的高温强度的结合，并具有高的 抗热疲劳、热冲击开裂和高温耐磨性，从而能可靠地提高模具寿命。适合于制造 结构复杂和大型的精密压铸模具，并可用来制造挤压模具，锻模和热变形模具。 它是一种c r - m o v 合金模具钢，在测试温度6 0 0 。c 和水冷条件下的热冲击试验中， 经6 0 0 0 次后裂纹长度仅为1 2 3 4 3 ( h 1 1 ) 钢的1 3 左右，由此可见t q - 1 钢的韧性 提高是很明显的。该钢可以进行渗氮，对压铸模具按特定工艺不出现化合物层从 而不出现对热交换的影响。 德国葛利兹钢厂专注于塑胶模具钢、热作模具钢、冷作模具钢、不锈钢和合 金结构钢的生产。该厂生产的热作模具钢有e d l 2 3 4 3 ，1 2 3 4 4 ，1 2 3 4 4 v i c t o r ye s r ， 1 2 3 4 7 ，1 2 7 6 7 ，1 2 6 0 6 和1 2 8 8 5 等。其中1 2 3 4 4 v i c t o r ye s r 特性如下：( 1 ) 良好而均匀的可加工性和抛光性；( 2 ) 高的塑性和韧度，并且所有方向都具有极 好的塑性和韧度；( 3 ) 在低温和高温下都具有良好的抗磨粒磨损能力；( 4 ) 优良 的整体淬硬性；( 5 ) 高的高温强度和抗疲劳能力；( 6 ) 淬火变形小。材质洁净度 ( 按a s t m e 4 5 方法a ) ：硫化物0 5 ，氧化物、硫酸盐和球状氧化物均1 。该钢 使用硬度为3 0 5 5 h r c n l ，适用于制造a l 、m g 、c u 合金的压铸模具和挤压模具， 也适用于要求高硬度、耐磨和抛光性的塑料模具。 大同特殊钢株式会社在特殊钢钢材、电子材料、汽车零部件、产业机器零部 件，工程设备和新材料六个领域有强大的实力。其中d h a 一1 被大同特殊钢称为耐 磨性、抗疲劳性优良的热作模具钢，专利钢种d h 3 1 一s ( s u p e r ) 为高寿命热作模具 钢。d h a 为美国f o r d 公司推荐标准a m t d - d c 2 0 1 0 上介绍的钢种。d h a 一1 钢的特点n 1 ： ( 1 ) 细小球状碳化物均匀分布；( 2 ) 优良的淬透性；( 3 ) 抗高温回火软化性强； ( 4 ) 优良的耐高温冲击和热疲劳性；( 5 ) 良好的抗高温熔损性。该钢可施行5 7 0 3 h 的盐浴渗氮处理，可使表面硬度可高达l l o o h v o d h 3 1 一s 钢的淬透性、耐 2 湖北5 - 业大学硕士学位论文 热疲劳开裂性和耐热熔损性均高于d h a 一1 。 日立金属株式会社的产品涵盖电子、汽车、机械、建筑和环境等领域，其生 产的热作模具钢d a c 5 5 属于高性能压铸模具钢，具有更长的使用寿命和中大型模 具适用的高淬透性，耐热疲劳性和韧度高的5 c r 系列材料。其特点是：( 1 ) 耐 热疲劳裂纹性优良；( 2 ) 可在5 0 5 3 h r c 的高硬度下使用；( 3 ) 耐裂纹扩展性优 良；( 4 ) 高的高温强度；( 5 ) 高的淬透性。该钢应用在中大型压铸模具，精密压 铸模具和挤压型压铸模具的场合。 高周波钢业株式会社主要从事高级特殊钢、超合金、铸铁制品、模具工具的 制造和销售。其中k d am a x 是一种高强度热作工具钢，具有优良的抗模具r 形转 角处开裂和抗水冷孔开裂性能，适用于制造复杂形状的模具或壁薄、应力易集中 的r 形转角的模具。它能抑止水冷孔处因生锈引起水中脆化的开裂。测试表明： 该钢制造的模具在3 0 。c 水中浸渍5 0 h 也难以锈蚀。模具抗激冷激热的龟裂的能力 也很强，还有高的淬透性和高的抗熔损性能。 日本山阳特殊制钢株式会社主要生产特殊钢棒材、线材、管材和半成品等。 其中q d h 热作模具钢是获专利的钢种，兼具s k d 7 ( 3 c r - 3 m 型) 钢的高温强度和 抗高温软化能力，又具有s k d 6 ( 5 c r - 1 m o 型) 的淬透性。该钢在冶炼过程中采 用了山阳特殊钢独特的l f 中间包工艺及r h 真空脱气，使其杂质含量降至极低， 明显减少模具的龟裂。同时其热处理变形比s k d 6 1 小和具有更佳的表面渗氮性能 n 1 。该钢主要用于温锻模具、铜锻模具、铜压铸模具和铝挤出模具等。 以上介绍的部分钢种化学成分如表1 - 1 【1 1 所示。 表1 - 1 钢的化学成分( ) 钢号 cs im nc rm ov 其它 a h 一6 1o 410 3 551 3o 9一 t e n a s t e e l10 3 5 7 5 2 60 3 t i ，n b a d c 3不详 t q - 10 3 60 2 50 45 2 1 9 0 5 5 1 2 3 4 4o 3 8 0 4 2o 8 0 - 1 2 0 0 3 0 - 0 5 04 8 0 一5 5 0 1 2 0 1 5 00 9 0 1 1 0 d h a 一】0 3 2 0 4 20 8 0 - 】2 00 5 04 5 0 一5 5 01 0 0 - 1 5 00 8 0 - 1 2 0 1 2 我国模具工业的发展现状 2 0 世纪8 0 年代以来，我国模具工业发展迅速，近年以每年1 5 左右的速度快 速发展。2 0 0 5 年我国模具销售额6 1 0 亿元，比2 0 0 4 年增长2 5 。模具净进口总量 为1 3 3 亿美元，进口模具主要是高档模具，其中塑料模具占4 6 ，冲压模具占4 4 。1 。 目前，我国的模具技术及模具寿命与一些工业发达国家相比，仍存在较大差距。 湖北工业大学硕士学位论文 提高我国模具使用寿命有很大的潜力，并将带来巨大的经济效益。 2 0 世纪6 0 年代以来，在国家有关部委的支持下，我国科技工作者和模具钢生 产企业结合国情，开发出不少新模具钢，一些使用性能优异、工艺性能也比较好 的新钢种受到模具制造和使用单位的欢迎。在此期间也引进了一些国外通用钢号， 有些钢号通过生产试用，取得良好的效果。对一些使用效果较好的冷作模具钢和 热作模具钢，有关部门还分别组织了性能对比试验研究，提出了选择和应用的建 议。可以认为我国已建立了较完整的模具钢钢种系列，其中一些钢的性能优异， 达到国际先进水平。 在热作模具钢方面，我国过去常用的热作模具钢有5 c r m n m o 、5 c r n i m o 和 3 c r 2 w 8 v 钢。5 c r m n m o 钢用做中小型锻模，5 c r n i m o 钢主要用做大中型锻模。但 5 c r n i m o 钢的淬透性不够高，回火稳定性也不够高，其性能不能满足大截面锻模对 性能的要求。3 c r 2 w 8 v 钢广泛用做黑色和有色金属热挤压模和c u 、a l 合金的压铸 模。这种钢的热稳定性高，使用温度达6 5 0 。但钨系热作模具钢的导热性低、冷 热疲劳性差嘲。 我国在2 0 世纪8 0 年代初引进国外通用的铬系热作模具钢h 1 3 ( 4 c r 5 m o s i y l ) ， 该钢有良好的冷热疲劳性，在使用温度不超过6 0 0 c 时代替3 c r 2 w 8 v 钢，模具寿命 有大幅度提高，因此h 1 3 钢迅速得到推广应用，其产量已超过3 c r 2 w 8 v 钢口1 。为适 应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热稳定性方面更高的要求，国内 研制了不少的新热作模具钢。 h m l 钢( 4 c r 3 m 0 3 w 2 v ) 和删3 钢( 3 c r 3 m 0 3 v n b ) 是结合我国资源条件研制而成 的。l i m l 钢获国家发明奖。这两种钢突出的优点是具有最高的室温与高温冲击韧性 和优良的抗冷热疲劳性，适用于制造高温、高速、高载荷、水冷条件下工作因断 裂或热疲劳失效的热作模具h 1 。 g r 钢( 4 c r 3 m 0 3 w 4 v t i n b ) 含有较高的钨和少量的钛和铌，具有最高的热强性 和热稳定性以及良好的抗热疲劳性，适于制造使用温度较高，与工件接触时间长， 容易引起热变形塌陷或热磨损失效的模具h 1 。 0 1 2 a l 钢( 5 c r 4 m 0 3 s i m n v a l ) 和c g 2 钢( 6 c r 4 m 0 3 n i 2 w v ) 属于基体钢。这两种 钢含碳量高，热疲劳抗力较差，突出优点是高的硬度、强度以及耐磨性，可冷热 兼用，可取代c r l 2 型钢和高速钢用以制造要求高强韧性的冷镦、冷冲和冷挤模具 【4 ，5 】 o 新型的锤锻模具钢有4 5 c r 2 n i m o v s i 和5 c r 2 n i m o v s i 这两种钢具有高的淬透 性，热稳定性比5 c r n i m o 高1 5 0 。c ，回火时有二次硬化效应，高的强韧性，因此 适宜于锤锻模钢n 】。 4 湖北工业大学硕士学位论文 新型的热挤压模具制有4 c r 5 m o s i v ( h 1 1 ) 、4 c r 5 m o s i y l ( h 1 3 ) 、3 c r 3 m 0 3 w 2 v ( h m l ) 、5 c r 4 m 0 3 s i m n v a l ( 0 1 2 a 1 ) 和4 c r 3 m 0 2 v n i n b ( h d ) 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：h 1 3 6 0 0 。c ，h d 7 0 0 。c ，故适宜于热挤压模。 1 3 模具改性工艺 伴随着模具工业迅速发展的，是现代模具的改性方法。由于模具的工作环境 一般都很差，因而模具的使用寿命就成了工业应用的关键，而提高模具使用寿命， 就成了研究人员的主要课题。经过多年的试验和实践检验，模具改性的方法已经 较为成熟，可以分为三大类：改进热处理工艺、表面强化和调整材料化学成分。 1 3 1 改进热处理工艺 ( 1 ) 组织预处理使基体组织和碳化物二项双细化3 其工艺是：高温固溶加热：锻后缓冷，再作高温加热奥氏体化，此温度必 须超过上临界温度a 。点，通常比常规淬火温度高5 0 1 0 0 以上。在此温度做固 溶加热，能使不均匀分布的粗大碳化物大部分均匀化，然后出炉以较快的速度冷 却( 经预冷后入热油，热浴或风冷) ，获得剩余碳化物少而细，位错密度高和不稳 定的相组织状态。球化处理：在淬火后接着进行a c 点稍上( 赴+ 3 0 ) 的等温球 化退火，或者& 点稍下( & 一6 0 。c ) 的高温回火球化。这样可加速合金元素的扩散 和增加碳化物的形核率，加速碳化物的析出积聚，使碳化物呈细小均匀分布的球 状颗粒弥散析出。因而可快速的获得均匀化的球化组织，同时奥氏体晶粒尺寸减 小，缺口韧性明显上升，钢的组织遗传效应消除。 ( 2 ) 高温淬火( 适当提高最终淬火温度) 所谓“高温 淬火是在比常规淬火加热温度高3 0 - - 一8 0 时淬火。哈尔滨工业 大学对3 c r 2 w 8 v 钢性能和失效机制的研究砸3 ，证实了热冲压模具的强韧性指标主要 应当是高温强度和冷热疲劳抗力，冲击韧性不宜作为其主要强韧性指标。因此可 通过提高淬火温度来提高钢的强韧性和热稳定性，从而延长模具寿命。 ( 3 ) 中温回火 机械部机电研究所和天津二轻局第四餐具厂对不锈钢中温热辊轧用的模具研 究n 1 应用了中温( 4 5 0 。c ) 的回火工艺，使用硬度为5 4 , - 一5 8 h r c 。材料由3 c r 2 w 8 v 改用为5 c r 4 w 5 m 0 2 v 钢，寿命由数万次提高到了1 5 一- 2 5 万次，且未产生热疲劳失 效现象，技术经济效益达到国外先进水平，并对突破高合金热作模具钢的传统回 5 湖北工业大学硕士学位论文 火理论和工艺实践具有一定意义。 ( 4 ) 低温淬火 所谓低温淬火是在比常规的淬火加热温度低5 0 1 0 0 甚或更低的温度下淬 火。我国从6 0 年代中、后期开始，机械部北京机电所、上海第一汽车附件厂、天 津内燃机厂等单位，在对模具工作条件和失效分析研究的基础上，先后对易脆断、 劈裂、折头、疲劳失效的高碳m 2 a l ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ，w 1 8 c r 4 v 1 ，c r l 2 m o y 钢的冷挤、 冷锻模等冷模上首先应用了低淬工艺，寿命提高了1 3 倍以上h 1 。 ( 5 ) 真空热处理 我国应用过真空热处理的模具有冷镦模、焖花模、滚丝模、压铸模及其他精 密模具等。天津热处理工艺所 处理的一万套真空热处理模具，使用寿命提高l 7 倍。上海标准件工具厂真空热处理的c r l 2 m o v 滚丝板，寿命提高了3 5 倍。 ( 6 ) 模具淬火、回火快速冷却 根据模具淬火回火过程碳化物有害元素的析出规律和对性能的影响，机械部 机电研究所等单位从7 0 年后期开始，对h m l 、h m 3 、3 c r 2 w 8 v 钢的轴承套圈热锻模 汽车零件热锻模采用了快速淬火工艺，显著提高了强韧性和模具寿命口1 。水淬优于 油淬，盐水淬优于水淬。快速淬火回火，除可抑制碳化物和有害元素从晶界析出 外，还可增加获得板状马氏体的数量。但其冷速要严格限制在不开裂和畸变允许 的范围内，并掌握提出冷却介质的时间。 ( 7 ) 双重淬火处理 哈尔滨工业大学的试验研究表明：采用双重淬火处理( 高温淬火高温回火预 处理，加常规淬火回火) 4 c r 5 m o s i v l 钢，可在不降低其冲击韧性的情况下，显著 提高其断裂韧性陋1 。南昌工具厂对3 c r 3 m 0 3 w 2 v 钢热挤压冲头的热处理实践表明： 双重淬火比单一淬火有更高的高温强度，红硬性，回火稳定性和抗软化能力，模 具寿命大幅度提高随1 。 ( 8 ) 下贝氏体等温淬火 实践表明隅1 ：回火索氏体组织的模具寿命还不足，采用下贝氏体等温淬火工艺， 获得马氏体加下贝氏体的复相组织，经回火后可显著提高材料的强韧性，断裂韧 性，裂纹扩展抗力和耐磨性，从而有效地提高模具寿命。 1 3 2 表面强化处理工艺 从省能源、省资源、充分发挥材料性能潜力，获得特殊性能和最大技术经济 效益出发，发展和应用表面强化工艺技术是提高模具使用性能和寿命的极重要的 发展方向。模具表面处理实际是表面改性，包括表面强化、表面润滑化。它不仅 6 湖北5 - 业大学硕士学位论文 指传统的渗碳、渗氮、渗金属和感应加热等常规_ l 艺，向且发展了许多更高层次 的新技术，最引人注目的是离子束和激光束技术。强化的目的在于提高模具表面 硬度、耐磨性及耐蚀性等；表面润滑化是降低摩擦系数，提高表面的减磨性，提 高模具表面的抗咬合性口3 。两者相辅相成，能显著提高模具的使用寿命。 表面改性工艺大体上分为以下几类： ( 1 ) 元素渗入 元素渗入是利用扩散的原理，在一定的气压和电流条件下，通过多种物质的 反应，得到需要渗入到模具中的元素的活性原子，活性原子扩散到模具表层，形 成特殊的合金层作为模具的表面，使模具表面性能大幅度提升。元素渗入包括单 元素渗入和多元素渗入。 常用的单元素渗入，主要是渗氮、渗碳和渗硼。其中渗氮主要有气体氮化法 和离子氮化法。 离子氮化法呻1 是在1 1 0 乇的低压下，通过辉光放电，使n ：和h ：离子化，对 在阴极上的工件( 炉体接阳极) 进行氮化的方法。氮化温度3 5 0 ，- - - 5 8 0 ，形成的 氮化铁化合物层，主要为丫- 相( f e 。n ) ，硬度高1 2 0 0 ，- - 1 4 0 0 h v ，摩擦系数小( 0 0 5 0 1 2 ) ，耐磨及减摩性好，有一定耐腐蚀性、耐氧化性。 渗碳主要是c d 渗碳法嘲，是使用碳化物均匀弥散析出的新渗碳法( c a r b i d e - - d i s p e r s i o nc a r b u r i z i n g ) 。其工艺是：采用含有大量强碳化物形成元素( 如c r 、 t i 、m o 、v ) 的模具钢在渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时，渗 层中沉淀出大量弥散合金碳化物如( f e ，c r ) ，c 。、( f e ，c r ) 。c 、v 4 c 。，从而实现c d 渗 碳。或者将钢在奥氏体和碳化物共存的二相区，通过碳化物不均匀奥氏体中扩散 进行渗碳，也可实现c d 渗碳。 渗硼是一种新兴的表面处理方法。它可使模具表面获得很高的硬度( 1 5 0 0 ，- - - 2 0 0 0 h v ) 、耐磨性( 远非其它表面硬化层所能比拟的) 、红硬性( 9 0 0 9 5 0 ) 、以 及在盐酸、硫酸及碱中的高抗蚀性能。 多元素渗入，常见的有气体软氮化、硼铝共渗、氧氮共渗、硫氮共渗、硼氮 共渗、离子硫氮碳共渗、离子碳氮硼共渗、多金属元素共渗、t d 法和复合渗等n0 1 。 气体软氮化呻1 是一种低温氮碳共渗，即铁素体氮碳共渗处理。国外一般采用 5 0 r z ( 吸热性气氛) + 5 0 氨气为软氮化处理的气氛。我国的气体软氮化以通氨滴 醇为主，处理工艺为5 5 0 ，- - - 5 7 0 ，3 4 h ，氨气与甲醇的比例对3 c r 2 w 8 v 等钢取 6 ：4 或5 ：5 ；对高速钢和基体钢则取4 ：6 或3 ：7 ，处理时间也可相对短一些，通常 为1 1 5 h 即可。 t d 法( t o y o t ad i f f u s i o np r o c e s s 托氏沉积法) 呻1 在空气炉或一般热处理用 7 湖北工业大学硕士学位论文 盐浴槽中装入耐热钢制的坩埚，将硼砂放入坩埚中加热至8 0 0 - 1 2 0 0 ，然后加入 相应的碳化物形成元素粉末，如v 、n b 、c r 、t i ，再将钢或硬质合金工件放入盐浴 中浸渍一定时间，加入元素会扩散到工件表面并与钢中的碳起反应形成几um 至 2 0um 敏密的碳化物层，随着铁合金种类的不同，可分别形成t i c 、c r ，c 。、v c 、n b c 等渗层。与化学金相或物理气相沉积法所得的强化层不相上下，不同的是工件从 盐浴中取出后可进行水冷，油冷或空冷等淬火处理，在形成表面强化层的同时， 基体材料的机械性能也得以改善。经t d 法处理后，渗层有很高的表面硬度( v c 层 硬度为3 0 0 0 3 2 0 0 h v ，n b c 层硬度为2 8 0 0 3 0 0 0 h v ) ，优良的耐磨性，抗咬合性及 抗蚀能力。 ( 2 ) 表面覆层 表面覆层包括镀层和沉积层。镀层主要是电镀和化学镀。电镀硬铬在模具表 面处理领域占有重要的位置，一般安排在模具表面精加工后进行。在镀铬温度5 0 ，电流密度3 0 a d m 2 ，电镀时间5 m i n 的条件下，可得厚度0 o l m m ，硬度1 0 0 0 h v 左右的镀铬层阻1 。镀铬层表面有镜面般的光洁度，使成品件脱模容易，表层硬，耐 磨性好，摩擦系数小，又具有减磨性，表面不易划伤，同时也增强了表面的耐蚀 性。但镀层不能过厚，否则适得其反。 n i - p 化学涂层是通过自催化的化学反应将n i 离子还原，将金属沉积到模具表 面。其优点是适应性强，可在一切金属与非金属的基体上涂上不同的n i - p 化学涂 层，可在复杂模具型腔表面上获得厚度均匀的涂层。其工艺简单，不损坏基体的 光洁度，经普通抛光后表面粗糙度达r a o 1bm 以上，具有良好的耐磨性与耐蚀性。 其铸态硬度为5 0 0 6 0 0 h v ，经过4 0 0 晶化处理后的硬度可达8 5 0 1 0 0 0 h v 呻1 。 沉积层主要是气相沉积，包括化学气相沉积( c v d ) 和物理气相沉积( p v d ) 。 化学气相沉积在真空室内进行。h t - c v d 通常是在高温1 0 0 0 1 i 0 0 下进行，用低 温气化挥发金属的化合物与高温加热下的工件相接触产生反应，在工件表面沉积 所需要的金属或金属化合物涂层 n i - n ，t i c ，t i ( c ，n ) 。c v d 的处理时间一般是 2 4 h ，实用的t i c 厚度3 8pm ，t i n 为5 8ui l l 阳1 。物理气相沉积有多种方法， 如蒸镀、离子镀、溅射等。该法是在真空中把强化用的金属原子蒸发，并在一个 电流偏压的作用下，将其吸引并沉积到表面上形成强化层。利用p v d 法可在工件 表面上沉积碳化钛、氮化钛、氧化铝等各种碳化物。利用p v d 法可得到的使用寿 命与c v d 法差不多。 ( 3 ) 高能处理 高能处理主要是激光、电子束和电火花处理等几种。 激光处理主要是激光气相沉积，包括激光化学气相沉积( l c v d ) 和激光物理 8 湖北工业大学硕士学位论文 气相沉积( l p v d ) 。这种复合技术集中了激光的高能量密度、高纯度、高附着力等 优点与气相沉积灵活，覆盖面宽，不破坏精密零件表面精度以及一定绕射性等优 点。激光化学气相沉积以激光为光源，金属有机化合物蒸汽为工作气，经激光分 解产生金属原子以薄膜状态沉积在基体表面。激光物理气相沉积实质是激光蒸镀， 其突出优点的是纯度高、速度快、灵活性好。 电火花表面强化多以碳化钨和碳化钴材料系列等硬质合金为电极，利用电火 花放电时产生的高温，将电极材料融化后粘接在工件表面，形成强化层。电火花 强化层的厚度一般在0 0 1 0 0 8 m m 之间，强化层的硬度可达1 1 0 0 1 4 0 0 h v 。 ( 4 ) 其他工艺 除上述几大类处理工艺之外，常用的表面强化工艺还有低温流态化学热处理、 超低温处理、深冷处理和快速匀细化退火，后几种目前应用不多。 低温流态化学热处理1 是指金属表面渗氮、氮碳共渗、氧氮共渗和发蓝等处理。 它们与气体法低温表面处理比较，具有渗速快、炉温均匀，显著节能。最突出的 特点是诸工种工艺可以在同一台液态炉中分期完成，只需要改变工艺、温度及使 用气氛，且气氛的改变在2 分钟内即可完成，这就为微机控制工艺过程提供了条 件。 1 3 3 调整材料化学成分 调整材料化学成分的方法主要有以下几种： ( 1 ) 添加微量稀土元素r e ； ( 2 ) 硼钛稀土变质处理； ( 3 ) 改变合金元素c r 、m o 、w 、m n 等的含量； ( 4 ) 添加微量n b 、c o 等元素。 例如瑞典的q r 0 9 0 m 钢n l l ，就是在国内y 4 钢的基础上添加0 0 0 4 的b 元素和 0 0 9 的n b 元素而研制成，同样是瑞典的q r 0 8 0 ( 3 c r 3 m 0 2 v m n ) 就是在h 1 3 钢的基 础上添加m n 元素而研制成的，在合金元素总含量不高的情况下，使钢具有比较高 的高温性能和冷热疲劳性能。 在美国，c a r p e n t e r 公司n 门在h 1 3 钢的基础上提高c r 和m o 的含量研制出 e x t e n d o d i e 。h 1 2 钢是在h 1 1 钢的基础上添加了w 元素而制成，h i o a ( 3 c r 3 m 0 3 c 0 3 v ) 和h 1 9 钢也是在原钢中的基础上添加c o 元素而制成。类似添加c o 元素的有英国 的b h i o a ，日本的m c z 、w d k ，大同特殊钢的d h 4 1 、d h 7 1 ，日立金属的y h d 4 5 等口。 向钢中加入一定量的沉淀硬化元素n i 、m o 、a l 等，典型的钢种如：日立金属 的y h d 2 6 ，大同特殊钢的d h 6 7 ( 3 n i 3 m 0 3 v ) 等。5 5 c r n i m o v 6 是德国的钢号，这些 9 湖北5 - 业大学硕士学位论文 钢中的c r 、n i 、m o 含量均高于幽产5 c r n i m o 钢，并含有少量的v ，在4 0 0 m m 4 0 0 m m 截面上可以完全淬透，回火稳定性比5 c r n i m o 高出1 0 0 ，做大截面热锻模具，其 使用寿命高于5 c r n i m o 钢n 。