模具材料及熱處理在模具教學中的應用

目前，用人單位對模具專業的學生要求是“一專多能”，特別是在用人機制靈活的國內小企業、小加工廠，在快速制造生產、盡快提高生產效益、減員增效、節約成本理念的驅動下，“什么活都會干”的多能型人才，最受歡迎。職業院校培養的學生，具有較完整系統的理論知識、較強的動手實踐能力，備受企業的重視和青睞。筆者所在學校為了加強學生的就業適應性和綜合技能水平，特意在模具教學中，增加了模具鋼材及熱處理的課題。作為職業學校的模具教學，主要涉及冷沖模和注塑模的設計、加工、調試。下面筆者主要針對市場模具鋼的品種、性能和熱處理進行分析。

一、常用模具材料

當前，我國常用的冷作模具鋼主要是CrWMn（低合金工具鋼）和高碳高鉻工具鋼Cr12及Cr12MoV等傳統鋼號。CrWMn鋼有適當的淬透性和耐磨性，熱處理變形小，但CrWMn鋼鍛后需較嚴格地控制冷速，并采用適當的熱處理，使碳化物呈均勻細小的粒狀，否則，易形成網狀碳化物，導致模具在使用中崩刃和開裂。高碳高鉻工具鋼有較高的耐磨性，但其碳化物偏析較嚴重，導致變形的方向性和強韌性的降低。隨著對模具質量的不斷提高，又開發了一些新的模具鋼材，如GD（6CrMnNiMoVSi）、7CrSiMnMoV（簡稱CH）、DS鋼等。GD鋼用于制作易崩刃、斷裂的冷沖模，具有較高的使用壽命。CH鋼的成分與日本的SX105V鋼相同，是一種火焰淬火鋼，常用于制作汽車等生產線上用的模具零件，火焰淬火時加熱模具刃口切料面，硬化層下又有一個高韌性的基體做襯墊，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，其沖擊韌性顯著優于常用的高韌性刀片用工具鋼6CrW2Si。該類鋼的主要特點是工藝性好，淬火溫度低，熱處理變形小，強韌性好，并具有適當的耐磨性。

塑料成形工藝的應用，在模具工業總產值中占首位。以前，我國還沒有具體的塑料模具用鋼。例如，P20鋼（3Cr2Mo）是國外使用最廣泛的預硬塑料模具鋼，20世紀80年代以來，已在南方一些工廠廣泛采用。718鋼是瑞典生產的改型P20鋼，較P20有更高的淬透性，調質后可在大截面尺寸保持硬度均勻一致，也得到較廣泛地使用。這類鋼在出廠時經過充分鍛打后制成模塊，預先熱處理至要求的硬度（一般預硬至30～35RHC）后，供使用單位制做模具。在引進國外塑料模具用鋼的同時，近年來也自行研制開發出一些新的塑料模具專用鋼。例如，一些含硫易切削預硬塑料模具鋼，8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）和S-Ca復合易切削塑料模具鋼5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）。5NiSCa鋼采用了S-Ca復合易切削系和噴射冶金技術，改善了硫化物的形態和分布，在大截面中硫化物的分布比較均勻。5NiSCa鋼有較高的淬透性和鏡面拋光性，模具硬度為35～45HRC時，可順利進行各種加工。

常用的還有一種非調質塑料模具鋼，其特性是不經調質處理，鍛、軋后可達到預硬硬度，有利于降低成本、節約能源，縮短模具生產周期。例如，2Mn2CrVTiSCaRe（FT），鋼中加入S、Ca、Re作為易切削元素，比S-Ca復合系易切削鋼有更好的切削性能。另外，耐蝕塑料模具鋼也有較好的綜合力學性能和良好的抗蝕性，如4Cr13（420）、9Cr18、17-4PH、PCR（0Cr16Ni4Cu3Nb）等。

二、模具熱處理缺陷及改進措施

熱處理最常見的缺陷就是熱處理開裂及變形，嚴重地影響了模具的生產和產品質量。模具在制作中，設計的影響、模具材質的影響、熱處理工藝的影響、模具加工殘余應力的影響、冷卻方法和介質的影響、殘留奧氏體的影響等方面，都是造成熱處理后模具變形的原因。下面筆者對這些問題進行分析，并提出一些改進建議。

1.模具結構造成的影響

這主要體現在設計不合理，如尖角、溝槽、薄邊、厚薄懸殊等。因此，在淬火時引起模具各部位之間的熱應力和組織應力的不同，導致各部位體積膨脹的不同，使模具淬火后產生變形。為此，可根據模具的變形規律，預留加工余量，或在滿足實際生產需要的情況下，在模具的厚薄交界處，盡可能采用平滑過渡等結構，或盡量減小模具厚薄懸殊、結構不對稱，以保證在淬火后不至于因為模具變形而使模具報廢。

2.模具材質的影響

模具鋼中呈一定方向分布的不均勻碳化物的存在，使模具共晶碳化物呈帶狀和塊狀分布，發生不均勻的變形。對存在碳化物嚴重偏析的模具鋼，要進行合理鍛造，打碎碳化物晶塊，降低碳化物不均勻分布；在制造精密復雜模具時，要盡量選擇碳化物偏析較小的模具鋼；鍛后的模具鋼要進行調質熱處理，使之獲得碳化物分布均勻、細小和彌散的索氏體組織，從而減小精密復雜模具熱處理后的變形。

3.熱處理工藝的影響

這主要體現在加熱溫度、加熱速度的影響。淬火加熱溫度越高，鋼的晶粒越趨長大，由于較大晶粒能使淬透性增加，使淬火冷卻時產生的應力變大。此外，由于復雜模具大多數由中高合金鋼制造，如果淬火溫度高，則因Ms點低，組織中殘留奧氏體量增多，加大模具熱處理后的變形。同時，金屬加熱時都要膨脹，而加熱時模具各部分的溫度不均（即加熱的不均勻）就必然會造成模具內各部分的膨脹不一致，從而形成因加熱不均的內應力。在鋼的相變點以下溫度，不均勻的加熱主要產生熱應力，超過相變溫度加熱不均勻，還會產生組織應力。因此，加熱速度越快，模具表面與心部的溫度差別越大，應力也越大，模具熱處理后產生的變形也越大。

針對這一問題，在保證模具的技術條件的情況下，合理選擇加熱溫度，盡量選用下限淬火加熱溫度，以減小冷卻時的應力，從而減小復雜的熱處理變形。對復雜模具在相變點以下情況，加熱時應緩慢加熱。一般來說，模具真空熱處理變形要比鹽浴爐加熱淬火小得多。對于低合金鋼模具，可采用一次預熱（550～620℃）；對于高合金鋼模具應采用二次預熱（550～620℃和800～850℃）。

4.模具加工殘余應力的影響

模具在機械加工過程中的殘余應力和淬火后的應力疊加，會加大模具熱處理后的變形。粗加工后、半精加工前，應進行一次去應力退火，即加熱至630～680℃，然后經3～4h爐冷至500℃以下出爐空冷，也可采用加熱至400℃，然后經2～3h去應力處理；采用淬油170℃分級淬火；降低淬火溫度，減小淬火后的殘余應力；采用等溫淬火工藝可減小淬火殘余應力。

5.冷卻方法和介質的影響

在因冷卻不一致所造成的熱應力外，還有因相變的不等時性而產生的組織應力，冷卻速度越快，冷卻越不均勻，產生的應力越大，模具的變形也越大。

對此，可采用分級冷卻淬火，減小模具淬火時產生的熱應力和組織應力；在保證模具硬度要求的前提下，盡量采用預冷，對于碳素鋼和低合金模具鋼可預冷至邊角部位發黑（720～760℃），對于在珠光體轉變區過冷奧氏體較穩定的鋼種可預冷至700℃左右。

6.殘留奧氏體的影響

一些高合金模具鋼在淬火后，含有大量殘留奧氏體（如Cr12MoV），鋼中各種組織有不同的比體積，奧氏體的比體積最小，這是高合金鋼模具淬火低溫回火后體積發生縮小的主要原因。

相關數據表明，Cr12MoV鋼模具淬火后，500℃回火較200℃回火的殘留奧氏體量少了一半，所以，在保證模具技術要求的前提下，可適當提高回火溫度，模具變形量最小，而硬度只降低（2～3HRC）；在保證模具技術要求的情況下，要考慮模具的綜合性能，適當降低模具的淬火加熱溫度，減少殘留奧氏體；有條件的情況下，采用深冷處理也是減少殘留奧氏體、減小模具變形的最佳措施。

三、理論聯系實踐，保證模具熱處理質量

不論采取什么方法，模具在淬火后的變形都是無法避免的，這就要求在實踐中綜合分析模具及鋼材特性，選擇合理的熱處理工藝。以Cr12MoV為材質的模具為例，在粗加工后進行淬火處理，淬火后工件存在很大的存留應力，容易導致精加工或工作中開裂，零件淬火后應趁熱回火，消除淬火應力。淬火溫度控制在900～1020℃，然后冷卻至200～220℃出爐空冷，隨后迅速回爐220℃回火。這種方法可以獲得較高的強度及耐磨性，對于以磨損為主要失效形式的模具效果較好。生產中遇到一些拐角較多、形狀復雜的工件，回火還不足以消除淬火應力，精加工前還需要進行去應力退火或多次時效處理，充分釋放應力。除了常用的Cr12、40Cr、Cr12MoV外，對一些工作強度大，受力苛刻的凸、凹模，可選用新材料粉末合金鋼，如V10、ASP23等。這類材質具有較高的熱穩定性和良好的組織狀態。通過1050～1080℃淬火，再用490～520℃高溫回火并多次進行，可以獲得較高的沖擊韌性及穩定性，對以崩刃為主要失效形式的模具很適用；對精密復雜的塑料模具，如其硬度要求不太高，可采用預先熱處理的預硬鋼，對模具鋼（如3Cr2Mo， 3CrMnNiMo鋼）進行預先熱處理，使之到達使用時的硬度（較低硬度為25～35HRC，較高硬度為40～50HRC），然后把模具加工成型不再進行熱處理，從而保證精密復雜模具的精度。對基體硬度要求不高，而表面硬度要求較高的精密復雜模具，可采取模具粗加工后進行調質熱處理，精加工后進行低溫氮化處理（500～550℃）。由于模具氮化溫度低，不存在基體組織相變，另外爐冷至室溫出爐，冷卻應力也較少，模具變形較小。另外，可采用時效硬化鋼，如PMS（1Ni3Mn2CuA1.Mo）鋼是一種新型時效模具鋼，在870℃固熔淬火后的硬度在30HRC左右，便于機械加工。模具加工成型后，再進行500℃左右的時效熱處理，即可獲得40～45HRC的較高硬度，模具變形較小，只需要進行拋光處理，是理想的精密復雜模具用鋼。

（作者單位：河南省鄭州市技師學院）