冷作模具钢的热处理特点.docx

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冷作模具钢的热处理特点

冷作模具钢热处理的目的是什么？

　　模具热处理实际上是指模具零件的热处理。

冷作模具种类较多，主要有冷冲裁模、冷镦模、冷挤压模具、冷拉深拉丝模等，由于形状结构差异性较大，工作条件与性能要求不一，除了要选用合适的材料外，还应选择最佳热处理工艺，用以满足模具服役性能要求，提高模具的使用寿命。

　　一、冷作模具基本热处理工艺

　　冷作模具一般要求具有高的耐磨性、一定的硬度与硬化层深度，足够的强度与韧性。

因此冷作模具的基本热处理工艺如下

　　1．预备热处理

　　冷作模具在锻后必须进行球退火，以消除锻坯的锻造应力，改善组织与降低硬度，以便机械加工并为最终热处理作发组织准备。

　　2．高温回火或去应力退火

　　为消除机械加工中产生的应力，减少最终热处理变形，常在机械加工之后安排去应力退火或调质处理。

为使线切割后应及时进行再回火，回火温度不应高于淬火后的回火温度，在高温回火时为防止模具氧化脱碳，应采用保护气氛或防氧化脱碳措施。

　　3．冷作模具的淬火

　　淬火是冷作模具最终热处理中的重要操作，它对模具的使用性能影响极大，应特别给予重视。

主要要注意以下几点：

　　1）应对模具材料进行确认并检查模具表面有无擦伤、裂纹等缺陷。

　　2）根据模具的形状，估计模具的文治武功趋势，作各种堵塞、捆绑或包扎，使能均匀地进行加热与冷却。

　　3）合理选择淬火加热温度。

既要使奥氏体固溶一定的合金元素与碳，以保证模具的淬透性、淬硬性、强度与热硬性，又要有适当的过剩碳化物，以细化晶粒，提高模具的耐磨性与保证模具具有一定的韧性。

同时要考虑模具的温度高低对变形的影响，及加热过程中的预热。

　　4）合理选择淬火加热保温时间。

一般模具淬火加热可根据加热设备采取经验公式计算保温时间。

但实际热处理操作时，应考虑模具零件的具体情况。

特别是复杂模具要综合考虑各种影响因素，并通过试验来确定最佳淬火保温时间。

　　5）合理选择淬火冷却介质。

高合金冷作模具钢其淬透性好，并为了减少热处理变形与开裂，在满足模具技术要求的情况下尽可能选择较缓慢的冷却介质淬火，如气冷、油冷、盐浴、分级淬火与等温淬火等。

　　对于碳素工具钢与低合金工具钢模具，为了减少模具热处理文治武功与开裂，同时保证模具有足够的淬硬层深度，可采取水淬-油冷、油淬-空冷、等温淬火与一些新型淬火介质等。

　　6）严防模具加热过程中的氧化脱碳。

模具加热过程中的氧化脱碳将会严重损害模具的表面质量影响模具的使用寿命。

所以对精密复杂模具应尽量在真空热处理炉与可控气氛炉中加热，在盐浴炉中加热要进行严格脱氧，在普通电炉中加热要采取保护措施。

　　4．冷作模具的强韧化处理工艺

　　冷作模具低淬低回、高淬高回、等温淬火等是提高模具强韧性的重要方法，要根据模具尾部进行，以提高模具的使用寿命。

　　5．模具的回火

　　模具在淬火或电火花加工后应及时进行回火，回火温度根据模具的硬度要求来选择，但要注意避开回火脆性的温度范围。

　　回火保温时间应根据模具材料、模具形状与大小确定。

　　高合金钢则应采取二次或多次回火，在进行多次回火时应注意前一次回火须冷到室温后再进行后一次回火。

　　6．模具冷处理

　　为了稳定精密复杂冷作模具的尺寸，减少模具钢中的残留奥氏体量，为此需对模具淬火后进行冷处理。

　　二、主要冷作模具的热处理特点

　　冷作模具种类较多，各类冷作模具热处理各具特色，为了更好地把冷作模具热处理搞好，现把主要冷作模具热处理特点介绍如下。

　　1．冷挤压模具热处理特点

　　冷挤压模具的工作条件极为苛刻。

要根据使用中对强韧性、耐磨性、回火稳定性等主要性能的要求，以其中的主要要求来正确决定热处理规范，才能充分发挥模具材料性能的作用，从而提高模具的使用寿命。

　　1）冷挤压模具要求具有一定的抗回火软化能力（>400℃），但不要求太高的硬度与热硬性。

对耐磨性要求不高，易断裂模具可采用低限温度淬火或“低温淬火”，以获得晶粒细小的马氏体，经回火后可获得高的强韧性与一定的耐磨性。

　　2）对耐磨性与温升有较高要求的模具，要求采用高限的温度淬火与在二次硬化峰附近回火，以提高模具的耐磨性与耐回火性。

　　3）为了增加模具的耐磨性与改善其表面应力状态，可采用表面强化处理工艺，如氮碳共渗、镀硬铬、渗硼等。

　　4）冷挤压模具冲头，在每挤压500-1000件后，应作低于其工作温度的去应力回火，以提高冲头的疲劳破坏抗力。

　　2．由于冷镦冲头与凹模都承受多次反复的冲击载荷，所以必须具备较高的硬度、耐磨性、强度与冲击韧度、还必须具有较高的断裂韧度与疲劳强度。

因此冷镦模的热处理特点如下：

　　1）对碳素工具钢冷镦模具采用片状珠体预处理，再进行淬火低温回火，可提高模具的抗压强度、断裂韧度、冲击韧度，模具寿命可显著提高。

　　2）对于Cr12MoV钢冷镦模采用1030℃淬火、400℃回火，可获得最佳的强韧性配合，冷镦模的断裂韧度明显提高。

　　3）冷镦模淬火后必须充分回火，并进行多次回火，以使其内应力全部消除。

　　4）为了提高冷镦模的耐磨性与抗咬合性，冷镦模一般进行渗硼处理，以提高模具使用寿命。

　　3．冷冲裁模的热处理特点

　　冲裁模根据薄厚板的不同热处理特点也不同：

　　1）薄板冲裁模要求具有高的精度与耐磨性，要采用不同的减少淬火变形的热处理方法，如预冷淬火、碱浴淬火（碳素工具钢）、等温淬火、硝盐淬火等措施。

　　2）对于厚板冲裁模要保证模具获得高强韧性的同时还要具有较高的耐磨性。

为了提高厚板冲裁模的强韧性，需细化奥氏体晶粒，细化碳化物，获得板条状马工体、下贝氏体及复相组织及合理选择回火工艺等。

对此可采用高碳钢低温、短时快速加热工艺，从而获得较多的板条马氏体组织；为获得下贝氏体组织可采用等温淬火工艺，也可采用固溶双细化处理工艺细化碳化物晶粒等方法来提高冲裁模的强韧性。

　　4．冷拉深模的热处理特点

　　拉深模应具有较高的硬度、良好的耐磨性与抗粘附性能。

为了保证冷拉深模的表面质量与性能要求，宜采用真空热处理与可控气氛处理，对条件不具模的表面质量与性能要求，宜采用真空热处理与可控气氛热处理，对条件不具备的单位也应采取措施防止模具表面抗氧化脱碳。

为了提高拉深模具的抗磨损与抗粘附性能，应对模具进行表面强化处理如渗氮、氮碳共渗、渗硬铬、渗硼、渗钒等。

　　三、主要冷作模具的热处理

　　1．CrWMn钢冷冲模的双细化热处理

　　CrWMn钢中小型冲孔用冷冲模，冲头部分φ10mm×40mm，模具技术要求60-62HRC。

采用常规热处理后，由于韧性不足，常发生早期脆断，一般寿命仅达3000件，后采用以下双细化热处理工艺后，提高了模具的强韧性，防止了模具的早期脆裂，平均使用寿命提高到15000件左右。

　　该模具的原制造工艺路线为：

毛坯---球化退火---粗加工---半精加工---去应力退火---精加工---淬火、回火---精磨。

其中热处理工艺如下：

（1）球化退化加热温度800℃×（3-4）h，炉冷至700℃等温-3h，炉冷至500℃以下出炉空冷。

（2）淬火及回火淬火温度830℃保温杯10min油冷，回火温度180℃保温热处理工艺如下：

　　固溶超细化热处理工艺：

固溶加热温度1050℃，等温淬火温度300℃，高温回火温度720℃，保温2h，炉冷至500℃以下出炉空冷。

　　最终热处理：

淬火温度810℃，热油冷；回火温度180℃，保温2-3h，回火后硬度60-62HRC。

　　2．大型冷拉深模圈的热处理

　　工作经三次拉深成形，原模圈采用T10A钢制造，淬火温度800℃，在盐浴炉中加热系数为15-20s/mm，水淬油冷，回火温度160-180℃，回火后硬度60-62HRC,平均寿命250-300件，损害部位均在刃口处。

损害原因，由于T10A钢淬透性差，淬硬层浅（只有2.5-3mm），强度低，造成冷拉深模圈寿命很低。

　　后改用Cr12MoV钢制造模圈，最终热处理工艺为了1020-1040℃加热，油冷；180-200℃回火，硬度为60-62HRC，经此热处理的的拉深模圈寿命为2500-3000件，提高寿命10倍左右。

　　3．Cr12MoV钢冷挤压模离子渗氨

　　冷挤成形模的凹模，热处理工艺为：

（1）球化退火860℃加热，保温3h；740℃等温4h，炉冷到500℃以下出炉空冷。

（2）淬火及回火500℃预热，1030℃奥氏体化后淬油；180℃回火保温2h，硬度60-62HRC。

　　（3）离子渗氨LD-50型离子渗氮炉，通入氨分解气（炉外裂化），炉压保持在（5-8）×102Pa，电压500-600V，电流密度1mA/cm2。

渗氮温度510℃，模具使用寿命提高2.7倍。

　　4．剪切模热处理

　　用于剪切直径为φ20-φ40nn30Mn钢棒料的剪切模，开始用CrWMn钢制造，硬度要求50-55HRC，其热处理工艺为：

（1）球化退火工艺加热温度800℃保温3h，炉冷至700℃等温4h，炉冷至500℃以下出炉空冷。

（2）淬火及回火淬火温度830℃，油冷，硬度61-63HRC；回火温度400℃，保温2h，硬度51-53HRC。

模具使用寿命只能达到8000件。

后选用6CrniMnSiMoV（GD）钢制造。

其热处理工艺为：

　　1）球化退火　加热温度780℃，保温2h，等温温度680℃，炉冷到550℃以下出炉空冷，退火硬度≤240HBW。

　　2）淬火及回火淬火温度900℃，油冷，淬火硬度≥63HRC；回火温度400℃，硬度55-57HRC.

　　用GD钢制作的模用使用寿命达2万件以上。

　　5．Cr12钢冲压模的冷处理

　　1）淬火温度：

980℃油冷。

　　2）冷处理：

将淬火后冷到室温的模具立即浸入盛有酒精的保温容器中，加入干冰（CO2），冷处理温可达-60℃，保温1h后取出放于空气中冷到室温。

　　3）回火温度400℃保温2h，硬度58-60HRC.

　　6.Cr12MoV钢硅钢片冷冲模的等温淬火热处理

　　Cr12MoV钢硅钢片冷冲模开关较复杂，采用820℃预热，1030℃加热油淬，200℃×2h回火，模具硬度60-62HRC，使用中模具脆化、易崩刃与开裂，使用寿命平均为10万冲次。

　　等温淬火工艺：

采用820℃预热，1030℃盐浴加热，280℃×3h硝盐等温，空冷至室温，然后在200℃×2h×2次回火，硬度60-61HRC，使用寿命为30多万冲次，提高使用寿命3倍。

　　7．Cr12MoV钢滚丝模等温淬火

　　Cr12MoV钢滚丝模加工M20螺钉，采用一般热处理工艺的模具由于模具崩刃严重，使用寿命较低。

　　改进工艺：

将模具加热到1020℃，在280℃，在280℃×3h硝盐等温,400℃×2h回火，硬度56-58HRC，金相组织为：

下贝氏体+少量回火马氏体+残留奥氏体，热处理变形较常规热处理小得多，使用寿命较常规淬火提高3-4倍。

　　8．Cr12MoV钢模具的低温淬火、低温回火工艺

　　由于没有高温电加热设备，对Cr12MoV钢采用低温淬火低温回火工艺，其热处理工艺为：

　　加热温度计950℃×1.5h，油淬或分级淬火冷却后，模具硬度60-62HRC，经200℃回火后硬度58-60HRC。

淬火后组织为板条状马氏体，其晶粒细小，耐磨性、冲击韧度与抗弯强度较好。

对于强韧性为主的冷作模具，采用低温淬火工艺是较好的，而且变形较小。

　　如薄板下料模，采用以上低温淬火工艺后，硬度、变形均满足要求，并避免了模具早期崩裂失效，延长了模具的使用寿命。

　　9．W18Cr4V钢模具（冲模）低淬火工艺

　　冲孔模采用W18Cr4V钢制造，其热处理工艺为：

650℃预热、850℃预热（加热系数按0.5min/mm计算），淬火加热温度1200℃（盐浴炉加热0.20min/mm），560℃等温淬火后空冷，550℃×1h×3次回火，硬度58-61HRC，冲孔模可冲孔1200