模具鋼的處理

模具鋼的處理模具鋼材的熱處理方式與加工工序安排密切相關(guān)。在模具制造時，應當根據(jù)材料和加工工藝路線來選擇熱處理方法，制定相應得熱處理工藝。（1）一般冷作模具鋼工作零件的熱處理工序安排：籌造——退火——機械加工成型——淬火與回火—工修整。（2）冷作模具鋼采用成型磨削及電加工工藝：鍛造——退火——機械粗加工——淬火或回火——精加工（磨削、電加工）。（3）冷作模具鋼復雜沖模的加工：鍛造——退火——機械粗加工——高溫回火或調(diào)質(zhì)——機械加工成型——淬火與回火——磨削與電工加工成型。大多數(shù)冷作模具鋼使用狀態(tài)為淬火與回火，模具硬度通常為60hrc,為了進一步提高模具表面硬度、耐磨性和使用壽命，常進行表面強化處理，如滲碳、滲氮、滲硼氮碳共滲、td法滲釩鈮、化學氣相村積（cvd）等作為最終熱處理。模具熱處理模具制造的成本高，特別是一些精密復雜的冷沖模、塑料模、壓鑄模等。采用熱處理技術(shù)提高模具的使用性能，可以大幅度提高模具壽命，有顯著的經(jīng)濟效益，我國模具技術(shù)工作者十分重視模具熱處理技術(shù)的發(fā)展。真空熱處理模具鋼經(jīng)真空熱處理后有良好的表面狀態(tài)，變形小。與大氣下的淬火比較，真空油淬后模具表面硬化比較均勻，而且略高一些，主要原因是真空加熱時，模具鋼表面呈活性狀態(tài)，不脫碳，不產(chǎn)生阻礙冷卻的氧化膜。在真空下加熱，鋼的表面有脫氣效果，因而具有較高的力學性能，爐內(nèi)真空度越高，抗彎強度越高。真空淬火后，鋼的斷裂韌性有所提高，模具壽命比常規(guī)工藝普遍提高40%~400%，甚至更高。冷作模具真空淬火技術(shù)已得到較廣泛的使用。深冷處理近年來的研究工作表明，模具鋼經(jīng)深冷處理（-196°C）,可以提高其力學性能，一些模具經(jīng)深冷處理后顯著提高了使用壽命。模具鋼的深冷可以在淬火和回火工序之間進行，也可在淬火回火之后進行深冷處理。如果在淬火、回火后鋼中仍保留有殘余奧氏體，則在深冷處理后仍需要再進行一次回火。深冷處理能提高鋼的耐磨性和抗回火穩(wěn)定性。深冷處理不僅用于冷作模具，也可用于熱作模具和硬質(zhì)合金。深冷處理技術(shù)已越來越受到模具熱處理工作者的關(guān)注，已開發(fā)出專用深冷處理設備。不同鋼種在深冷過程中的組織變化及其微觀機制及其對力學性能的影響，尚需進一步研究。模具的高溫淬火和降溫淬火一些熱作模具鋼，如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等，采用高于常規(guī)淬火溫度加熱淬火，可以減少鋼中碳化物的數(shù)量、改善其形態(tài)和分布，使固溶于奧氏體中碳的分布均勻化，淬火后可在鋼中獲得更多的板條馬氏體，提高其斷裂韌性和冷熱疲勞抗力，從而延長模具使用壽命。例如3Cr2W8V鋼制的一種熱擠壓模具，常規(guī)淬火溫度為1080~1120C，回火溫度為560~580C。當淬火溫度提高至1200C，回火溫度為680C（2次），模具壽命提高了數(shù)倍。W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速鋼和Cr12MoV等高合金冷作模具鋼，可適當降低其淬火溫度，以改善其塑韌性，減少脆性開裂傾向，從而提高模具壽命。例如W6Mo5Cr4V2的淬火溫度可選用1140~1160C?；瘜W熱處理化學熱處理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗咬合、抗氧化性等性能。幾乎所有的化學熱處理工藝均可用于模具鋼的表面處理。研究工作表明，高碳及低合金工具鋼和中高碳高合金鋼均可進行滲碳或碳氮共滲。高碳低合金鋼滲碳或碳氮共滲時，應盡可能選取較低的加熱溫度和較短的保溫時間，此時可保證表層有較多的未溶碳化物核心，滲碳和碳氮共滲后，表層碳化物呈顆粒狀，碳化物總體積也有明顯增加，可以增加鋼的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb鋼制模具進行滲碳以及65Nb鋼制模具真空滲碳后，模具的壽命均有顯著提高。采用500~650°C高溫回火的合金鋼模具，均可在低于回火溫度的范圍內(nèi)或在回火的同時進行表面滲氮或氮碳共滲。滲氮工藝目前多采用離子滲氮、高頻滲氮等工藝。離子滲氮可以縮短滲氮時間，并可獲得高質(zhì)量的滲層。離子滲氮可以提高壓鑄模的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞性和抗粘附性能。氮碳共滲可在氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)中進行，滲層脆性小，共滲時間比滲氮時間大為縮短。壓鑄模、熱擠壓模經(jīng)氮碳共滲后可顯著提高其熱疲勞性能。氮碳共滲對冷鐓模、冷擠壓模、冷沖模、拉伸模等均有很好的應用效果。冷作模具和熱作模具還可以進行硫氮或硫氮碳共滲。近年許多研究工作都表明稀土有明顯的催滲效果，從而發(fā)展了稀土氮共滲、稀土氮碳共滲等新工藝。滲硼和滲金屬滲硼可以是固體滲硼、液體滲硼和膏劑滲硼等，應用最多的是固體滲硼，市場上已有固體滲硼劑供應。固體滲硼后，表層的硬度高達1400'2800HV,耐磨性高，耐腐蝕性和抗氧化性能都較好。滲硼工藝常用于各種冷作模具上，由于耐磨性的提高，模具壽命可提高數(shù)倍或十余倍。采用中碳鋼滲硼有時可取代高合金鋼制作模具。滲硼也可應用于熱作模具，如熱擠壓模等。滲硼層較脆，擴散層比較薄，對滲層的支撐力弱，為此，可采用硼氮共滲或硼碳氮共滲，以加強過渡區(qū)，使其硬度變化平緩。為改善滲硼層脆性，可采用硼釩、硼鋁共滲。滲金屬包括滲鉻、滲釩、滲鈦等工藝均可用于處理冷作和熱作模具，其中TD法(熔鹽滲金屬)已得到一些應用，可使模具壽命提高幾倍乃至十幾倍。氣相沉積氣相沉積按形成的基本原理，分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)。PVD分為真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍。離子鍍是蒸鍍和濺射鍍相結(jié)合的技術(shù)，離子鍍膜具有粘著力強、均鍍能力好、被鍍基體材料和鍍層材料可以廣泛搭配等優(yōu)點，因而獲得較廣泛的應用。近年來多弧離子鍍受到人們的重視。目前在模具上應用較多的是離子鍍TiN，這種膜不僅硬度高而且膜的韌性好、結(jié)合力強、耐高溫。在TiN基礎上發(fā)展起來的多元膜，如(TiAI)N、(TiCr)N等，性能優(yōu)于TiN，是一類更有前途的新型薄膜。CVD是用化學方法使反應氣體在基礎材料表面發(fā)生化學反應形成覆蓋層(TiC、TiN)的方法。CVD有多種方法。通常，CVD的反應溫度在900C以上，覆層硬度達到2000HV以上，但高的溫度容易使工件變形，沉積層界面易發(fā)生反應。發(fā)展趨勢是降低溫度，開發(fā)新的涂層成分。例如，金屬有機化合物CVD(MOCVD)，激光CVD(LCVD)，等離子CVD(PCVD)等。高能束熱處理高能束熱處理的熱源通常是指激光、電子束、離子束等。它們共同的特征是：供給材料表面功率密度至少103W/cm2。它們的共同特點是:加熱速度快,加熱面積可根據(jù)需要選擇，工件變形小，不需要冷卻介質(zhì)，處理環(huán)境清潔，可控性能好，便于實現(xiàn)自動化處理。國內(nèi)外對高能束熱處理的原理、工藝等均投入較多的研究，比較成熟的是激光相變硬化、小尺寸電子束處理和中等功率的離子注入，并在提高模具壽命方面獲得了應用。展望和建議可以認為，我國已建立了較完整的模具用材系列，其中一些模具材料的性能優(yōu)異，達到國際先進水平。我國模具熱處理的研究開發(fā)亦可與國際同步，一些新的模具熱處理技術(shù)在不同程度上得到推廣和應用。針對存在的問題，對今后我國模具用材料和模具熱處理技術(shù)的發(fā)展，提出如下建議：加速模具鋼生產(chǎn)的制品化、精料化和模具鋼經(jīng)銷的商品化。我國每年模具用鋼超過20萬噸，且逐年增長。近年，國外模具鋼的進口量，約占模具鋼需要量的1/3，呈逐漸增加趨勢。主要問題是我國模具鋼的品種規(guī)格較少，模具鋼生產(chǎn)的制品化、精料化和經(jīng)銷的商品化程度低。在一些工業(yè)發(fā)達國家，冶金企業(yè)供應經(jīng)機加工的模具鋼制品已達50~60%，而中國80%以上的模具鋼仍以黑皮圓棒供貨。越來越多的模具制造廠點要求在模具設計完成后，模具鋼供應廠商能迅速提供所需鋼材，減少庫存鋼材數(shù)量，縮短制模周期。中國鋼材生產(chǎn)企業(yè)尚不適應這一商品市場機制，這是進口模具鋼材在中國日益擴大的重要原因。大力推廣應用性能優(yōu)良的新型模具鋼不斷完善模具鋼鋼種系列我國已開發(fā)出不少有一定特色的新型模具鋼，其中一些鋼的性能優(yōu)異，達到或超過國外同類鋼的水平。但這些新鋼的推廣數(shù)量和應用范圍不夠大，主要原因是由于中國模具鋼的生產(chǎn)尚未走制品化、精料化的道路而經(jīng)銷方式不適應商品市場的要求，解決了這些問題，這些性能良好的新型模具鋼有廣闊的推廣前景，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。中國已經(jīng)有了較完整的模具鋼系列，尚需不斷提高其質(zhì)量，擴大應用，在應用中進一步存優(yōu)去劣。同時，有選擇地開發(fā)先進模具鋼，完善中國的模具鋼系列，例如開發(fā)粉末冶金模具鋼，多元易切削系塑料模具鋼，建立玻璃、陶瓷，耐火磚和地磚等成形模具用鋼系列等。進一步提高模具鋼的質(zhì)量我國某些特殊鋼廠已采用新的冶金設備和工藝生產(chǎn)模具鋼，如爐外精煉、真空冶煉、快鍛機和精鍛機等，一些模具鋼的質(zhì)量有大幅度提高，如D2、P20等鋼已批量出口，出口產(chǎn)品的質(zhì)量可以達到國際先進水平。工業(yè)發(fā)達國家一直在努力提高模具鋼的純凈度、致密度、均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。國外有的企業(yè)規(guī)定在高純度模具鋼中[O]?10ppm,[H]?2ppm,S?50ppm,因為鋼的純凈度的進一步提高可以顯著提高鋼的韌性和疲勞性能。對大型模具還必須采用真