模具的热处理

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模具的热处理

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! Z3 w# t& [/ v9 r/ D锻模的加热及加热方法
- Q0 Y% I) \  p; x; W! R    1．淬火加热保护
: m7 u( w) Y1 Z    采用各种防脱碳、防氧化保护涂料，对小型锻模能起到保护作用。而用渗碳剂、木炭、铸铁屑及中性介质的装箱保护方法，也是实用的。900℃以下的加热， 一般采取敞口式装箱加热，1000℃以上的加热，宜采用装空心包的方法进行保护加热。采用装空心包保护加热，应注意：每次使用前，都应检查铁包有无漏气；装入保护剂要适量，过多的渗碳介质，将造成锻模表面严重渗碳。有条件的情况下，建议采用氮基保护气氛进行保护加热。
    2．加热方法
    镶块锻模和小锻模，一般采用到温装炉的方法加热。形状复杂的锻模适当降低装炉温度。厚大整体模，为避免产生过大的热应力，宜低温装炉，经600至650℃预热，然后以小于80℃/h的速度升高加热温度。
. E. [0 H$ O$ [5 v淬火加热温度在1000℃以上的锻模，应在800至850℃预热。
$ L$ @; u# }* u" v    淬火加热保护：
    采用各种防脱碳、防氧化保护涂料，对小型锻模能起到保护作用。而用渗碳剂、木炭、铸铁屑及中性介质的装箱保护方法，也是实用的。900℃以下的加热， 一般采取敞口式装箱加热，1000℃以上的加热，宜采用装空心包的方法进行保护加热。
    采用装空心包保护加热，应注意：每次使用前，都应检查铁包有无漏气；装入保护剂要适量，过多的渗碳介质，将造成锻模表面严重渗碳。有条件的情况下，建议采用氮基保护气氛进行保护加热。
加热方法：
6 c' B7 ^% L9 D# v( x4 w    镶块锻模和小锻模，一般采用到温装炉的方法加热。形状复杂的锻模适当降低装炉温度。厚大整体模，为避免产生过大的热应力，宜低温装炉，经600至650℃预热，然后以小于80℃/h的速度升高加热温度。  
淬火加热温度在1000℃以上的锻模，应在800至850℃预热。
) P/ K! {2 n+ [, E( ?/ S1 Q热作模具钢的评估及选用
& ?8 B, [) I* f% N' |$ T随着高效、高速、高强度、大吨位的机械化、自动化加工成形设备的发展以及热锻模、热挤压模、热镦模、压铸模等复杂工艺的广泛应用，对模具的强度、冲击韧度、红硬性和耐磨性，提出了更高的要求。目前，采用一般的热作模具钢及普通的热处理工艺已不能满足生产的需求，尤其是冲击韧度差易开裂、红硬性低易塌陷，以及高湿时材料的耐磨性不高，导致模具使用寿命明显降低，严重地影响先进的热成形工艺的进一步发展。因而，改善和提高热作模具钢的强韧度和红硬性等，延长模具的使用寿命，更显得越来越重要和越来越紧迫。
由多年来的资料统计数据表明，任何一种模具产品的费用比例分别是：模具材料费占35％，模具加供费（机械切削加工及热处理加工）占50％，其中，前两项费用是严重影响零件加工的生产成本，故应慎重选用合理的模具材料。
. @1 r3 \2 m# Q; G3 C! K模具材料的性能方面、材质优劣、使用合理与否等因素，对于模具的制造精度、合格品率、工作时的承载能力、寿命及成本，均有密切的关系。因此在设计和制造模具过程中，对于选材方面应综合考虑模具的种类（具体使用的场合）、制作批量、制作材料和制件复杂程度等因素。而对于模具材料本身，则需考虑它的力学性能、耐磨性、耐热性、耐蚀性、热变形、淬透性、机械加工性，以及材料价格和供货情况等。
4 I. I" U$ o2 y" I' t9 O目前，任何一种优质材料、新型的模具材料都难以满足所有的性能要求，所以只能根据实际的使用条件，在满足主要性能情况下来选择最佳的模具材料。
为了阐述具体问题，模具寿命的影响因素介绍如下：
7 R: `. E7 L, t: {2 W  F热作模具钢主要用于制造锤锻模、压力机锻模、热挤压模和压制模，他们的工作条件有很大差别。
影响热作模具工作条件的因素主要有：
* |& u$ N0 q! |" Q3 H% v( b7 _* F# l1 Q1.锻压设备的构造及特性 锻锤（空气锤、蒸汽锤、无砧座锤、高速锤等）
1 @. t' [: I! I( U6 ^% K在工作时产生巨大的冲击功，使炽热的毛坯在模具型腔内成形，因此，锤锻模具是在高湿、高压、高速冲击载荷下工作。压力机（曲柄机械压力机、摩擦压力机、油压机、水压机）的加载速度比锻锤低的多，因此，压力机模具承受的载荷近于静载。
" q* z# a, ~& e# {& P, S2.毛坯材料的性质
0 y, Y( d  [4 {; O由于金属材料不同，它们的熔点和锻造加热温度差别很大，所以，模具的工作条件也各不相同。
+ _1 y4 Z$ Z3 D6 A. l2 y3.模具的润滑及冷却方式
0 m4 E4 A( P% u: p* Q2 P在金属塑性成形时，采用适当的润滑剂，可减少摩擦系数，使变形抗力下降，其降低的幅度通常为30％～40％，这有助于减轻模具的磨损及防止模具断裂的危险性。同时，为防止模具温度过高，热作模具必须采用冷却措施，生产实践证明，正确而有效的冷却对提高模具的使用寿命。
4.模具的结构及制造质量
' ?. s8 d& r# b' n; a5 Q模具的结构设计和型腔几何形状对金属塑性成形压力和模具寿命都有很大的影响，为提高模具寿命，通常采用各种形式的组合凹模。模具型腔的表面粗糙度对疲劳抗力和摩擦力也有很大的影响。
5.模具合理使用
+ D0 F9 x2 b8 Z- N热作模具的使用与冷作模具有一个很大的区别，就是在使用之前，必需对模具进行必要的预热。生产实践证明该项工作是很重要的，如不注意模具的合理使用，就会大大降低模具的使用寿命。

: k! p/ u/ I  D/ m' Z* d根据实际生产中的有关资料，目前已在各企业中常用热作模具的应用情况，可归纳如表1所示。该表列出热作模具常用的钢号、主要特性、热处理硬度及用途。
表1   热作模具常用的钢号、主要特性及用途
钢号        主要特性        硬度HRC        用途
5CrNiMo        合金元素含量较低的热作模具钢，具有较高的淬透性和良好的韧度，强度耐磨性，但容易出现白点        44～48        适合制造各种形状复杂，冲击载荷大、工作温度不太高、边长＞400mm大中型锤锻模及切边模
5CrMnMo        该钢除淬透性、耐热疲劳性稍差外，其它性能都和5CrNiMo相似        44～48        适合制造边长≤400mm的中型锤锻模即热切边模
SCrMnMoSiV        由于增加了合金元素，使抗回火能力及淬透性增大，其使用寿命比上面两种材料有较大提高，但韧度不如5CrNiMo        44～49        适于制作中、小型锻模，但不适用制作大型锤锻模
0 @! U) V& _8 W6 s' b8 w1 t1 y3 v3Cr2W8V        该钢含有较多易形成碳化物的元素铬和钨，具有良好的淬透性，在高温下（600～700℃）时，具有较高的强度和硬度、热疲劳性能，但其强度和塑性较差        48～        用于制造高温高压应力下，而冲击负荷不大的凸模和凹模。如制造压铸模、热挤压模、精锻模和有色金属成型模等
4Cr5MoSiV（H11）        空冷硬化型热作模具钢，在中温下具有较好的热强性、高的耐磨性及良好的疲劳性能，且热处理变形小        53～57        用于制造铝合金压铸模，热挤压模，穿孔用工具，心棒，压力机锻模
# A1 P* }; s5 i( u0 L; e4Cr5MoSiV（H13）4Cr5W2SiV        空冷硬化型热作模具钢，在较高温服（600℃）时，具有较高的强度和硬度，高的耐磨性和韧度，并具有良好的热疲劳性        53～55        用来制造锤锻模，热挤压模及心棒，压力机模，精锻机模及镶块，铝、铜合金压铸模，高速锤锻模
3Cr3Mo3VN6(HM3)        新型高强韧热作模具钢。该钢含碳量较低，是为了增加导热性，提高冷热疲劳寿命，钼、钒、铌合金元素形成碳化物，因熔点较高，可细小晶粒，使钢的热强性升高。        47～52        用于制造航空喷气发动机难变形合金、高温合金等精密锻模
/ }& }# d5 Y! ]7 d& o6 t3 m4Cr3Mo2MnVB(ER8)        空冷硬化型热作模具钢（H10改型钢种），具有更高的强韧度、抗冷热疲劳性、抗热振性及抗回火软化能力        42～48        用于制造铜、铝合金压铸模，大变量的热挤压模、热拉深件的冲头
# Z; {; j2 G, y4Cr5Mo2MnVN6B(Y4)        新型热作模具钢。具有高的热强性、热稳定性、良好的韧度、导热性及工艺性        49～50        用于制造铜、铝合金压铸模，并可代替3Cr2W8V钢制造中、小型压力机模具、热积压等模具
( r: @- s; U2 {7 F4Cr5Mo2MnVSi(Y10)        新型热作模具钢。其化学成分与H13钢相似，具有很好的淬透性，钼及钒合金元素对细化晶粒、提高热透性和回火稳定性有较大作用        50～51        用于制造电机端盖，照相机盒，汽车变速箱上盖等铝合金压铸模

6Cr4Mo3Ni2WV（CG2）        冷热兼用的基体钢，具有较宽的热处理工艺范围，无淬裂倾向，在较高温度下，具有高的强度、韧度、耐磨性及抗热疲劳性        51～53        用于制作热冲模，热挤压模，高速锻模，精锻齿轮模及镶块等
9 R4 |8 p1 x0 t) B6 w# j4 X2 m8407（瑞典）        该钢纯度高、晶粒细密、各向同性好，不论大小尺寸、韧度好。高温强度高、热应力疲劳抗力强，良好的淬透性和热处理尺寸稳定性        32～38        用于制造锌、铝、铅压铸模及交口套
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总之，热作模具使用寿命的重要因素是与模具材料的化学成分及其所决定的钢的强度、韧度、耐磨性、热稳定性等有关，同时与冶金质量也有很大关系。因此，为提高模具使用寿命，作为制造业，必须正确地设计模具结构、精确地制造模具零部件、合理的使用模具及其热处理工艺，同时在该根据实际生产需要选择高质量的合适钢材，并选择合理的热处理工艺，才能充分发挥模具材料的各种性能，提高模具的使用寿命
　　淮北矿业集团机电装备有限责任公司是以生产煤矿设备为主的大型企业，在制造过程中，有大量零件的毛坯制作采用锻造的方法，如矿用单体支柱的底座、手把体、活塞、顶盖，金属顶梁的四小件、液压支架立柱，及千斤顶的缸底、活塞等均采用模锻制造。   
淮北矿业集团机电装备有限责任公司仅模具锻造生产的毛坯每年都在2000t 以上，怎样提高模具的使用寿命是我们工程技术人员共同关心的问题。  
    目前，国内使用的锤锻模材料大多采用5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo 。我们的锻造毛坯大多是中小型锻件，宜采用5Cr Mn Mo 、5Cr Ni Mo 材料制作的模具。根据我们多年的实践经验，锤锻模模具失效的原因，大都集中在以下几个方面: 型腔尺寸磨损和产生纵向裂纹、横向裂纹，以及网状裂纹( 龟裂) ，即所谓热疲劳裂纹。造成这些失效的原因是多方面的，涉及原材料的问题，模具毛坯锻造金属的组织成分，模具毛坯锻造温度的合理选择，模具的几何形状，模具的热处理工艺及质量等多方面。现就以淮北矿业集团机电装备有限责任公司5CrNi Mo 、5Cr Mn Mo 为材质的热锻模为例,根据模具使用条件、性能要求，以及模具制造过程中所采取的热处理工艺等几个方面进行分析说明。  
    一、锤锻模选材依据  
5 e( j# u, w: R9 v+ f9 @    1. 热锻模工作条件  
    热锻模在高温下通过冲击加压、强制金属成形。模具在工作过程中经受巨大的负荷，同时经受压应力、拉应力和附加弯曲应力，被锻金属在模具型腔内流动又产生强烈的摩擦力，型腔表面金属与高温金属接触，被加热至300 ～400 ℃，局部高达500 ～600 ℃，加上经常受到反复加热和冷却，极易产生热疲劳裂纹。  
1 K* n8 q8 W7 L: ]    2. 热锻模性能要求  
    在工作温度下保持高的强度及良好的冲击韧度，良好的抗热烧蚀性( 包括高的热疲劳抗力、抗氧化性和热强性) 和抗热冲刷能力以及高的淬透性、良好的导热性。  
  A" b1 g0 H1 L0 H( t+ W    根据热锻模的工作条件和性能要求，淮北矿业集团机电装备有限责任公司选用5Cr Ni Mo 、5Cr MnMo 为模具材料。5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo的化学成分 。  
    5Cr Ni Mo 钢具有高的淬透性和良好的综合力学性能，适宜制造形状复杂、冲击载荷大的大型锻模。5Cr Mn Mo 钢以Mn 代替Ni ，强度虽然没有降低，但高温下的塑性、韧性降低，而且淬透性比5Cr Ni Mo 低、过热敏感性稍大，因此5Cr Mn Mo 适合制造中小型锻模、热压模。  
    二、模具制造工艺路线  
. }. i* ~" |3 [; F2 w$ ?4 @    热锻模具的制造工艺路线一般为锻造→退火→加工成形→淬火、回火。小型模具因形状简单、硬度高、不易加工，所以先加工或淬火、回火。大中型锻模先粗加工，再淬火、回火及机加工。  
. h- i& L+ I. p" {    1. 毛坯制作( 锻造)  
    5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo 热作锻模钢的组织和性能与合金调质钢有许多相似之处，属于亚共析钢。为消除轧材组织的方向性，使其尽可能得到均匀的组织和性能，以承受工作中的高应力和冲击，必须通过轧制或锻造，破坏其碳化物骨架，减少碳化物的不均匀性。淮北矿业集团机电装备有限责任公司采用锻造方法进行毛坯制作，毛坯镦粗、拔长交替次数不少于3 次，始锻温度1100 ～1180 ℃，终锻温度850 ～880 ℃，总锻造比不小于10 ，锻造后缓冷，以防产生白点和形成马氏体组织。  
( j5 {4 {1 ]; t    2. 退火  
    为便于机加工及改善化学成分的偏析和组织的不均匀性，我们通常采用完全退火进行预先热处理。表2 为淮北矿业集团机电装备有限责任公司完全退火工艺参数。 三、最终热处理   
    锻模经上述锻造，小型模具精加工、中大型模具粗加工后，为赋予模具最终的力学性能，要进行淬火和高温回火，使基体组织获得所要求的组织，以保证较高的强度和韧性。   
    由于热锻模具钢淬透性好，可采用油冷，同时我公司在模具制作的过程中，根据模具的结构、模具用于被施锻件的结构、材质，模具所要求的硬度和韧性性能等要求，选择常规淬火热处理、等温淬火热处理和高温淬火热处理三种工艺方法，即采用840 ～860 ℃ 淬火或900 ℃高温淬火及不同的冷却方式，采用同样的回火处理工艺，来获得不同的强塑性配合，以提高模具的使用寿命。   
    1. 常规淬火热处理工艺   
' T2 z) j4 k/ q! I% a% X    以往我们在模具经预先退火处理后，为赋予模具最终的力学性能，使模具达到所要求的性能，常采用图1所示热处理。为减少内应力与变形，锻模自炉内取出后，在空气中预冷至800 ℃，然后油淬，淬火冷却200 ℃左右及时回火。回火目的在于保留较多的残余奥氏体，避免淬火开裂，但由于热锻模蓄热能量很大，当表面温度冷到200 ℃左右出油时，心部温度仍很高，这样心部大量的残余奥氏体在回火时会转变成珠光体或粗大的上贝氏体组织。上贝氏体组织是在铁素体片层间分布有断续碳化物的组织，裂纹扩展阻力小，这种组织难以最大限度地发挥材料强韧性的潜力，模具使用寿命较低，使用过程中常出现早期断裂。   
% v1 W' l, b6 Y5 W    2. 等温淬火热处理工艺   
1 c+ g2 @! E0 D0 \0 J5 U    锻模经上述锻造、退火、粗加工和精加工后，按照图2 进行等温淬火和回火，使基体组织获得针状马氏体下贝氏体复相组织，可充分发挥下贝氏体的优势。下贝氏体组织是在过饱和铁素体中分布有弥散细小的碳化物，裂纹扩展阻力较大和板条状( 位错型) 马氏体相近似，在塑性良好的情况下具有较高强度，这样在硬度基本相同的情况下，冲击韧度会显著提高，而模具的耐磨性不足，但可采用工作型腔磨损强烈的部分进行轮廓感应淬火方法，以提高模具的使用寿命。   
2 W5 v4 d; d. @1 X9 t* m! o9 P    3. 高温淬火热处理工艺   
    为进一步提高模具的寿命，提高模具的淬火温度,即对上述常规热处理工艺进行调整，在其他工艺参数不变的条件下，将淬火温度提高至900 ℃ ( 见图3) ，模具的使用寿命提高2. 5 倍。淬火温度的提高虽然使奥氏体晶粒显著粗化，但断裂韧性却提高了70 % ～125 % ，这主要是因为过热淬火改善了模具的断裂韧性。其改变机理主要有以下几个方面：   
3 g$ X4 M, X' R+ c3 R; m    ( 1) 增加了残余奥氏体量，而且残余奥氏体的薄片包围在马氏体片周围。裂纹在通过马氏体而交接到残余奥氏体时便停止下来，因此薄层状奥氏体具有阻碍裂纹扩展的作用。   
    ( 2) 5CrNi Mo 、5CrMnMo 在普通加热时产生大量孪晶型马氏体( 片状马氏体) ，而过热淬火时可产生较多的板条状( 位错型) 马氏体。板条状马氏体具有较高的强度和韧性，裂纹扩展阻力较大使韧性提高，故过热淬火多用于要求强韧化的热处理，以提高模具的使用寿命。   
! T" ~+ Y4 L( H8 D2 h    ( 3) 碳化物及夹杂物能溶入奥氏体，减少了形成微孔的核心。   
! R- K% y8 Y/ Y; x5 N    四、结语   
) u# N+ ]8 u  w    热锻模的使用寿命与模具设计、材料和工艺方法等有着密切的联系，因此在模具制作的过程中，应根据模具使用条件、所要求的力学性能来进行合理的选材，并从工艺上进行控制，特别是热处理的工艺控制尤为重要，只有合理的热处理方法才能够满足热锻模高的耐磨性，在工作温度下保持高的强度及良好的冲击韧度和抗热烧蚀性( 包括高的热疲劳抗力、抗氧化性和热强性)及抗热冲刷能力。   
4 [( X% w( B8 F/ n8 ?    上述三种热处理方法处理的热锻模在公司均得到了应用，而等温淬火和高温淬火热处理工艺在提高模具寿命方面获得了良好的效果，取得了较好的经济效益。
3 t: {- X- Z& F: x& q; C; E热作模具常用的钢号、主要特性及用途
  ]) B1 R& R1 ^' z2 X% ?2 l" S

8 C0 ?5 O3 q6 b  R" T2 T关键字：模具钢         
     
- v, r6 \& z* k6 _/ {) K/ {钢号        主要特性        硬度HRC        用途
5CrNiMo        合金元素含量较低的热作模具钢，具有较高的淬透性和良好的韧度，强度耐磨性，但容易出现白点        44～48        适合制造各种形状复杂，冲击载荷大、工作温度不太高、边长＞400mm大中型锤锻模及切边模
5CrMnMo        该钢除淬透性、耐热疲劳性稍差外，其它性能都和5CrNiMo相似        44～48        适合制造边长≤400mm的中型锤锻模即热切边模
% B% i, a7 }1 q- s+ c8 [SCrMnMoSiV        由于增加了合金元素，使抗回火能力及淬透性增大，其使用寿命比上面两种材料有较大提高，但韧度不如5CrNiMo        44～49        适于制作中、小型锻模，但不适用制作大型锤锻模
3Cr2W8V        该钢含有较多易形成碳化物的元素铬和钨，具有良好的淬透性，在高温下（600～700℃）时，具有较高的强度和硬度、热疲劳性能，但其强度和塑性较差        48～        用于制造高温高压应力下，而冲击负荷不大的凸模和凹模。如制造压铸模、热挤压模、精锻模和有色金属成型模等
3 p1 N8 L/ I) q" V1 C* U5 L7 a4Cr5MoSiV（H11）        空冷硬化型热作模具钢，在中温下具有较好的热强性、高的耐磨性及良好的疲劳性能，且热处理变形小        53～57        用于制造铝合金压铸模，热挤压模，穿孔用工具，心棒，压力机锻模
4Cr5MoSiV（H13）4Cr5W2SiV        空冷硬化型热作模具钢，在较高温服（600℃）时，具有较高的强度和硬度，高的耐磨性和韧度，并具有良好的热疲劳性        53～55        用来制造锤锻模，热挤压模及心棒，压力机模，精锻机模及镶块，铝、铜合金压铸模，高速锤锻模
; l+ o1 ?! ^  }& `9 k- e3Cr3Mo3VN6(HM3)        新型高强韧热作模具钢。该钢含碳量较低，是为了增加导热性，提高冷热疲劳寿命，钼、钒、铌合金元素形成碳化物，因熔点较高，可细小晶粒，使钢的热强性升高。        47～52        用于制造航空喷气发动机难变形合金、高温合金等精密锻模
% y) Z% P. m/ {9 }- M4Cr3Mo2MnVB(ER8)        空冷硬化型热作模具钢（H10改型钢种），具有更高的强韧度、抗冷热疲劳性、抗热振性及抗回火软化能力        42～48        用于制造铜、铝合金压铸模，大变量的热挤压模、热拉深件的冲头
3 b/ E- t5 d1 b, K4Cr5Mo2MnVN6B(Y4)        新型热作模具钢。具有高的热强性、热稳定性、良好的韧度、导热性及工艺性        49～50        用于制造铜、铝合金压铸模，并可代替3Cr2W8V钢制造中、小型压力机模具、热积压等模具
# E* N  r3 G  c* e4Cr5Mo2MnVSi(Y10)        新型热作模具钢。其化学成分与H13钢相似，具有很好的淬透性，钼及钒合金元素对细化晶粒、提高热透性和回火稳定性有较大作用        50～51        用于制造电机端盖，照相机盒，汽车变速箱上盖等铝合金压铸模
& j* v: S4 l" ~* x: [4 d8 y- _6Cr4Mo3Ni2WV（CG2）        冷热兼用的基体钢，具有较宽的热处理工艺范围，无淬裂倾向，在较高温度下，具有高的强度、韧度、耐磨性及抗热疲劳性        51～53        用于制作热冲模，热挤压模，高速锻模，精锻齿轮模及镶块等
8407（瑞典）        该钢纯度高、晶粒细密、各向同性好，不论大小尺寸、韧度好。高温强度高、热应力疲劳抗力强，良好的淬透性和热处理尺寸稳定性        32～38        用于制造锌、铝、铅压铸模及交口套