冷冲裁模的热处理优化方法

冷冲裁模的工作条件、失效形式、性能要求不同，其热处理特点也不同。

1.薄板冷冲裁模的热处理

薄板冷冲裁模应具有高的精度和耐磨性，因此在工艺上应保证模具热处理变形小、不开裂和高硬度。通常会根据模具材料的类型采用不同的减少变形的热处理方法。

（1）碳素工具钢薄板冷冲裁模的热处理

1）双介质淬火工艺。碳素工具钢淬透性比较低，为获得所需要的硬度及淬硬层，淬火冷却速度要快，常采用双介质淬火工艺，即盐水-油或碱水-油双介质淬火。双介质淬火冷却能力强，淬硬层深，但易于淬裂，且难以控制变形。为此，常采取以下一些措施，以减小变形和开裂：①对易淬裂的边、孔部位或易变形的部位，可采用螺栓堵孔、包扎铁皮等防护措施；②对小型冷冲裁模可采用低温淬火减少变形，并进行低温长时间回火等；③采用升高炉温，快速加热，严格控制加热时间，避免整体透烧，只需刃口、棱角部位硬化；④易变形的凸模采用局部淬火，整体回火；⑤应用预冷淬火，可避免边孔开裂，减轻胀缩变形。

2）碱浴淬火。可减少变形量，消除开裂，但小孔及窄槽内壁难以硬化，大、中型模具淬硬层过薄。

3）等温淬火工艺。可使钢在保持高硬度的同时具有更好的强韧性配合，有效地减少热处理变形。

4）超细化处理。T10A钢制冷冲裁模可采用如图1-2-22所示的常规热处理工艺，模具在使用中会经常脆性断裂；采用如图1-2-23所示的碳化物超细化处理工艺，获得小而圆的细粒状超细碳化物，可提高小能量多次冲击疲劳断裂强度、抗弯强度、抗压强度和耐磨性，并具有较高的韧性和塑性，延长模具使用寿命。

（2）低合金钢（低变形钢）薄板冷冲裁模的热处理 与碳素工具钢比较，低合金冷作模具钢具有淬裂及变形敏感性低，淬硬层深，窄槽、小孔可充分硬化，耐磨性较好等特点。此类钢的问题是易于形成网状碳化物，淬火后型腔易胀大，型腔内尖角处易淬裂，热处理措施如下：

图1-2-22 T10A钢制冷冲裁模的常规热处理工艺曲线

图1-2-23 T10A钢制冷冲裁模的碳化物超细化处理工艺曲线

1）增加工艺孔及局部包扎铁皮，以促使各部位在冷却过程中均匀，避免淬火开裂，减少淬火变形。

2）采取低温淬火和恒温延迟冷却淬火，可防止淬裂，减少变形，提高韧度。例如对于小型凸模，CrWMn钢以790～810℃淬火，9Mn2V钢以750～770℃淬火，可兼顾微变形和强韧化的效果。

3）对于形状较匀称、孔距精度要求较高的冷冲裁模，运用快速加热分级淬火工艺，效果较好。

4）优选的淬火冷却方式。油冷适用于形状简单的冷冲裁模，可促使凹模型腔收缩，但淬裂及翘曲倾向较强，对韧性不利；热油冷可减少变形及翘曲；硝盐淬火可减轻翘曲，注意硝盐配比及含水量的控制；碱浴淬火可提高大、中截面模具的淬火硬度，克服型腔膨胀的趋势；也可用油冷-热浴复合淬火等。

5）回火。在220～320℃回火，有明显的体积膨胀与型孔胀大现象。对于回火时不允许发生型腔胀大的模具，应避开在此温度区间回火。如果CrWMn钢在290～340℃内回火，9Mn2V钢在220～300℃内回火，韧性将明显降低，因此，通常回火温度为120～220℃，并应进行两次回火，以最大限度地消除残余应力。

（3）高铬钢薄板冷冲裁模的热处理 这类钢的特点是具有高的淬透性，硬化过程体积变化小，在热处理前原始组织状态和流线方向对热处理变形影响很大。其热处理要点如下：

1）淬火加热温度。对淬火加热温度的选择取决于模具的使用要求，当要求模具变形小和具有一定韧性时，则采用较低温度淬火。此时，Cr12钢的最佳淬火温度为970～990℃，Cr12MoV钢的最佳淬火温度为1020～1050℃。为改善钢的热硬性和淬透性，提高模具使用温度，采用高温淬火工艺为宜，Cr12MoV钢的高温淬火温度为1100～1150℃。选用淬火温度的高低尚需相应的回火温度与之配合，图1-2-24为Cr12MoV钢模具在盐浴炉中处理的两种淬火、回火工艺。

图1-2-24 Cr12MoV钢在盐浴炉中处理的两种淬火、回火工艺

a）低温淬火低温回火 b）高温高火高温回火

2）保温时间。保温时间也影响模具的淬火变形，保温时间短，模具尺寸趋于胀大；反之，淬火后模具尺寸趋于缩小。当模具几何形状简单，厚薄相差不大时，在盐浴炉中每毫米保温时间按6～10s计算。对形状复杂、厚薄相差大的模具，则需经实践及经验控制。

3）冷却方式。油冷是最常用的方式，但淬裂倾向大，易翘曲，采用热油淬火，效果较好。通常油温为50～80℃，模具本身的温度冷却到150～200℃时从油中取出空冷；风冷、空冷或箱冷是冷却作用较缓和的方式，但需注意保证各部位均匀降温；硝盐分级或等温淬火是Cr12型冷作模具钢基本的淬火冷却方式，可以调节模具型腔胀缩趋势，避免在空冷中脱碳。分级淬火介质的温度为300～400℃时模具变形最小。分级或等温淬火也可在电炉中进行，同时可获得良好的微变形效果。

4）回火。回火一般在160～200℃进行，主要是为消除淬火应力，通过回火温度的调整也可调节模具尺寸的变化。

5）深冷处理。Cr12型冷作模具钢马氏体转变终止点低（Mf为-80～-70℃），通常模具淬火冷至室温，仍有许多残留奥氏体未转变成马氏体，为提高模具的耐磨性，可采用深冷处理工艺。深冷处理温度为-60～-40℃，对要求耐磨性更高的模具采用-80～-60℃。淬火后模具应尽快进行深冷处理，处理后应立即回火，以消除内应力，防止模具变形和开裂。回火温度的选择视模具硬度而定，为避开回火脆性区（290～330℃），回火温度对形状简单的模具为280℃，对形状复杂的模具为400～500℃。深冷处理可显著延长冷冲裁模的寿命，如Cr12钢复式冷冲裁模普通热处理后硬度为56～59HRC，刃磨一次使用寿命为7020次；采用-70℃深冷处理2h，硬度为62～64HRC，刃磨一次使用寿命达28350次，寿命延长4倍。

2.厚板冷冲裁模的热处理

厚板冷冲裁模的主要失效形式是崩刃和折断。为使模具寿命延长，关键是提高模具的强韧性，即保证模具具有高的断裂抗力。为提高厚板冷冲裁模的强韧性，采用细化奥氏体晶粒处理、细化碳化物处理、等温淬火工艺、低温淬火低温回火等方法。

（1）低温淬火工艺 所谓低温淬火是指低于该钢的传统淬火温度进行的淬火操作。实践证明，适当地降低淬火温度，降低硬度，提高韧性，无论是碳素工具钢、合金工具钢还是高速钢，都可以不同程度地提高韧性和冲击疲劳抗力，降低冷作模具脆断、脆裂的倾向性。表1-2-95是几种常用冷作模具钢的低淬低回强韧化处理规范，以供选择。（2）高温淬火工艺 对于一些低淬透性的冷作模具钢，为了提高淬硬层厚度，常常采用提高淬火温度的方法。如采用T7A～T10A钢制作的ϕ25～ϕ50mm的模具，淬火温度可提高到830～860℃；GCr15（或Cr2）钢的淬火温度可由原来的860℃提高到900～920℃，模具的使用寿命可延长1倍以上。一些抗冲击冷作模具钢采用高温淬火，具有较高的断裂韧性、冲击韧度和优良的耐磨性，如60Si2Mn钢采用920～950℃淬火工艺，铬钨硅系钢采用950～980℃淬火工艺，模具寿命都有大幅度延长。

表1-2-95 几种常用冷作模具钢的低淬低回强韧化处理规范(www.xing528.com)

（3）冷作模具钢的微细化处理 微细化处理包括钢中基体组织的细化和碳化物的细化两个方面。基体组织的细化可提高钢的强韧性；碳化物的细化不仅有利于增加钢的强韧性，而且增加钢的耐磨性。微细化处理的方法通常有两种。

1）四步热处理法。冷作模具钢的预备热处理一般都采用球化退火，但球化退火组织经淬、回火，其中碳化物的均匀性、圆整度和颗粒大小等因素对钢的强韧性和耐磨性的影响尚不够理想。而采用四步热处理法，可使钢的组织和性能得到很大的改善，模具的使用寿命延长1.5～3倍。

四步热处理法的具体工艺过程为：第一步，采用高温奥氏体化，然后淬火或等温淬火；第二步是高温软化回火，回火温度以不超过Ac₁为界，从而得到回火托氏体或回火索氏体；第三步为低温淬火，由于淬火温度低，已细化的碳化物不会溶入奥氏体而得以保存；第四步为低温回火。

在有些情况下，可取消模具毛坯的球化退火工序，而用上述工艺中第一步加第二步作为模具的预备热处理，并可在第一步结合模具的锻造进行锻造余热淬火，以减少能耗，提高工效。

典型冷作模具钢的四步热处理工艺规范如下：

9Mn2V钢：820℃油冷+650℃回火+750℃油冷+200℃回火。

GCr15钢：1050℃奥氏体化后180℃分级淬火+400℃回火+830℃加热保温后油冷+200℃回火。

CrWMn钢：970℃奥氏体化后油冷+560℃回火+820℃加热保温后280℃等温1h+200℃回火。

2）循环超细化处理法。将冷作模具钢以较快速度加热到Ac₁或Ac_cm以上的温度，经短时停留后立即淬火冷却，如此循环多次。由于每加热一次，晶粒都得到一次细化，同时在快速奥氏体化过程中又保留了相当数量的未溶细小碳化物，循环次数一般控制在2～4次，经处理后的模具钢可获得12～14级超细化晶粒，模具使用寿命可延长1～4倍。

典型的循环超细化处理工艺规范如下：

9SiCr钢：（600℃预热，升温至800℃保温后，油冷至600℃，等温30min）+860℃加热保温+160～180℃分级淬火+180～200℃回火。

Cr12MoV钢：1150℃加热油淬+650℃回火+1000℃加热油淬+650℃回火+（1030℃加热油淬，170℃等温30min，空冷）+170℃回火。

3.冷作模具热处理的主要工艺问题

（1）合理选择淬火加热温度 既要使奥氏体中固溶一定的碳和合金元素，以保证淬透性、淬硬性、强度和热硬性，又要有适当的过剩碳化物，以细化晶粒，提高模具的耐磨性和保证模具具有一定的韧性。

（2）合理选择淬火保温时间 生产中通常采用到温入炉的方式加热，其淬火保温时间是从仪表指示到给定的淬火温度算起，到工件出炉为止所需时间。常用以下经验公式确定：

t=αD

式中 t——淬火保温时间（min或s）；

α——加热系数（min/mm或s/mm），表1-2-96为常用钢的加热系数；

D——工件有效厚度（mm）。

实际热处理时，必须具体情况具体分析。例如，有些模具零件要快速加热，短时保温，有些需充分加热与保温。特别是复杂模具，更是要综合考虑各种影响因素，并通过试验来确定其淬火保温时间。

表1-2-96 常用钢的加热系数α （单位：min/mm）

（3）合理选择淬火介质 高合金冷作模具钢因淬透性好，可用较缓的介质淬火，如气冷、油冷、盐浴分级淬火等；碳素工具钢和低合金工具钢模具，为了保证足够的淬硬层深度，同时减少淬火变形和防止开裂，常采用双介质淬火，如水-油淬火、盐水-油淬火、油-空冷淬火、硝盐-空冷淬火等。还可以采用一些新型的淬火介质，如三硝水溶液（三种硝盐混合的过饱和水溶液）、氯化锌-碱溶液、氯化钙水溶液等，以简化淬火操作，提高淬火质量。

（4）采用合适的淬火加热保护措施 氧化与脱碳严重降低模具的使用性能，淬火加热时必须采取防护措施。

1）装箱保护法。在箱内或沿箱四周填充保护剂，常用的保护剂有木炭、旧的固体渗碳剂、铸铁屑等。

2）涂料保护法。采用刷涂、浸涂和喷涂等方法把保护涂料涂敷在模具表面，形成致密、均匀、完整的涂层。涂料配比一般为耐火粘土10%～30%、玻璃粉70%～90%，再在每公斤涂料的混合料中加水50～100g，拌匀后使用。使用时，涂层厚0.1～1mm即可，但应注意混合料的适用温度和钢种。

3）包装保护法。国内现用两种方法，一是将模具放入厚度约为0.1mm的不锈钢箔内，并加入一小包专门的保护剂，然后将袋口像信封口一样封好即可加热，淬火时将模具零件由袋内取出淬火；另一种是采用防氧化脱碳薄膜，它的成分是硼酸、玻璃料和橡胶粘结剂，可以折叠，使用时只要用像纸一样的薄膜将工件包住，即可加热。这种薄膜在300℃左右就开始熔化，变成一层粘稠状的保护膜，淬火时自动脱落，工件淬火后表面呈银白色，保护效果良好。

4）盐浴加热法。它是模具淬火加热的主要方式之一，具有加热速度快而均匀，不易氧化脱碳的优点。