模具材料与热处理工艺选择探讨

【摘要】分析影响模具设计选用的基本因素，介绍模具材料和模具热处理工艺，并对模具材料选择与热处理工艺选择进行例证。

【关键字】模具材料　热处理工艺　设计选用

【中图分类号】G　【文献标识码】A

【文章编号】0450－9889(2012)03C－0190－03

一、影响模具设计选用的基本因素

近几年来，我国模具工业发展迅速，每年保持15％左右的增长速度，但模具的制造水平和使用性能与世界上发达国家相比，还有很大的差距。模具市场竞争激烈，努力缩短模具的生产周期、提高模具的质量、延长模具的性能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、表面光洁度和模具性能三个方面。模具的精度和光洁度主要由机加工决定，而模具的性能取决于设计、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性能最重要的内在因素。

模具材料对模具性能的影响反映在模具材料的选择是正确、材质是否良好和使用是否合理三个方面。选材时应兼顾模具使用性能要求。热处理不当是导致模具早期失效的重要因素。热处理模具性能的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处质量不良两个方面。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接近70％，其中热处理不当约占45％，选材不当、模具结构不合理约占25％。由此可见模具材料与热处理是影响模具性能诸因素中的主要因素。

二、模具材料简介

目前，模具材料大致分为冷作模具、热作模具、塑料模具、玻璃模具四大类，并且都有专门模具材料。

(一)冷作模具材料

冷作模具种类较多，形状结构差异较大，工作条件和性能要求不一，因此冷作模具选材比较复杂，必须综合考虑，才能发挥材料的潜能。目前，我国常用冷作模具材料大致分为四大类：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金。市场流通以Crl2MoV、CrWMn、T10A等传统材料为主，比较新的模具钢，如DS、GD、CH、LD、C-M、ER5、65Nb、012AL、LMI、LM2和RM2等20多种牌号及粉末高速钢、钢结硬质合金等高档的模具材料，应用并不普遍。

(二)热作模具材料

热作模具一般在600℃左右的高温下工作，要求模具材料具有较高的强度、硬度、耐磨性、抗冷热疲劳性能、抗氧化性能和抗特殊介质腐蚀性能，用于制造锻压、热挤压、压铸、热镦模和高温超塑成形用模具。

为了适应压力加工新技术、新设备对模具材料在强韧性和热稳定性方面的高要求，国内外研制了许多新型热作模具钢，现正在生产中发挥着作用，其中有5CrNiMoV、5Cr2NiMoVSi、3Cr2MoWVNi、3Cr3M03W2V、3Cr3M03VNb、4Cr3M03SiV、4Cr3M03W4VNb、4Cr3M02MnVNbB、6W8Cr4VTi、4Cr5M02MnVSi、4Cr3M02NiVNb、4Cr3M02WVMn等材料，随着一些新的热加工技术的发展新的模具材料也应运而生，如铁基高温合金、镍基高温合金和难熔合金做高温的热作模具材料。若模具工作温度超过1000℃，一般采用钼基或钨基难熔合金制造。我国有关单位曾选择27种成熟热作模具钢材料，对其力学性能、工艺性能和使用性能进行测试和对比，并提出了各类热作模具钢的选材准则，可供借鉴。

(三)塑料模具材料

随着石化工业的迅速发展，塑料已成为十分重要的工业原料。塑料制品越来越多，用于制品的塑料模具钢消耗量达到模具钢总量的50％以上。与热作模具、冷作模具相比，塑料模具使用性能特殊，具体表现为：一是较高的硬度、一般的耐磨性、足够的硬化深度，心部要有足够的强韧性。二是较低的耐热性，在200℃～250℃的温度下长期工作，不氧化、不变形，尺寸稳定性好。三是有一定的耐蚀性。纳入国家标准的有3Cr2Mo等两个牌号，行业标准有SM5等20多个牌号，已在生产中推广使用的新钢种有10多个，初步形成了我国的塑料模具钢系列。

(四)玻璃模具材料

大多采用铸铁或铸造不锈钢，也有采用耐热钢或热作模具钢，国内有些单位正在研制新的玻璃模具钢。

三、模具热处理工艺概览

(一)热处理工艺在模具制造中的应用

1.采用锻造余热球化退火、循环退火及双细化处理工艺。20世纪80年代研制开发的模具钢快速细化退火处理新工艺，在理论和工艺上均不同于传统的高温加热缓冷(冷速＜30℃/h)球化退火和等温球化工艺，具有可消除链状碳化物，缩短退火周期，节能减排，减少氧化脱碳，球化组织细小匀圆，最终热处理后强韧性高，模具使用性能高等优点，有较好的技术经济效益。一些企业采用这一工艺满足了美国客商对模具金相组织的要求。

2.固溶双细化工艺。固溶双细化工艺完全利用热处理方法，使碳化物细化、棱角圆整化，同时使奥氏体晶粒超细化。其工艺的主要措施是高温固溶和循环细化。高温固溶可以改善碳化物的形态和粒度；循环细化的目的在于使奥氏体晶粒超细化。

3.非常规热处理工艺的运用。以下列举三类非常规工艺在模具热处理中的应用：一是热作模具钢改常规的高温回火为中温回火处理。二是3C~W8V等部分热作模具钢超高温淬火对某些模具收到奇效。三是高速钢制作的模具低温淬火性能高。

4.增加调质预处理。模具的预处理很少调质，实际上对于某些模具增加调质工序，很有好处。5CrW2Si钢制冷剪刀片，在600t废钢剪切机上使用，剪切12～25mm普通碳钢时，比未调质的性能提高5倍；Crl2钢制44mmx 85mm冷挤冲头，原工艺980℃淬火，280℃回火，硬度60～62HRC，性能7000～8000件，改为调质取代球化，性能提高到10万件以上。

5.真空及保护气氛热处理。该方法要求高精度、高性能的模具拟采用真空热处理或保护气氛热处理。

6.深冷处理。模具淬火后总会保留一定数量的残留奥氏体，为了减少或消除这些残留奥氏体，应在淬火后1h内进行深冷处理，以提高模具的硬度、耐磨性和尺寸稳定性。M12螺母冷镦模淬火后经－190℃深冷处理，性能提高两倍。

(二)模具热处理件结构工艺性

热处理模具的结构工艺性，是指在设计热处理模具，特别是淬火件时，一方面，应满足热处理模具的使用性能要求；另一方面，应考虑热处理工艺对模具结构的要求，不然会使热处理操作困难、增加淬火变形、开裂，使模具报废。因此设计人员需考虑热处理模具的结构工艺性，尽量考虑以下原则：零件设计时应尽量减小截面尺寸的差异，避免薄片和尖角。必要的截面变化应平滑过渡，形状尽可能对称，有时可适当增加工艺孔。

1.避免尖角和棱角。模具的尖角、

棱角部分是产生淬火应力最为集中的地方，往往成为淬火裂纹的起点，因此，在设计时应尽量避免，而设计成圆角或倒角。

2.截面变化应平滑过渡。厚薄悬殊的模具，在淬火冷却时，由于冷却不均匀而导致热处理变形与开裂。在模具结构设计中应采取措施开工艺孔，并合理安排孔的位置；加厚模具太薄的部分；避免盲孔和死角，盲孔和死角都使淬火时的气体无法逸出，造成硬度不均匀和淬火开裂，故应在盲孔处设置工艺排气孔或变盲孔为通孔。

3.尽量采用封闭对称结构。模具形状为开口或不对称结构时，导致淬火应力分布不均匀，容易引起变形因结构需要必须开口，制造时则应先加工成封闭结构，淬火、回火后成形开口，弹簧夹头大多采用封闭结构，淬火、回火后再用线切割切开槽口。对于完全对称的二件模具，可以先将二件加工成整体，热处理后再沿对称轴线切开。

4.采用组合结构。针对某些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的模具或形状复杂的模具，在可能条件下可采用组合结构或镶拼结构。

总之，钢的淬火应力是由于淬火加热或冷却过程中工件内外温度差造成的。凡是增大工件内外温差的因素都增大工件中的淬火应力，反之亦然。

四、模具材料选择与热处理工艺选择例证

(一)低淬透性冷作模具钢及其热处理工艺

满足这些性能要求的冷作模具材料有低淬透性冷作模具钢、低变形冷作模具钢、高合金工具钢等，其中碳素工具钢是使用最多的低淬透性冷作模具钢，其特点是含碳量高，马氏体转变温度点(以下简称Ms点)低，临界冷却速度快，在快速淬火冷却时，产生热应力变形，使模具沿主导方向收缩变形，材料的含碳量越高，收缩量越大。这种收缩会在模具内部产生很大的内应力，必须通过回火或其他的方法有效地消除内应力。当然这种变形量的大小要受模具截面尺寸、淬火加热温度、淬火冷却方式和回火温度等因素的影响。因此，淬火和回火工艺是影响低淬透性冷作模具性能的主要因素。因为碳素工具钢模具多为中、小截面(10mm～50mm)。为减小淬火变形，T10A，T12A一般选择较低的淬火温度。当采用硝盐浴或碱浴冷却时，淬火加热温度可选择810～820℃；如果是水一油冷却，加热温度为760～780℃。对于T8A钢，根据模具截面尺寸的增大适当提高淬火温度以提高模具的淬火后硬度。采用水淬时，对于截面厚度t小于15ram的制件，加热温度应选择800～820℃；截面厚度t在30～50mm时，加热温度应选择820～830℃。采用硝盐浴分级淬火时，可在以上所述淬火温度上做适当调整。碳素工具钢的硬度随回火温度的升高而下降，当回火温度超过200℃时硬度就会明显下降。而且当回火温度在200～250℃时，会产生回火脆性，导致韧性下降。因此，韧性要求比较高的碳索工具钢模具应该避免在此温度回火。同时，采用250℃回火时，淬火马氏体会产生不同程度的分解，使模具产生收缩变形。因此，为了减少收缩变形，在保证模具使用性能的条件下。应尽可能降低回火温度。

(二)低变形冷作模具钢及其热处理工艺

低变形冷作模具钢是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素发展起来的，CrWMn是其典型钢种。CrWMn钢具有高淬透性，淬火时不需要强烈的冷却，淬火变形比碳素工具钢明显减少。但是，这类钢的变形同样受到淬火加热温度、冷却方法、回火工艺和模具截面尺寸的影响。该钢淬火温度的选择，由于钨形式碳化物，所以这种钢在淬火及低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度。当采用800℃加热淬火时，既能获得较高的硬度(63HRC)还可以获得较高的抗弯强度和韧性。如果继续提高淬火温度，硬度上升但冲击韧度、抗弯强度会降低。当淬火温度大于850℃时，硬度也开始下降。因此，为减小变形并获得高的耐磨性，由这些钢制造的模具，其淬火加热温度不宜过高。CrWMn钢淬火常用的冷却介质是硝盐浴和矿物油，其中硝盐浴的使用温度较高而冷却能力却比油大。对于精度要求高的模具，根据硬度要求选择不同的温度进行等温淬火，等温时间不宜过长，等温后随硝盐浴一起缓冷。这样不仅能显著减小组织应力，还能有效控制变形量。CrWMn钢等温淬火后比普通淬火的强韧性高，对于易产生断裂的模具可采用等温淬火。该钢淬火后于150℃～160℃回火，可使原来淬火后膨胀的体积产生收缩。回火温度升高到220℃～240℃，又开始出现尺寸膨胀，在260℃～320℃回火时，会出现尺寸膨胀的最大值，而继续提高温度，变形又趋于收缩。当CrWMn钢要获得大于60HRC的硬度时，回火温度应不超过200℃～220℃。因此，在选择回火温度时应根据模具的结构、尺寸和硬度要求合理选择回火温度。选择合理的回火温度可以最大限度地消除由淬火产生的内应力，有效提高模具的寿命。

(三)高合金工具钢及其热处理

高耐磨微变形冷作模具钢、高强度高耐磨冷作模具钢、高强韧性冷作模具钢等主要是高合金工具钢。高耐磨微变形冷作模具钢的常用牌号有Crl2、Crl2MoV、Cr6WV、CrSMolV和Cr4W2MoV等。这类钢的含碳量高，同时含有太量的碳化物形成元素，具有高的淬透性、耐磨性和热硬性。高合金工具钢由于淬透性高淬火时不需要快速冷却，因此产生的内应力小。高合金钢模具淬火温度的选择应首先考虑控制淬火变形。试验证明：当淬火温度为1030℃～1040℃时模具的变形量最小，接近于零。低于这个温度淬火，制件发生胀大变形；高于这个温度淬火，制件收缩变形。淬火温度为1100℃时，收缩量会急剧增大。为防止模具在高温下氧化和脱碳，一般应在盐浴炉中加热。冷却方法的选择则根据模具的具体情况和要求而定。截面尺寸大的模具可用150℃～200℃的油来充当淬火冷却介质。停留一段时间出油后空冷；大多数中、小尺寸的模具可以采用250℃～300℃的硝盐浴分级冷却；精度要求高、形状不对称的模具可以采用540℃～600℃的氯化盐和250℃～300℃的硝盐浴2次分级冷却；精度要求很高，需要严格控制变形的模具，可以采用2次分级冷却，并在硝盐浴中停留一段时间后随硝盐浴一起缓慢冷却，这样可以最大限度地减小内应力，避免模具开裂或产生细小的裂纹，从而提高模具的使用寿命。高碳高铬钢的回火抗力高，回火时马氏体的分解和残余奥氏体的转变是影响模具尺寸变形的两个主要因素。Crl2MoV钢采用低温淬火和低温回火时，可以获得高度硬度、强度和断裂韧度；若采用高温淬火与高温回火，将获得良好的热硬性，其耐磨性、硬度也较高，但抗压强度和断裂韧度较低；而采用中温淬火与中温回火，可以获得最好的强韧性配合。在生产中，采用何种淬火、回火工艺，应根据模具的工作条件及具体性能要求来确定。

(四)热作模具钢热处理工艺

热作模具钢主要用于制造高温状态下进行压力加工的模具，如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦模具等。热作模具在工作时承受着很大的冲击力，模腔和高温金属接触后，局部可达500℃～700℃，有的甚至达到1000℃左右，同时还经受着反复的加热和冷却，使模具的工作表面容易产生热疲劳裂纹，另外炙热金属被强制变形时，与模具型腔，表面摩擦，模具极易磨损并且硬度降低。因此，热作模具钢要求能稳定地保持各种力学性能，特别是应该具备较高的热强性、高的热疲劳性、良好的韧性和耐磨性。

第一代热作模具钢主要包括5CrNi－Mo、5CrMnMo和3Cr2W8V钢，自上世纪30年代初在工业中应用后至今仍广为应用，已经积累了丰富的冶炼、锻造、机械加工和热处理工艺经验；第二代热作模具钢则是以美国的AISIHl0、Hll、H12、H13钢系列为代表，尤其以H13钢最受欢迎。H13钢的热处理新工艺，双重淬火是用高温淬火――高温回火(1160℃淬火＋720℃回火)取代普通球化退火，再进行常规热处理。工艺结果显示，随奥氏体化温度升高，H13钢硬度及断裂韧性升高，但冲击韧性下降；而经双重淬火的可在几乎不降低韧性的条件下得到最大的断裂韧性，硬度值也高于普通淬火。双重淬火能改善断裂韧性，是因孪晶马氏体和未溶碳化物量的减少及残余奥氏体量的增加所致。断裂韧性的改善，有利于提高H13钢热作模具的疲劳裂纹扩展能力和热疲劳开裂能力，抑制热裂纹扩展。

总之，模具材料是模具制造业的物质基础和技术基础，模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。两者的最佳化结合对模具的性能有着直接的影响。由于选材和热处理不当，致使模具早期失效的约占70％。为了适应不同模具的特殊性能要求，除开发具有不同特性以适应各种性能要求的型材外，各国的模具工作者亦不断的开发新的热处理工艺，本文着重分析并总结了模具材料选择和热处理技术方面的概况，以期能对模具的设计和制造带来一定参考价值和积极意义。

(责编　赵聃)