模具热处置技术的现状与展望.docx

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模具热处置技术的现状与展望

模具热处置技术的现状与展望

摘要：

模具热处置是保证模具性能的重要工艺进程。

它对模具的如下性能有着直

接的影响。

模具制造精度：

组织转变不均匀、不完全及热处置形成的残余应力过大造成模具在热处置后的加工、装配和模具利用进程中的变形，从而降低模具的精度，乃至报废。

模具的强度：

热处置工艺制定不妥、热处置操作不规范或热处置设备状态不完好，造成被处置模具强度（硬度）达不到设计要求。

模具的工作寿命：

热处置造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，致使主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，影响模具的工作寿命。

模具的制造本钱：

作为模具制造进程的中间环节或最终工序，热处置造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情形下会使模具报废，即便通过修补仍可继续利用，也会增加工时，延长交货期，提高模具的制造本钱。

正是热处置技术与模具质量有十分紧密的关联性，使得这二种技术在现代化的进程中，彼此增进，一路提高。

20世纪80年代以来，国际模具热处置技术进展较快的领域是真空热处置技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术。

关键词：

模具热处置；模具钢；真空淬火；强化；

StatusandProspectofthemoldheattreatmenttechnology

Abstract:

moldheattreatmentisanimportantprocesstoensurethatthemoldperformance.ItfollowsthemoldperformancehasadirectConnected.Precisionmoldmanufacturing:

organizationalchangesuneven,incomplete,andtheformationofheattreatmentresidualstresscausedbythedeformationofthemoldaftertheheattreatmentprocessing,assemblyandmoldduringuse,therebyreducingtheaccuracyofthemold,orevenscrapped.Thestrengthofthemold:

heattreatmentprocessdevelopedimproperheattreatmentoperationsarenotstandardizedorheattreatmentequipmentstatusisnotintact,causingthehandlemoldstrength（hardness）ofthedesignrequirements.Theworkinglifeofthemold:

theheatcausedbytheirrationalstructure,grainsize,suchasexcessive,resultinginmajorperformance,suchasmoldtoughness,thermalfatigueperformance,anti-wearperformancedecline,affecttheworkinglifeofthemold.Moldmanufacturingcosts:

asanintermediateorfinalprocessofmoldmanufacturingprocess,heattreatmentcracking,distortion-toleranceandperformanceultra-poor,inmostcaseswilldiescrap,eveniftherepaircancontinuetouse,willincreasetheworkinghourstoextendthedeliverytime,improvemoldmanufacturingcosts.Istheheattreatmenttechnologyandthequalityofthemoldhasaveryclosecorrelation,makingthetwokindsoftechnologyintheprocessofmodernization,mutualpromotionandcommon.Sincethe1980s,thefast-growingareaof​​internationalmoldheattreatmenttechnologyofvacuumheattreatmenttechnology,themoldsurfacestrengtheningtechnologyandpre-hardenedmoldmaterial.

Keywords:

moldheattreatment;moldsteel;vacuumquenching;carburizing;strengthening;wearresistance.

一模具热处置的现状

1.常常利用模具钢

五十年代，我国模具用钢全数因袭国外钢号。

进入六十年代，为了节约原材料和提高毛坯精度，少无切削工艺和精密成形技术有了迅速的进展，为了提高生产效率，采用了许多高效压力加工设备，锻锤逐渐被压力机替代。

原用模具钢的性能常不能知足服役条件对性能的高要求，影响了模具的利用寿命和压力加工新工艺新设备的推行应用。

七十年代末，精密及大型工程塑料制品的利用日趋普遍，对塑料模具用钢的需求量急剧增加，对塑料模具钢的性能也提出了新的要求，而我国那时尚无塑料模具专用钢。

六十年代以来，在国家有关部委的支持下，中国科技工作者结合国情，开发出很多新模具钢，其中一些利用性能优良、工艺性能也比较好的新钢种受到模具制造和利用单位的欢迎。

在此期间也引进了一些国外通用的钢号，其中有些钢号通过生产试用，取得良好的效果。

对一些利用效果较好的冷作模具钢和热作模具钢，有关部门还别离组织了性能对比实验研究，提出了选择和应用的建议。

为知足高耐磨、长寿命模具的需要，五十年代末，我国硬质合金有了迅速的进展，同时也开发了多种钢结硬质合金，用做模具取得良好的效果。

本文分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、硬质合金和钢结硬质合金论述。

1．冷作模具钢

目前我国常常利用的冷作模具钢仍是低合金工具钢CrWMn和高碳高铬工具钢Cr12MoV及Cr12这些老的钢号。

CrWMn钢有适当的淬透性和耐磨性，热处置变形小，但CrWMn钢锻后需较严格地控制冷速，并采用适当的热处置，使碳化物呈均匀细小的粒状，散布于基体上，不然易形成网状碳化物，致使模具在利用中的崩刃和开裂。

高碳高铬工具钢有高的耐磨性，但其碳化物偏析较严峻，致使变形的方向性和强韧性的降低。

通过反复镦拨可在必然程度上改善其偏析程度。

1981年，我国引入国际通用的高碳高铬工具钢（Cr12Mo1V1）。

和Cr12MoV钢相较，2钢的碳化物偏析较之Cr12MoV略有改善，强度与韧性稍有提高，2钢制作的模具，其利用寿命亦有不同程度的提高。

高速钢（主如果W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V）有更高的耐磨性和强度，常常利用于制作模具，但其韧性不能知足复杂大型和受冲击负荷大的模具的需要。

为了改善这种钢的强韧性，我国开发了一些新的冷作模具钢，如：

低合金冷作模具钢这种钢的主要特点是工艺性好，淬火温度低，热处置变形小，强韧性好，并具有适当的耐磨性。

如G（6CrMnNiMoVSi）、7CrSiMnMoV（简称CH）、S钢等。

G钢用于制作易崩刃、断裂的冷冲模具有高的利用寿命。

CH钢的成份与日本的SX105V钢相同，是一种火焰淬火钢，常常利用于制做汽车等生产线上用的模具零件，火焰淬火时加热模具刃口切料面，硬化层下又有一个高韧性的基体做衬垫，从而使模具取得较高的利用寿命。

S钢是一种冲击冷作模具钢，其冲击韧性显着优于常常利用的高韧性刀片用工具钢6CrW2Si。

基体钢基体钢一般指其成份与高速钢淬火组织中基体化学成份相同的钢。

美国、日本在七十年代初即研究过牌号为VascoMA、VascoMatrixI和MO2的基体钢，相当于M2和M36高速钢的基体，但未取得普遍的利用。

我国研制了一些基体钢，如65Cr4W3Mo2VNb（简称65Nb）、65W8Cr4VTi（简称LM1）65Cr5Mo3W2VSiTi（简称LM2）钢等。

这些基体钢的主要特点是其含碳量稍高于基体的含碳量，以增加一次碳化物量和提高耐磨性，还加入少量的强碳化物形成元素铌或钛，以形成比较稳固的碳化物，阻止淬火加热时晶粒的长大并改善钢的工艺性能。

这种基体钢已较普遍地用于制作冷挤压、厚板冷冲、冷镦等模具，特别适于难变形材料用的大型复杂模具，还可用做黑色金属的温热挤压模具。

韧性较高的耐磨冷作模具钢为了改善Cr12型冷作模具钢的碳化物偏析，提高其韧性，并进一步增加钢的耐磨性，我国做了大量的研究工作，开发出很多新的钢种，如L、ER5和GM钢等。

在这些钢中，适当降低了铬含量以改善碳化物偏析，增加钨、钼和钒的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性。

与Cr12型冷作模具钢比较，这种钢的碳化物偏析有所改善，有较高的韧性。

这种钢比Cr12型冷作模具钢有更好的耐磨性，因此制做的模具有更高的寿命，更适于高速冲床和多工位冲床的利用。

2．热作模具钢[1]

我国常常利用的热作模具钢为5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V钢。

5CrNiMo钢主要用做大中型锻模。

但其淬透性不够高，回火稳固性也不高，其性能不能知足大截面锻模对性能的要求。

3Cr2W8V钢普遍用做黑色和有色金属热挤压模和Cu、Al合金的压铸模。

这种钢的热稳固性高，利用温度达650?

C，但钨系热作模具钢的导热性低、冷热疲劳性差。

我国在八十年代初引进国外通用的铬系热作模具钢H13（4Cr5MoSiV1），H13钢有良好的冷热疲劳性，在利用温度不超过600?

C时，代替3Cr2W8V钢，模具寿命有大幅度提高，因此H13钢迅速取得推行应用，其产量已超过3Cr2W8V钢。

为适应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热稳固性方面更高的要求，我国研制了很多的新热作模具钢，主要有：

热锻模具钢国内在八十年代，针对5CrNiMo钢的淬透性不能知足大截面锤锻模的需要和利用温度不超过500℃的问题，对国内外用钢做过大量的分析对比和研究。

研究工作表明，国外同类钢5CrNiMoV中的Cr、Ni、Mo含量均高于国产5CrNiMo钢，并含有少量的V，因此其淬透性和回火稳固性均高于国产5CrNiMo钢，并建议选用5CrNiMoV钢，用于制做大型、复杂的重载荷锤锻模[11]。

*国内还开发了大截面热锻模具钢5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi钢，已取得较普遍的应用[1]。

与5CrNiMo钢相较，这些钢中的碳含量稍低，提高了Cr和Mo的含量并加入适当的V和Si，因之有高的淬透性和热稳固性。

45Cr2NiMoVSi钢中的碳和硅，较之5Cr2NiMoVSi钢，稍有降低，更适宜于做锤锻模。

这种钢用于制造4000t以上机械压力机锻模和3t以上锻锤模，利用寿命较5CrNiMo和5CrNiMoV提高~倍。

3Cr2MoWVNi钢也是我国开发的一种热锻模用钢，有高的利用寿命。

热挤压用模具钢H13已是国内外普遍利用的热作模具钢，在利用温度不超过600?

C时，有良好的冷热疲劳性能，用做热挤压模和铝合金压铸模，有比较高的利用寿命。

但H13钢有较大的尺寸效应，国外采用炉外精练、高温扩散退火、等向锻造等工艺，以改善其尺寸效应，减小Cr和Mo的成份偏析，国内多采用电渣重熔等工艺。

我国研制了许多强韧性好、热稳固性高的热挤压用热作模具钢。

一些钢是在国外钼系3Cr3Mo3V钢和铬系H13钢的基础上进展起来，并在合金化方面有必然特色，如HMI（3Cr3Mo3W2V）、TM（4Cr3Mo2WMnVNb）、Y4（4Cr3Mo2MnVB）、Y10（4Cr5Mo2SiV1）、H2（4Cr3Mo2VNiNbB）、012Al（5Cr4Mo3SiMnVAl）等钢。

这些钢在维持较好的强韧性条件下，具有高的其热稳固性，别离用于制做热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等，有良好的利用效果。

我国有关部门曾组织一些研究单位和利用单位，选择了27种国内外应用和新研制成功的热作模具钢，对其大体力学性能、工艺性能和利用性能进行测试和对比，并提出了各类热作模具的选材准则。

3．塑料模具钢

塑料成形用模具产值已在模具工业总产值中占首位。

中国过去无专用塑料模具用钢。

最近几年在引进国外塑料模具用钢的同时，自行研制和开发出一些新的塑料模具专用钢。

预硬型塑料模具钢这种钢在钢厂通过充分锻打后制成模块，预先热处置至要求的硬度（一般预硬至30~35RHC）后，供利用单位制模。

P20（即3Cr2Mo）是国外利用最普遍的预硬塑料模具钢，已列入我国合金工具钢标准，八十年代以来已在我国一些工厂普遍采用。

718是瑞典生产的改型P20钢，较P20有更高的淬透性，调质后可在大截面尺寸维持硬度均匀一致，亦在我国取得较普遍地利用。

易切削预硬钢为了改善预硬塑料模具钢的被切削性能，可加入易切削元素。

美国、日本、德国都进展了一些易切削预硬钢。

国外易切削预硬钢主如果S系，也有S-Se系、Ca系。

但Se价钱较贵。

S系易切削钢的各向异性较大，在截面增大时，硫化物的偏析比较严峻。

我国研制了一些含硫易切削预硬塑料模具钢，如8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）和S-Ca复合易切削塑料模具钢5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）。

5NiSCa钢采用了S-Ca复合易切削系和喷射冶金技术，改善了硫化物的形态、散布和钢的各向异性,在大截面中硫化物的散布仍比较均匀。

5NiSCa钢有高的淬透性和镜面抛光性，模具硬度为35~45HRC时，可顺利进行各类加工。

非调质塑料模具钢这种钢不经调度处置，锻、轧后可达到预硬硬度，有利于节约能源、降低本钱、缩短生产周期。

我国开发的这种钢有：

中碳锰硼系空冷贝氏体钢、可用于制作塑料模和橡胶模；非调质塑料模具钢2Mn2CrVTiSCaRe（FT）,钢中加入S、Ca、Re做为易切削元素，比S-Ca复合系易切削钢有更好的切削性能；低碳MnMoVB系非调质贝氏体型大截面塑料模具钢（B30），钢中加入S、Ca作为易切削元素，工业试生产表明400mm厚板坯热轧后空冷，硬度沿截面散布较均匀。

时效硬化钢我国开发了几种低镍时效硬化钢，这些钢经调质后进行机械加工，再经时效，通过析出金属间化合物提高硬度，热处置后变形很小。

时效硬化钢适于制作高精度塑料模具、透明塑料用模具等。

这种钢有25CrNi3MoAl、10Ni3Mn2AlCu（PMS）和06Ni6CrMoVTiAl等钢。

这些钢经调质后，硬度为20~30HRC，可进行机械加工，再经时效，硬度可达38~42HRC、。

耐蚀塑料模具钢塑料制品在以化学性侵蚀塑料为原料时，模具需具有防侵蚀性能，一般采用耐蚀钢制造模具，现在还要求有较好的耐磨性。

常常利用的钢种为4Cr13（420）、9Cr1八、17-4PH。

PCR（0Cr16Ni4Cu3Nb）是我国开发的一种耐蚀塑料模具钢，有较好的综合力学性能良好的抗蚀性。

4．硬质合金和钢结硬质合金

硬质合金是用粉末冶金方式制造的一类复合材料。

硬质合金的硬度很高、耐磨性好，有高的弹性模量和高的利用工作温度。

用于制作某些模具，模具利用寿命可提高数倍、数十倍以上。

但硬质合金较脆，抗弯强度和韧性较差，且不能进行机械加工。

硬质合金作为模具材料，主要用于拉丝模具、受冲击力不大的冷挤和冷冲模具等。

目前,我国已可生产各类牌号的硬质合金，大体上能够知足国内市场的需要。

为了知足制造集成电路板钻孔用的微型钻头、运算机用的点阵打印针、精密工模具等的需要，最近几年来，各国都研制出一些微晶（WC晶粒小于1微米）和超细晶粒硬质合金（WC晶粒小于微米）,传统的硬质合金中，WC晶粒尺寸为～微米。

超细晶粒硬质合金弥补了常规硬质合金的许多不足，扩大了其应用范围，在制造耐磨耐冲击工模等方面取得了良好的效果。

我国一些研究单位和硬质合金厂已研制出多种牌号的微晶硬质合金和超细晶粒硬质合金。

开发高性能超细晶粒硬质合金目前仍是硬质合金研究的热点。

钢结硬质合金是以碳化物为硬质相，钢作粘接相形成的复合材料。

钢结硬质合金有良好的耐磨性，其强度和韧性一般高于硬质合金，并具有可热处置性、可切削加工性、可锻性和可焊性如此一些工艺性能。

模具是钢结硬质合金的主要应用领域。

我国于60年代开始研制这种材料，已研制成多种牌号的钢结硬质合金，用作模具的钢结硬质合金，硬质相主要用TiC和WC，钢的基体主要采用低合金铬钼钢、中高合金工具钢或高速钢，如TiC系的GT3五、R五、一、T1和WC系的TLMW50、GW50、GJW50。

钢结硬质合金已用于制作冷镦模、挤压模、拉伸模、冲裁摸、拉丝模、热镦模等。

粉末冶金技术的进展和热等静压的应用，致使七十年代无偏析粉末高速钢的生产和利用，其主要特点是强韧性、可磨削性、等向性、热处置工艺性都优于一般高速钢，并有比较高的利用寿命。

以后用此技术生产常规工艺无法生产的高碳高钒高耐磨冷模具钢，这种钢有较好的切削加工性和磨削性能，并有较好的韧性，制成的模具利用寿命与一些硬质合金相近。

国外已生产多种牌号的粉末冶金高耐磨冷模具钢，国内尚少研究。

2．模具热处置

热处置是机械零件和工模具制造进程中的重要工序之一。

它能够控制模具零件的各类性能，如耐磨、耐侵蚀、磁性能等。

还能够改善毛坯的组织和应力状态，以利於进行各类冷、热加工。

本文详细分析了中国模具热处置行业现状、存在问题，并提出些许对策。

1中国热处置行业运行分析

中国改革开放以来，模具热处置企业引进了先进的技术和设备，一些大型骨乾企业的生产技术有了明显的改观。

国际模具及塑胶五金产业供给商协会负责人罗百辉指出，通过30年来的进展，中国东部沿海地域终於形成了今日的完全以市场经济为导向的热处置专业化生产格局。

此刻的热处置行业除生产模具及其配件之外，还包括大量的机械零部件和五金配件等。

但模具热处置仍然是那个行业的主营产品，此刻仍然占有60%以上的市场份额。

综观连年来中国模具热处置生产的进展状况，可谓市场导向特色明显。

市场快速响应能力强

模具热处置品种配套速度快，即从早年的小型简单的冷冲模具，到後来有大量需求的中小型冷作模具、热挤压模和压铸模，再到精密的塑胶模具，近30年来已经形成比较完整的模具热处置生产体系。

模具热处置生产周期短。

现在在珠江三角地域，今天送模具来热处置，明後天完工的要求相当正常，而相当多热处置厂家都能急市场之所急。

模具热处置专业化生产程度高

许多厂家能针对所服务的模具厂产品组织专业化生产，如热处置或专做热挤压模，或专做铝合金压铸模，或专做塑胶成型模等。

其专业化生产分工明晰，生产特色比较明显，产品质量比较有保证，市场竞争力各有所长。

模具热处置装备更新速度快

中国制造业的迅速进展，模具生产市场的激烈竞争，和模具热处置的技术进步，极大地推动了模具热处置生产装备的配套与完善。

热处置作为模具制造链上重要的一环，虽然其加工产值仅占模具产值很小的一部份，但热处置质量对模具的品质、附加值，和利用寿命的影响却是关键和深远的。

当前，专门是在汽车制造业和IT产业的强力拉动下，使得对模具的需求档次愈来愈高。

热处置行业在未来的进展中，必需将模具热处置生产主要集中在技术含量高的中高级模具上，如汽车模具、中小型精密模具和大中型塑胶模具等，以进一步发挥其产业优势。

2一般模具热处置的方式

模具制造的本钱高，专门是一些精密复杂的冷冲模、塑料模、压铸模等。

采用热处置技术提高模具的利用性能，能够大幅度提高模具寿命，有显着的经济效益，我国模具技术工作者十分重视模具热处置技术的进展。

常常利用模具表面强化处置工艺有化学热处置:

渗碳、碳氮共渗等;真空热处置；深冷处置；模具的高温淬火和降温淬火；模具材料的预硬化；气相沉积；高能束热处置；表面复层处置:

堆焊、热喷涂、电火花表面强化、PVD和CVD等;表面加工强化处置:

喷丸等如图表1。

表1模具常常利用的热处置说明

热处理名称

定义

目的

应用

正火

把钢加热到临界温度以上，保温后空冷的操作

消除应力，细化晶粒，改善组织，调整硬度，便于切削加工

作为预备热处理，或用来消除网状渗碳体，为球化退火作准备

退火

完全退火

把钢加热到临界温度以上，保温后缓慢冷却的操作

消除应力，降低硬度，改善切削加工性能

用于模具锻件，铸钢件或冷压件的热处理

球化退火

把钢加热到临界温度以上稍高的温度保温后再冷至稍低于A的温度保温，然后空冷的操作

消除片渗碳体，使其变成球状渗碳体，改善切削加工性能

用于碳素工具钢及合金工具钢模具

调质

淬火后高温回火的操作

既有较高的强度，又有较高的韧性

作为模具零件淬火剂氮化前的中间热处理

淬火

将钢加热到相变温度以上，保温后快速冷却，获得马氏体，贝氏体的操作

提高零件的硬度剂耐磨性

用于模具零件的最终热处理

回火

将淬火零件加热至A以下某一温度，保温后冷却的操作

消除淬火应力，调整硬度

模具淬火后都必须回火

渗碳

将钢件放在含碳的介质中，加热至奥氏体化温度，将碳渗入钢件表面的操作

提高零件表面的含碳量，使表面获得很高的硬度和耐磨性，而心部具有良好的韧性

在模具制造中用于导柱，导套的热处理

氮化

将钢件放在含氮的气氛中，加热至500～600摄氏度，使氮渗入钢件表面的操作

提高零件的耐磨性和耐蚀性

用于工作负荷不大，氮耐磨性要求高级要求耐蚀的模具

2．1真空热处置

模具钢经真空热处置后有良好的表面状态，变形小。

与大气下的淬火比较，真空油淬后模具表面硬化比较均匀，而且略高一些，主要原因是真空加热时，模具钢表面呈活性状态，不脱碳，不产生阻碍冷却的氧化膜。

在真空下加热，钢的表面有脱气效果，因此具有较高的力学性能，炉内真空度越高，抗弯强度越高。

真空淬火后，钢的断裂韧性有所提高，模具寿命比常规工艺普遍提高40%~400%，乃至更高。

冷作模具真空淬火技术已取得较普遍的利用。

真空热处置技术是近些年进展起来的一种新型的热处置技术，它所具有的特点，正是模具制造中所迫切需要的，比如避免加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气，消除氢脆，从而提高材料（零件）的塑性、韧性和疲劳强度。

真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处置工艺造成的零件变形小等。

按采用的冷却介质不同，真空淬火可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火。

模具真空热处置中主要应用的是真空油冷淬火、真空气冷淬火和真空回火。

为维持工件（如模具）真空加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定超级重要，模具淬火进程主要采用油冷和气冷。

对于热处置后再也不进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火，专门是真空淬火的工件（模具），它能够提高与表面质量相关的机械性能，如疲劳性能、表面光亮度、而侵蚀性等。

2．2深冷处置

最近几年来的研究工作表明，模具钢经深冷处置（-196℃），能够提高其力学性能，一些模具经深冷处置后显着提高了利用寿命。

模具钢的深冷能够在淬火和回火工序之间进行，也可在淬火回火以后进行深冷处置。

若是在淬火、回火后钢中仍保留有残余奥氏体，则在深冷处置后仍需要再进行一次回火。

深冷处置能提高钢的耐磨性和抗回火稳固性。

深冷处置不仅用于冷作模具，也可用于热作模具和硬