模具钢的合金化及热处理工艺分析

　　在模具设计和制造中，材料的正确选择和热处理工艺的实施是保证零件最佳形状和性能的前提，也是提高耐久性和质量的关键。对于模具工具钢的合金化和热处理工艺设计，有必要围绕耐磨性、韧性等性能指标进行优化。在碳素工具钢的基础上，加入一定量的合金元素，制成各种模具。与碳素工具钢相比，其硬度和耐磨性更高，淬透性、红色硬度和回火稳定性也更好。

　　1.冷加工模具钢

　　用作冷冲压模具、热锻模具、挤压模具和压铸模具的钢称为模具钢，根据性能和使用条件的不同，可分为冷加工模具钢和热加工模具钢。冷模具钢是用于金属在室温下变形的模具，包括冷模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、落料模等。

　　1.1工作条件和性能要求

　　工作冷加工模具承受强烈的冲击载荷和摩擦、较大的压力和弯曲力，主要失效形式包括磨损、变形和开裂等。因此，冷加工模具钢要求较高的硬度和耐磨性，良好的韧性和疲劳强度。截面尺寸较大的模具也要求较高的淬透性，而精度较高的模具需要较少的热处理变形。

　　1.2合金处理

　　为了获得高硬度和高耐磨性，冷加工模具钢中碳的质量分数较高，大多超过1.0% C，有的甚至达到2.0% C，铬是冷加工模具钢中的主要合金元素，可以提高淬透性形成Cr7C3等碳化物，明显提高钢的耐磨性。

　　锰可以提高淬透性和强度。钨、钼、钒和碳形成精细分散的碳化物。除了进一步提高淬透性、耐磨性和晶粒细化外，还能提高回火稳定性、强度和韧性。

　　1.3热处理工艺

　　冷模具钢热处理的目的是最大限度地满足其性能要求，使其能够正常工作。现以冷模用Crl2MoV特殊钢冲压落料模具为例，分析热处理工艺，制定生产工艺路线。冲头和冲裁模的硬度应在(58~60)HRC以内，要求耐磨性、强度和韧性高，淬火变形小。因此设计了生产工艺路线:锻造-退火-加工+淬火+回火+精磨或电火花-加工一个成品。

　　Crl2MoV钢的组织和性能与高速钢相似，合金元素含量高。锻后空冷后易出现马氏体组织，锻后一般采用缓冷。钢中有莱氏体结构，可通过锻造破碎并均匀分布。锻后退火工艺类似于高速钢的等温退火工艺。退火后硬度小于255HBW，可加工。

　　Crl2MoV钢的调质工艺淬火温度较低，低温回火后钢的耐磨性和韧性较高，组织为回火马氏体+残余奥氏体+合金碳化物，硬度为(58~60)HRC。

　　如果要求模具具有较高的红色硬度，并能在400~450℃下工作，应采用“二次硬化法”处理，淬火加热温度应提高到1100~1150℃。此时由于钢中有大量残余奥氏体，硬度仅为(42~50)HRC，但随后在510 ~ 520℃回火3次，出现“二次硬化”现象，硬度上升至(60~62)HRC，红色硬度也不错。但淬火温度越高，显微组织越粗，会导致强度和韧性下降。

　　1.4常用冷加工模具钢

　　对于几何形状简单、截面尺寸小、工作量小的模具，选用优质碳素工具钢T8A、T10A、T12A和低合金切削工具钢9SiCr、9Mn2V、CrWMn等。可以使用，耐磨性好，淬火变形小。对于形状复杂、尺寸大、载荷大的模具，一般采用Crl2、Crl2MoV钢或W18Cr4V等Crl2型钢。它们具有更高的淬透性、耐磨性和强度，以及更小的淬火变形。

　　2.热加工模具钢

　　热模具钢用于制造在加热条件下使金属变形的模具，包括热锻模、热挤压模、热镦模、压铸模、高速锻模等。

　　2.1工作条件和性能要求

　　热模具钢在工作时经常接触到热金属，型腔表面温度高达400~600℃。在巨大的压应力、拉应力、弯曲应力和冲击载荷的作用下，当金属相对于型腔运动时，会产生强烈的磨损。在工作过程中，反复受到冷却介质冷却和铁水加热的交替作用，模具工作面出现热疲劳“龟裂纹”。

　　因此，为了使热加工模具正常工作，要求模具钢在较高的工作温度下具有良好的强度和韧性、高硬度、耐磨性、导热性、抗热疲劳性、高淬透性和尺寸稳定性。

　　2.2合金处理

　　热模具钢中碳的质量分数一般保持在(0.3% ~ 0.6%) C之间，以获得所需的强度、硬度、耐磨性和韧性。如果碳含量过高，韧性和导热性会降低。如果碳含量太低，很难保证强度、硬度和耐磨性。铬可以提高淬透性和回火稳定性；镍和铬的共存不仅可以提高淬透性，还可以提高综合力学性能。锰可以提高淬透性和强度，但会降低韧性。钼、钨和钒能产生二次硬化，提高红硬度、回火稳定性、抗热疲劳性和细化晶粒。钼和钨也可以防止第二种回火脆性。

　　2.3热处理工艺

　　热模具钢热处理的主要目的是提高红硬性、抗热疲劳性和综合力学性能。最终热处理通常是淬火加高温(或中温)回火，以获得均匀的回火索氏体(或回火索氏体)。现以5CrMnMo钢模具热锻模为例，分析热处理工艺，制定生产工艺路线。模具热锻的模具要求硬度为(351~387)HBW，抗拉强度大于1200 ~ 1400兆帕，冲击值大于32~56J，同时还需要满足模具的淬透性和抗热疲劳性要求。其生产工艺路线:锻造-退火-粗加工-成型加工+淬火+回火+精整(切边抛光)。由于钢材在轧制过程中会出现纤维组织，导致各向异性，应锻造消除。锻造后应缓慢冷却，防止应力过大产生裂纹，并在780~800℃退火4~5h，消除锻造应力，提高切削能力，为最终热处理做组织准备。

　　5CrMnMo钢热锻模具采用淬火+回火工艺，为了降低热应力，大型模具需要在500℃左右预热。为防止模具淬火开裂，一般先将模具出炉，冷却至750~780℃预冷，再淬火成油，冷却至150 ~ 200℃(大致为油只冒烟不着火的温度)，然后取出立即回火，避免回火至室温后开裂。回火消除应力，并获得回火索氏体(或回火索氏体)结构，以获得所需的性能。

　　2.4常用热加工模具钢

　　一般用5CrMn-Mo钢制造中小型热锻模(有效厚度小于400mm)，用5CrNiMo钢制造大型热锻模(有效厚度大于100mm)。其淬火加热温度比5CrMnMo钢高10℃左右，淬透性和红色硬度优于5CrMnMo钢。热挤压模具冲击载荷小，但模具长时间与热金属持续接触，对热强度和红色硬度要求高。经常使用3Cr2W8V或4Cr5W2Vsi钢。淬火后多次回火产生二次硬化，组织与高速钢相似。

　　压铸钢的选择与成型金属的类型有关。对于熔点400~450℃的锌合金，一般选用低合金钢30CrMnSi或40Cr。3Cr2W8V钢可用作压铸用熔点为850~920℃的铜合金。

　　3.结论

　　合金化工具钢的主要目的是改变碳化物类型，提高淬透性和回火稳定性等。热处理工艺应注意降低淬火应力，减少变形和开裂倾向，尽可能稳定组织。

　　在工艺措施上，常采用预热、预冷、淬火、等温、分级、双液淬火等方法，要求及时回火。如果工件尺寸较大，如锻模，整个热处理过程需要围绕最大限度地减少变形和开裂采取一系列措施。

　　模具钢在使用状态下的显微组织一般为第二相碳化物。对于具有一定成分的钢，淬火和加热过程中溶解的碳化物量决定了基体的含碳量和合金化程度，回火过程中基体成分的变化和碳化物析出的程度主要取决于回火温度和时间。

　　碳化物的形状、大小、数量和分布对刀具性能有很大影响。因此，模具钢的锻造和预处理工艺非常重要，它决定了最终热处理前的微观组织，尤其是碳化物的形态和分布，是最终热处理性能质量的基本前提。高合金，其热处理工艺往往比较复杂，而且工艺可变性也比较大，这就为热处理工艺的优化选择带来了较大的空间。采用不同的热处理工艺参数，从而获得不同的性能，适用于不同使用条件或不同性能要求的刀具。