模具材料与热处理工艺选择问题研究

【摘 要】影响模具寿命的因素很多，其中模具材料选择不当或热处理工艺不合适，是造成模具早期失效的关键因素。

【关键词】模具材料；热处理工艺；模具寿命

0.引言

模具是一种重要的加工工艺装备，是国民经济各工业部门发展的重要基础之一。随着工业生产的发展，对工业产品的品种、形状、数量、质量等的要求越来越高，对模具的需要量相应增加，对模具质量的要求也越来越高；模具性能好坏，寿命高低，直接影响产品的质量和经济效益。

模具寿命是直接影响产品质量、加工效率和成本的重要因素之一，也是衡量模具制造水平的重要指标。模具的失效分为偶然失效和工作失效。偶然失效是指模具因设计错误、使用不当引起模具过早破损；工作失效是指模具因正常破损而结束寿命。总的失效形式主要以表面损伤、塑性变形、断裂为主。影响模具寿命的因素是多方面的，其中，热处理不当约占45%，选材不当、模具结构不合理约占25%，工艺问题约占10%；问题、设备问题等因素约占20%，由此可见模具材料与热处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。

1.冷冲模具材料及其热处理的选择

冷冲模具的使用寿命通常和模具的硬度、强度、耐磨度及抗冲击韧性有着直接的关系。因此，对模具材料和热处理工艺过程的要求就更高。对冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性、高强度、足够的韧性、良好的抗疲劳性能、良好的抗擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。

1.1低淬透性冷作模具钢及其热处理

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寿命的主要因素。

因为碳素工具钢模具多为中、小截面（10～50mm）。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-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15mm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素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。

1.2低变形冷作模具钢及其热处理

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，所以这种刚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。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。

1.3高合金工具钢及其热处理

高耐磨微变性冷作模具钢、高强度高耐磨冷作模具钢、高强韧性冷作模具钢主要是高合金工具钢，用来制造模具的常用牌号有Cr12，Cr12MoV，Cr6WV，Cr5MoV和Cr4W2MoV等。这类钢的含碳量高，同时含有大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。Cr12MV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，采用何种淬回火工艺，应根据模具的工作条件来确定。

2.结论

模具材料是模具制造业的物质基础和技术基础，其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命起着决定性作用。模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。它对模具的寿命有着直接的影响。当热处理工艺不当时，热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等会导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，从而影响模具的工作寿命。因此，对于不同的冷冲模具应该选择不同的模具材料以及相应的热处理工艺。■

【参考文献】

[1]程培源.模具寿命与材料[M].北京：机械工业出版社，1999.