低碳馬氏體在模具中的應(yīng)用

1、低碳馬氏體在模具中的應(yīng)用      通常模具用鋼都采用合金工具鋼、碳素工具鋼和高速工具鋼，其淬火后的組織主要是孿晶的亞結(jié)構(gòu)，有顯微裂紋的高碳針狀、片狀馬氏體。由于含碳量較高，碳化物形成元素較多，鋼中不可避免的會(huì)存在網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀碳化物，往往造成模具在使用中脆性斷裂。由于低碳馬氏體亞結(jié)構(gòu)是位錯(cuò)，具有較高的強(qiáng)度(硬度為45HRC50HRC，屈服強(qiáng)度為1000MPa1300MPa)、良好的塑性(510%，40%)和韌性(AKV59J)以及良好的冷加工性、可焊性和熱處理畸變小等優(yōu)點(diǎn)。因此，如何使模具鋼的淬火組織中得到更多的、甚至全部低碳馬氏體，是提高

2、模具強(qiáng)韌性、延長(zhǎng)模具使用壽命的關(guān)鍵。目前發(fā)展方向是低碳結(jié)構(gòu)鋼的淬火組織希望得到全部板條馬氏體，以保證高的強(qiáng)韌性；對(duì)高碳鋼傾向于降低碳含量或盡量降低淬火溫度來減少孿晶馬氏體數(shù)量，以保證材料的韌性；對(duì)中碳合金鋼則傾向于采用高溫淬火，得到較多或全部低碳馬氏體組織，來提高斷裂韌性。 低碳馬氏體在塑料模具中的應(yīng)用1低碳馬氏體滲碳型塑料模具鋼低碳鋼、低碳合金鋼模具在成形后進(jìn)行滲碳、淬火和低溫回火，使模具表面得到高碳細(xì)針狀回火馬氏體+顆粒狀碳化物+少量殘留奧氏體，心部組織主要為低碳馬氏體。從而保證了模具表面具有高硬度(58HRC62HRC)、高耐磨性，而心部具有較高的強(qiáng)韌性(30HRC45HRC)，用于制造

3、各種要求耐磨性良好、形狀復(fù)雜、承受載荷較高的塑料成形模具。2超低碳冷擠壓成型塑料模具鋼國外廣泛應(yīng)用超低碳鋼冷擠壓成型工藝方法制造塑料模具。由于需要冷擠壓成型，除碳含量較低外，經(jīng)軟化退火后，硬度較低(160HBS，擠壓復(fù)雜型腔時(shí)130HBS)，特別適合于冷塑性變形。這類鋼在冷擠壓成型后進(jìn)行滲碳、淬火、回火。因此具有生產(chǎn)效率高、制造周期短、模具精度高等優(yōu)點(diǎn)。典型的鋼種有美國P系列低碳模具鋼、德國X6CrMo4鋼(0.07%C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和國產(chǎn)LJ-08Cr3NiMoV鋼(0.08%C)。3低碳馬氏體鋼(0.25%C)強(qiáng)韌性型塑料模具鋼低碳馬氏體鋼包括低碳碳素鋼和低碳合金鋼經(jīng)低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火

4、處理后，得到強(qiáng)韌性較高的低碳馬氏體組織，代替中碳鋼調(diào)質(zhì)處理或低碳鋼滲碳、滲氮處理，適用制造各種塑料模具，可顯著縮短模具制造周期，降低制造成本，提高使用壽命，在塑料模具熱處理中廣泛應(yīng)用。4低碳馬氏體時(shí)效硬化型塑料模具鋼(1)低碳馬氏體時(shí)效硬化鋼該鋼具有較高的屈強(qiáng)比，良好的切削加工和焊接性能和熱處理工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。典型鋼種是超低碳18Ni鋼系列(0.03%C)，由于18Ni鋼價(jià)格昂貴，在國內(nèi)很少使用。近年來開發(fā)的06Ni6CrMoVTiAl(簡(jiǎn)稱06鋼，0.06%C)，屬低鎳、低碳馬氏體時(shí)效硬化鋼。該鋼經(jīng)800880加熱，水或油冷卻固溶處理，(500540)×(48)h時(shí)效處理后的組織為

5、低碳馬氏體+析出強(qiáng)化相Ni3Al、Ni3Ti、TiC和Ti，硬度為42HRC45HRC，屈服強(qiáng)度1100MPa1400MPa。06鋼通常用來制作的收錄機(jī)磁帶盒模具，其平均壽命>110萬件，是一種有發(fā)展前途的鋼種。(2)國產(chǎn)低碳馬氏體析出(沉淀)硬化鋼典型鋼種為25CrNi3MoAl和10Ni3MnCuAl(簡(jiǎn)稱PMS)，適用于制作對(duì)變形率要求<0.05%，鏡面要求或表面要求光刻花紋工藝的精密鏡面塑料模具。其中25CrNi3MoAl鋼經(jīng)830固溶處理后，硬度可達(dá)50HRC，540×4h時(shí)效處理后，硬度為39HRC42HRC；PMS鋼經(jīng)870×1h固溶處理，510&

6、#215;4h時(shí)效處理后金相組織為低碳馬氏體基體上彌散分布大量細(xì)小金屬間化合物，其硬度為40HRC43HRC，抗拉強(qiáng)度為1000MPa1300MPa。     5低碳馬氏體耐蝕型塑料模具鋼(1)低碳馬氏體不銹鋼主要鋼種為2Cr13鋼(0.16%0.25%C)和1Cr17Ni2鋼(0.11%0.17%C)，適用于制造在腐蝕介質(zhì)作用下的塑料模具，透明塑料制品模具。(2)低碳馬氏體析出(沉淀)硬化型不銹鋼典型鋼種為國產(chǎn)07Cr16Ni4Cu3Nb鋼(0.07%C，簡(jiǎn)稱CR)，該鋼經(jīng)1050淬火后獲得單一的低碳馬氏體組織，硬度為32HRC35HRC，可以直接進(jìn)行

7、切削加工；經(jīng)460480時(shí)效處理后，硬度為42HRC44HRC，良好的力學(xué)性能和抗蝕性。例如聚三氟氯乙烯閥門蓋模具，原采用45鋼鍍鉻處理模具，使用壽命為10004000件，后改用低碳馬氏體PCR鋼，壽命可達(dá)1000020000件。低碳馬氏體在冷作模具中的應(yīng)用1低碳鋼冷作模具的低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火一些國家已在冷作模具鋼標(biāo)準(zhǔn)中列入了低碳馬氏體鋼(0.25%C)，例如在ISO4957.1999冷作合金工具鋼中有下列鋼種：5CrMo4鋼(0.07%C)、7CrMoNi2鋼(0.10%C)、20Cr13鋼(0.16%0.25%C)；德國工具鋼種：21MnCr5鋼(0.16%0.24%C)、X6CrMo4鋼

8、(0.07%C)、15NiCr18鋼(0.10%0.17%C)。國內(nèi)也有不少應(yīng)用低碳馬氏體鋼強(qiáng)烈淬火工藝制造冷作模具的實(shí)例。(1)20鋼鋸齒鎖緊墊圈沖模該冷沖模用于沖壓65Mn鋼帶(179HBS217HBS)。原采用T10鋼(48HRC50HRC)，使用壽命<1500次；后采用Cr12MoV鋼(48HRC50HRC)，使用壽命3000次；而采用20鋼(46HRC48HRC)，使用壽命高達(dá)34萬次，其處理工藝為：(910±10)加熱，10%NACL鹽水冷卻，不回火直接使用，而且成本低廉。(2)Q235鋼剪板機(jī)刀片螺栓鍛件胎模沖頭曾選用GCr15、9SiCr、T8及45鋼，由于工件

9、有咬模、粘?，F(xiàn)象發(fā)生，鍛坯很難從模具中沖出，致使沖頭產(chǎn)生塑性變形、彎曲和斷裂，壽命較短，每10件沖頭約沖螺栓8001200件；而采用Q235鋼做沖頭材料，經(jīng)950×5min鹽爐加熱，10%NACL鹽水冷卻淬火后不回火直接使用，硬度為36HRC40HRC，每10件沖頭能沖螺栓2000件以上，而且失效形式為塑性變形，消除了沖頭使用中碎裂現(xiàn)象，保證了操作者的人身安全。(3)20CrMnTi鋼壓制鋁套冷擠壓模D16、D20型壓制鋼絲繩鋁套冷擠壓模原采用CrWMn鋼淬火回火后，硬度為45HRC50HRC，盡管硬度要求在冷擠壓模中較低，但是由于CrWMn鋼碳化物不均勻性比較嚴(yán)重，很難避免網(wǎng)狀、帶

10、狀碳化物，因此造成崩刃、開裂而早期失效，使用壽命僅為1000多件，有的僅幾百件甚至幾十件。選用20CrMnTi鋼制作D16、D20鋁套冷擠壓模，經(jīng)950加熱鹽水淬火后，不回火直接使用，模具硬度為46HRC48HRC，壓制鋁套2000多件，仍在繼續(xù)使用。(4)20Cr鋼冷作模具該鋼經(jīng)滲碳淬火表面強(qiáng)化處理后，可使模具表面獲得細(xì)針狀回火馬氏體，硬度為58HRC62HRC；心部獲得低碳馬氏體組織，硬度35HRC40HRC，基體強(qiáng)韌性高，可滿足冷作模具高硬度、高強(qiáng)度、高韌性的使用性能要求。例如，汽車軟管鋅合金接頭八角模沖頭，硬度要求58HRC62HRC。原采用Cr12MoV鋼制造的八角模的壽命很短，往往

11、不到2000件就斷裂；把沖頭材料換成20Cr鋼并經(jīng)滲碳處理后，滲層深1.0mm1.2mm，硬度為60HRC62HRC，使用壽命提高到3萬件。2中碳合金鋼冷作模具的低碳馬氏體高溫淬火對(duì)于中碳合金鋼冷作模具，可以通過提高奧氏體化溫度，使奧氏體晶粒更加均勻細(xì)化，碳含量趨于減少，Ms點(diǎn)升高，從而獲得更多的低碳馬氏體組織，提高模具的強(qiáng)韌性，有利于延長(zhǎng)冷作模具的使用壽命。</P     (1)5CrMnMo鋼冷鐓機(jī)螺母冷鐓模的高溫淬火將5CrMnMo鋼的淬火溫度提高到900950，可得到幾乎是單一的低碳馬氏體組織。例如，用5CrMnMo鋼制作的Z41.24型多

12、工位冷鐓機(jī)螺母冷鐓模，經(jīng)900930加熱，180分級(jí)淬火，200×2次低溫回火處理后，使用壽命比Cr12MoV鋼的提高2.6倍，可完全取代T10A、9CrSi、Cr12MoV鋼制造較大截面的冷鐓模。(2)60Si2MnA鋼冷鐓螺帽4序沖模的高溫淬火60Si2MnA鋼在高溫淬火后，組織中板條馬氏體數(shù)量增多，甚至可以獲得全部板條馬氏體組織，有較高的斷裂韌度、沖擊韌度和優(yōu)良的耐磨性。60Si2MnA鋼制冷鐓螺帽4序沖模，經(jīng)920950淬火后，使用壽命比正常溫度淬火的模具提高了2倍左右。(3)5CrW2Si鋼冷剪切模的高溫淬火5CrW2Si鋼冷剪切模，經(jīng)950淬火和250回火后，得到板條馬氏

13、體加少量均勻細(xì)化的碳化物和分布在板條馬氏體邊界的細(xì)小殘留奧氏體的組織，可顯著提高冷剪切模剪刃的強(qiáng)度和韌性，壽命提高1.55倍。3高碳鋼冷作模具的低碳馬氏體低溫淬火高碳鋼冷作模具淬火溫度愈低，奧氏體固溶碳含量也愈低，Ms溫度愈高，低碳馬氏體數(shù)量愈多。因此模具具有較高的耐磨性和強(qiáng)韌性，變形和開裂的幾率很小。(1)T10A鋼冷鐓模低溫短時(shí)加熱淬火T10A鋼冷鐓模(光沖)，按原工藝(780×20min鹽浴加熱淬火)處理時(shí)獲得孿晶馬氏體組織，存在顯微裂紋，在沖擊載荷作用下，由于韌性差，常產(chǎn)生崩刃?，F(xiàn)采用750×14min鹽浴加熱淬火，200回火處理后，可以得到細(xì)小的片狀馬氏體和50%

14、(體積分?jǐn)?shù))以上的低碳馬氏體，減少了顯微裂紋，在保證高硬度的同時(shí)，具有較高韌性，從而提高使用壽命近一倍。(2)CrWMn鋼制小型模具的低溫淬火一般用CrWMn鋼制造生產(chǎn)手表用的小型凸模，經(jīng)常規(guī)熱處理后模具的使用壽命為100010000次，破損形式多為局部崩刃或整個(gè)頭部斷裂。CrWMn鋼制小型凸模的低碳馬氏體強(qiáng)韌化處理工藝為：700×10min預(yù)熱，.790×(34)min鹽浴爐加熱，在180石臘中等溫15min后，空冷，硬度為59HRC61HRC；200×2h回火后，硬度為58HRC60HRC，模具的刃磨壽命可達(dá)12萬次，總壽命可達(dá)1020萬次。且在使用中不易發(fā)生

15、崩刃及斷裂現(xiàn)象，顯示出有極高的斷裂抗力。(3)7Cr7Mo3V2Si(D)鋼冷擠壓凸模的低溫淬火D鋼冷擠壓凸模，按常規(guī)工藝11001150加熱淬火處理后，使用壽命僅30004000次。改用1050×25min鹽浴加熱油冷和200×2.5h回火后，獲得板條馬氏體+彌散碳化物組織，硬度為60HRC61HRC，使用壽命提高到2萬次。低碳馬氏體在熱作模具中的應(yīng)用熱作模具鋼經(jīng)高溫加熱可使鋼中的合金碳化物大量溶入奧氏體中，提高了基體的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，同時(shí)，相應(yīng)地提高回火溫度，可使組織中板條馬氏體的份額有大幅度增加，斷裂韌度和小能量多沖壽命有所提高。如果加熱溫度選擇適當(dāng)，則沖擊韌度和塑

16、性仍能保持在一定水平上，從而可使熱作模具的使用壽命大幅度提高。因此，目前熱作模具的淬火加熱溫度有向高溫發(fā)展的趨勢(shì)。熱作模具鋼的另外一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是降碳、低碳化。目前有的國家已在熱作模具鋼標(biāo)準(zhǔn)中列入了低碳馬氏體鋼(0.25%C)。例如，美國H25鋼(0.25%C)、德國21CrMo10鋼(0.16%0.23%C)、法國20MoNi34.13鋼(0.18%0.23%C)等。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單，生產(chǎn)批量小和交貨期短的產(chǎn)品零件，可以選用低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，特別是高溫強(qiáng)度好、抗蠕變性能好的20CrMo，20CrMnMo等含Mo的低碳低合金耐熱結(jié)構(gòu)鋼制造熱作模具，直接進(jìn)行低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火。</P &

17、#160;   (1)3Cr2W8V鋼熱作模具的高溫淬火3Cr2W8V鋼熱作模具采用高溫淬火和高溫回火工藝處理后，可獲得更多的板條馬氏體組織，有較高的回火穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度、高溫耐磨性和熱疲勞性，可顯著提高模具壽命。用3Cr2W8V鋼制M12×50的圓柱螺柱(材料為40Cr)熱鍛模，采用1180加熱淬火，640×2h×2次回火后，可以得到90%以上的板條馬氏體，平均使用壽命由30005000件提高到34萬件。(2)5CrNiMo鋼錘鍛模的高溫淬火5CrNiMo鋼制作的480mm×450mm×295mm的錘鍛模，原熱處理工藝為8

18、60×5h油淬和500×10h回火，硬度為42HRC。鍛打齒輪毛坯2500件時(shí)，鍛模便發(fā)生塑性變形，需修模后方可繼續(xù)使用。改用新工藝，900×5h油淬，500×10h回火，硬度為43HRC，鍛打同樣的齒輪毛坯8100件仍可繼續(xù)使用。國內(nèi)其他工廠的試驗(yàn)表明，將淬火溫度由860提高到960，鍛模的使用壽命能夠提高2.5倍。(3)熱作模具高溫雙重淬火處理4Cr5MoSiV1鋼高溫雙重淬火工藝為：1160淬火+720回火+1050淬火+350回火。雙重淬火可減小未溶碳化物尺寸和體積分?jǐn)?shù)，使碳化物顆粒間距增大。當(dāng)?shù)诙囝w粒平均間距增大時(shí)，可使斷裂韌度增大。高溫淬火可顯著減少孿晶馬氏體，增加位錯(cuò)馬氏體，使模具具有高的斷裂韌度。因此，高溫雙重淬火與普通淬火(10201050)相比，斷裂韌度可提高30%40%，有利于提高熱作模具鋼的疲勞裂紋的擴(kuò)展抗力和熱疲勞開裂的抗力，使模具具有最佳的熱疲勞性能，從而提高熱作模具的使用壽命。(4)20Cr鋼熱鍛模的低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火拉索冷鑄錨杯索節(jié)扣體是斜拉橋關(guān)鍵受力固定端件，技術(shù)要求必須是模鍛件。由合同訂貨數(shù)量?jī)H88件，因此采用強(qiáng)韌性高、耐沖擊、有一定熱強(qiáng)性