關于沖壓模具常用金屬材料及其熱處理工藝研究

王存邦

（華東冶金地質勘查局超硬材料研究所，安徽 馬鞍山 243000）

在現代化的工業生產活動中，都離不開模具的使用，而相關的材料使用是模具制造的基礎條件，模具主要可以分為冷作和熱作以及塑料模具鋼，在冷作模具中主要分為冷沖壓和擠壓以及沖裁等類型，而且在進行分離和切削的過程中，會導致溫度變高，還有在沖擊和摩擦等作用力的影響下，容易產生變形和斷開等問題，所以在材料的選用方面，必須具有很好的耐磨和抗變形能力，由此可見，不同的模具制造對于材料的要求不同，因而要根據對應的材料的性質和特點，選用合適的方法進行，并且結合熱處理工藝，來提高工作質量和精度。

1 沖壓模具常用的金屬材料

1.1 碳素鋼

這種類型的材料現階段產量較大，不僅鍛造和可塑性較強，而且在熱處理的退火后，容易軟化，可以及時地進行下一道工序，節約時間，提高工作效率，但是其強度較低，需要進行切削加工處理，造價成本較低。主要的缺點表現在這幾個方面：一是淬透性不夠，在熱處理時需要使用水作為冷卻介質，極易引發變形問題。二是只適合用來制造一些較為簡單、規格較小，且受力少的模具中，因而不適合精度要求較高的模具制造中[1]。

1.2 高碳高鉻

這個材料的耐磨性和淬透性都較好，所以在熱處理中不易產生變形問題，通常情況下被運用于耐磨性和微變形模具的制造中，但是材料承受的負載和壓力較小，還有其中存在的碳化物，會出現嚴重的偏析問題，在進行沖壓操作中，需要進行反復的改鍛和鐓拔作業，從而保證其內部結構的均勻。

1.3 高速鋼

主要是運用添加鉬元素進行鍛造而制成的材料，它有很好的熱塑性和韌度在冷作模具的生產和制造中發揮至關重要的作用，在高速鋼中有一種硬度較強的鋼材料，利用特殊工藝來提高材料的硬度，但是其韌性較差，加工難度較大，運用這類材料來快速提升碳含量，當產生的數量較多時，就會引起過燒問題。

1.4 基礎鋼

主要是由于高速鋼本身存在的問題，利用添加別的元素方式來彌補材料的不足之處，從而改變其基礎的碳含量，從而提升材料性能，適用于冷模具制造中強韌材料的使用，具有高速高和超硬鋼材料的優點，成本低。

1.5 合金材料

其硬度和耐磨性能都較好，但是強度和韌性相對較差，根據這個情況，可以使用一定的黏合劑進行加工，主要由鐵粉和合金粉末材料，從而使得形成硬質合金材料，工藝開展過程中，可以運用焊接和切削以及熱處理的根方式進行[2]。

2 熱處理工藝

2.1 退火

主要是將相關的材料加熱到合適的溫度后，再進行保溫處理和緩慢冷卻。

2.2 正火

將鋼材料加熱到合適的溫度時，并且在保溫一段時間后，利用空冷的方式進行冷卻。

2.3 淬火

將鋼加熱到相變溫度以上，并且在保溫后進行快速冷卻，從而獲得對應的馬氏體組織。

2.4 回火

將淬火后的工件進行重新加熱，在低于臨界溫度時進行保溫，并且進行冷卻。

3 熱處理方法

3.1 真空熱處理

主要是根據不同材料在常溫固態下的特點和性能，將工件放置在真空介質中進行加熱處理，使得在達到一定的溫度后，進行保溫和冷卻處理，它具備節能環保和無污染特點，并且在這個方法處理下的變形問題出現較少，且質量較高，其具體的是利用各種金屬元素在真空介質中加熱的蒸發作用，來實現凈化處理，從而進行無氧化和少量碳化物的加熱，并且結合脫氣作用，來提高材料的性能和質量。但是要注意的是在溫度達到九百攝氏度以前，先進行真空的抽氣，在一定的壓強下，然后進行加熱和預熱，要控制好溫度和時間，當溫度出現勻速下降時，可以降低充氣壓力[3]。

3.2 深冷方式

主要是以液氮作為冷卻劑，在較低的溫度下，對工件進行處理，可以分為液體和氣體兩種。前者是直接將工件放于材料中，并且在零下一百五十度進行處理，因而對于工件的沖擊力較大，容易引發變形和斷裂問題。而氣體方法主要是將材料先進行氣化處理，然后開展吸熱制冷，從而提高材料的耐磨和韌性。模具鋼的深冷處理可以在進行淬火和回火工序間或者是在它們完成后進行，這種方法制造的材料可以用作冷、熱模具以及硬質合金。

3.3 高溫和降溫淬火

在模具的淬火操作中，容易產生裂紋，繼而引起斷開問題，而在進行高溫處理，主要是進行溫度的提升，保障在加熱淬火下，降低材料中的碳化物，使得滿足制作要求，而且在淬火處理后，可以有效地提高模具的使用期限。

3.4 化學熱處理

主要是利用化學反應或者結合物理方法，來改變材料的結構和組織性能，而模具的零件大多在長期的使用下，表面產生腐蝕、生銹和磨損問題，通過化熱處理使得在其表面形成一種特殊的材料，其中心部分是原有的鋼材料，而表面則是加入合金元素，進一步保障它們緊密地結合，從而提高模具的抗氧化和耐磨性能。使用高溫回火的合金模具，可以在進行回火的時候，同時開展表面滲氮處理，主要有離子和高頻滲氮兩種方法，運用離子的方式進行，可以減少作業時間，并且獲得高質量的滲透層，而高頻處理主要是用來提高模具的抗腐蝕性和耐磨性[4]。

3.5 滲硼和金屬

主要有固體粉末、氣體、電解鹽等方式，主要是在材料中滲入硼元素，從而提高材料表面的強度和耐磨性能等，主要適用于冷作模具的制造中，可以更好地提高模具的使用壽命。

3.6 高能束熱

主要是在熱處理的過程中，運用到的熱源是激光和電子束等，通過改變加熱源，可以提高加熱速度，降低變形，而且易于控制，還可以利用自動化技術處理，從而大幅度提高制造精度和質量。

4 金屬材料的熱處理工藝具體運用

4.1 碳素鋼處理

可以使用水或者油性介質材料，并且在800左右的溫度下，進行淬火，然后在160℃～180℃時開展回火處理，使得其硬度達到一定的標準。對于高碳低合金鋼的處理，主要是在先進行高溫淬火，然后冷卻處理，在進行回火時將溫度控制在200℃。

4.2 高碳高鉻熱處理

主要是根據具體的模具使用要求和標準來進行，當模具對變形要求較小且韌性較高時，可以先用低溫淬火和回火方式進行，如果模具對溫度的要求較高，可以采用高溫淬火和回火，淬火溫度在1100度左右，回火在500℃。對于耐磨性較高和微變形的高鉻材料，可以根據對應的要求，使用低溫或者高溫的方式進行。

4.3 高速鋼

先用高溫進行淬火，并且運用熱油和硝鹽進行分級冷卻，對于尺寸相對不大的可以使用空冷的方式進行，在淬火后要立即開展回火處理。

4.4 基體鋼

先用較高的溫度進行淬火，然后再進行回火，但是要回火兩次。對于不同的鋼材料，要選用不同的方式處理，對于65Nb鋼可以先加入一定量的特殊材料，來細化晶粒，而在冷熱兼用的材料中，主要是加入適量的強化材料，來降低其中的碳化物，然后進行淬火和回火等處理，從而提高其耐磨性、韌性以及鍛造性能，滿足不同的模具制造要求。

4.5 合金材料

對于微變形低合金鋼，可以先進行淬火，并且進行冷卻處理，在溫度200下回火一到三個小時左右，保障達到一定的強度。而韌性較好的低合金鋼，在溫度900時進行淬火，使用鹽浴爐進行加熱，然后采用空冷或者油冷以及風冷的方式進行冷卻，還可以運用火焰進行加熱處理。還有在耐磨性和韌性都較好的合金材料處理中，先用高溫淬火，在530℃溫度進行回火三次，對于一些負載較大的模具，先進行淬火然后開展回火三次處理。

5 沖壓模具熱處理質量控制措施

5.1 預熱處理

在進行預熱工作時，先進行正火，然后使用球化進行退火，從而減少鍛件內部的應力和碳化物，為熱處理工作奠定質量基礎，在零件的淬火前，可以先運用低溫回火來穩定其內部組織結構，并且在精準加工前，先開展調質處理，從而減少變形問題。

5.2 淬火和回火處理工藝的調整和優化

（1）回火控制。主要是在零件的淬火后，要及時放入到回火爐中進行回火處理，要注意的是放置的時間不適宜過長，在進行回火的時候，要防止高溫和低溫脆性，保證其質量，尤其是在一些精度要求較高的模具制造過程中，要進行多次的回火，從而降低內部的應力，控制變形問題。

（2）零件的保護。在熱處理過程中，淬火和回火是影響模具產生變形和裂開問題的一個重要環節，所以在淬火時，對于一些極易出現變形的部位，要采取防護措施處理，保證零件內部應力的均勻和結構對稱，具體的防護措施有填充和堵實、捆扎三種，可以根據實際的作業情況，選擇合適對的方法處理，從而保證模具的質量。

（3）確定具體的加熱溫度。在熱處理中，如果淬火的溫度過高，就會導致相關的奧氏體顆粒變大還會引起氧化、變形等問題，而在特定的溫度下，如果加熱的溫度較低，導致零件內控的收縮、尺寸降低，所以一定要加強溫度管控。還有在合金鋼加熱中，溫度較大，就會造成尺寸變大，所以針對這種情況，其具體的溫度可以選擇其下限值。

（4）改變加熱方法。對于一些較小的模具或者是圓柱形的零件可以先進行預熱處理，將溫度控制在520℃～580℃之間，再將其放入到鹽浴爐中進行加熱，在達到淬火溫度后，進行回火處理，和使用電爐、反射爐加熱相比，可以有效地降低變形問題。在高合金加熱處理中，先進行預熱，使得達到淬火溫度，但是要注意控制高溫段時間，以降低變形和裂紋的產生。

（5）合理選用冷卻劑。在合金鋼的處理中，可以運用硝酸鉀或者亞硝酸鈉熱浴進行等溫或者分級淬火方式來進行，這個方法主要適用于精度要求較高的模具制作中，一些多孔的模具等溫處理的時間不能太長，就會導致孔徑大小的變化。假如使用油介質進行冷卻，可以使用雙介質淬火方式，來減少變形。

（6）淬火處理。在進行線切割加工前，要采用分級淬火和多次回火的方式處理，從而提高其淬透性，以便于保證其結構內部的應力均衡，當其內部的應力越小時，產生的變形可能性越低。

（7）冷卻方式。主要是在零件加熱后，從爐中拿出來后，要放置一段時間然后在放入冷卻劑中進行淬火，并且要進行不同方向的適當旋轉，可以保證各個部分冷卻得均勻、合理，從而減少變形和裂開問題。

6 結語

綜上所述，在沖壓模具加工和制造過程中，要根據具體的模具使用要求和材料特點以及性能，結合對應的熱處理工藝，選擇合適的方法進行，對正火、回火、淬火的溫度要嚴格控制，使得其具備一定的性能和強度，從而滿足具體的工作要求，還有針對其中可能出現的變形和裂開問題，要做好預防和控制。