模具热处理技术的应用和优化方案

模具的淬火变形与开裂、使用过程中的早期开裂，虽然与材料的冶金质量、锻造质量、模具结构及加工有关，但与模具的热处理加工关系更大。根据模具失效原因的分析统计，热处理引起的失效占5%以上。因此，在模具材料选定之后，还必须配以正确的热处理，才能保证模具的使用性能和寿命。

本节重点叙述各类冷作模具的热处理特点以及传统工艺的优化问题，以供在制订和实施热处理工艺时参考。

1）冷作模具的制造工艺路线

模具的成形加工和热处理工序安排对模具的质量也有很大影响，在制订与实施热处理工艺时，必须予以考虑。

通常冷作模具的制造工艺路线有以下3种：

①一般冷作模具：锻造→球化退火→机械加工成形→淬火与回火→钳修装配。

②成形磨削及电加工冷作模具：锻造→球化退火→机械粗加工→淬火与回火→机械加工或电加工成形→钳修装配。

③高精度冷作模具：锻造→球化退火→机械粗加工→去应力退火或调质→加工成形→淬火与回火→钳工装配。

在热处理工序安排上要注意以下几点：对位置公差和尺寸公差要求严格的模具，为减少热处理变形，常在机械加工之后安排高温回火或调质处理；对线切割加工模具，由于线切割加工破坏了淬硬层，增加了淬硬层脆性和变形开裂的危险性，因此，线切割加工之前的淬、回火，常采用分级淬火或多次回火和高温回火，以使淬火应力处于最低状态，避免模具线切割后应及时进行再回火，回火温度不高于淬火后的回火温度。

2）冷作模具的淬火

淬火是冷作模具的最终热处理中最重要的操作，它对模具的使用性能影响极大。主要的工艺问题如下：

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，其淬火保温时间是指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，参见表5-30，为常用钢的加热系数；D——工件有效厚度，mm。

表5-30　常用钢的加热系数α　单位：min／mm

实际热处理时，必须根据具体情况具体分析。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，更要综合考虑各种影响因素，并通过实验来确定其淬火保温时间。

③合理选择淬火介质

高合金冷作模具钢因淬透性好，可用较缓的淬火介质淬火，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。通常防氧化、脱碳的方法如下：

a.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。

b.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：耐火黏土10%～30%（质量分数）；玻璃粉70%～90%（质量分数），再在每千克涂料的混合料中加水50～100 g，拌匀后使用。使用时，涂层厚0.1～1 mm即可。涂料有商品可购，应用时应注意它们的适用温度和钢种。

c.包装保护法。国内有两种方法：一种是将模具放入厚度约为0.1 mm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、玻璃料和橡胶黏结剂，可以折叠，使用时只要将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黏稠状的保护膜，淬火时自动脱落，工件淬火后表面呈银白色，保护效果良好。d.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。

3）冷作模具的强韧处理

冷作模具钢的强韧处理工艺主要包括低淬低回、高淬高回、微细化处理、等温淬火和分级淬火处理。

（1）冷作模具钢的低温淬火工艺

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5-31是几种常用冷作模具钢的低淬低回强韧化处理规范，以供选择参考。

表5-31　几种常用冷作模具钢的低淬低回强韧化处理工艺规范

（2）冷作模具钢的高温淬火工艺

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T7A—T10A钢制ϕ25～50 mm的模具，淬火温度可提高到830～860℃；GCr15（Cr2）钢的淬火温度可由原来的860℃提高到900～920℃，模具的使用寿命可提高1倍以上。

一些抗冲击冷作模具钢，采用高温淬火，具有较高锻裂韧度、冲击韧度和优良的耐磨性，如60Si2Mn钢采用920～950℃淬火，铬钨硅系钢采用950～980℃淬火，模具寿命都有大幅度提高。

低淬是指采用比传统淬火温度低的温度进行淬火。采用这种方式可以提高材料的韧性、冲击和疲劳抗力，但是硬度略有下降，这样可以降低材料脆断、脆裂的倾向性。

（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，而且可增加钢的耐磨性。微细化精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。采用4步热处理法，可使钢的组织和性能得到很大的改善，模具的使用寿命可提高1.5～3倍。具体工艺过程为：第1步，采用高温奥氏体化，然后淬火或等温淬火；第2步，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3步，低温淬火，由于淬火温度低，已细化的碳化物不会融入奥氏体而得以保存；第4步，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。

典型的4步热处理工艺规范如下：

A.9Mn2V钢：820℃油冷＋650℃回火＋750℃油冷＋200℃回火。

B.GCr15钢：1 050℃奥氏体化后180℃分级淬火＋400℃回火＋830℃加热保温后油冷＋200℃回火。(www.xing528.com)

C.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

将冷作模具钢以较快速度加热到Ac1或（Acm）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。因此，经处理后的模具钢可获得12～14级超细化晶粒，模具使用寿命可提高1～4倍。

典型的循环超细化处理工艺规范如下：

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

Cr12MoV钢：1 150℃加热油淬＋650℃回火＋1 000℃加热油淬＋650℃回火＋1 030℃加热油淬170℃等温30min空冷＋170℃回火。

（4）冷作模具钢的分级淬火和等温淬火

分级淬火和等温淬火不仅可以减少模具的变形和开裂，而且是提高冷作模具强韧性的重要方法。常用冷作模具钢的分级淬火和等温淬火工艺见表5-32。

表5-32　冷作模具钢的分级淬火和等温淬火工艺规范

续表

（5）其他强韧化处理方法

除上述方法以外，还有形变热处理、喷液淬火、快速加热淬火、消除链状碳化物组织的预处理工艺、片状珠光体组织预处理工艺等都可以明显提高冷作模具钢的强韧性。

4）主要冷作模具的热处理特点

（1）冲裁模热处理特点

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对于薄板冲裁模，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。通常根据模材类型采用不同的减少变形的热处理方法。

②对于重载冷冲模，其主要失效形式是崩刃、折断，因此，重载冷冲模的特点是保证模具获得较高强韧性。在此前提下，再进一步提高模具的耐磨性。通常采用的强韧化处理方法有细化奥氏体晶粒处理、细化碳化物处理、贝氏体等温淬火处理、循环超细化处理、低温低淬等方法。

③对于冷剪刀，国内主要采用5CrW2Si，9SiCr，Cr12MoV钢制造，由于工作条件差异大，其工作硬度范围也大，通常为42～61 HRC。为减少淬火内应力，提高刀刃抗冲击能力，一般采用热浴淬火。大型剪刀采用热浴有困难可以用间断淬火工艺，即加热保温后先油冷至200～250℃后转为空冷至80～140℃，立即进行预回火（150～200℃），最后再进行回火。

对于成形剪刀，重载工作时硬度可取48～53 HRC，中等载荷时可取54～58 HRC。淬火工艺可采用贝氏体等温、马氏体等温或分级淬火。

（2）冷镦模处理特点

①对于碳素工具钢制冷镦凹模，常采用喷水淬火法。喷水淬火法与整体淬火相比，韧性高，硬度均匀，硬化层沿凹模型腔轮廓均匀分布，这样可以避免过早开裂。另外，根据有关资料，碳素工具钢冷镦模采用片状珠光体组织预处理，模具寿命可显著提高。例如，T10A钢制螺栓冷镦二序冲模，在球化退火和机械加工后再进行一次完全退火处理，其工艺为840℃保温3 h，炉冷至500℃出炉空冷。退火组织为片状珠光体。模具最终热处理采用600℃充分预热，淬火加热温度为840℃，在盐炉中加热时间为30 s／mm，水淬油冷，水温控制在20～40℃，于200℃回火2 h，硬度为60～62 HRC。与常规工艺相比，抗压强度提高1.5倍，抗压屈服强度提高2.1倍，锻裂韧度提高31%，而一次冲击韧度值有所下降。模具平均使用寿命提高4倍。

②冷镦模必须充分回火，回火保温时间应在2 h以上，并进行多次回火，使其内应力全部释放。整体淬火的合金钢冷镦模更需如此。

③采用中温淬火、中温回火工艺。对于Cr12MoV钢制冷镦凹模，采用1 030℃加热淬火和400℃中温回火，可获得最佳的强韧性配合，冷镦模的断裂抗力明显提高。

④采用快速加热工艺。快速加热可以获得细小的奥氏体晶粒，不仅能减小淬火变形，而且可以提高模具的韧性。

⑤采用表面处理。为了提高冷镦模的耐磨性和抗咬合性，冷镦模通常进行渗硼。通过渗硼，模具表面形成硬度高达1 100 HV以上的硼化层，模具基体也得到强化，模具寿命大幅提高。

典型冷镦模的热处理规范见表5-33。

表5-33　典型冷镦模的热处理规范

（3）冷挤压模热处理特点

根据冷挤压模的工作条件和失效分析可知，冷挤压模应具有高的硬度、耐磨性、抗压强度、强韧性。一定的耐热疲劳性和足够的回火抗力。为了满足这一性能要求，在材料选定的情况下，必须注意以下热处理特点：

①对于易锻裂或胀裂、回火抗力和耐磨性要求不高的冷挤压模具，一般常采用常规工艺下限温度淬火，以便获得尺寸细小的马氏体，再经回火就可以得到高的强韧性。

②高碳高合金钢制冷挤压模具，淬火后残留奥氏体量较多，一般要采用较长时间的回火或多次回火，以便控制和稳定残留奥氏体量，消除应力，提高韧性，稳定尺寸。

③对于以脆性破坏（折断、劈裂或脱帽）为主、韧性不足的冷挤压模具常采用等温淬火工艺，其等温温度常在Ms＋（20～50）℃范围内，经等温淬火后再采用二次回火以减少内应力和脆性，以促使残留奥氏体转变为回火马氏体。

④应用表面强化处理。为获得高的表面硬度和表面残留压应力，冷挤压模常采用表面渗氮、氮碳共渗、镀硬铬和渗硼等工艺，如Cr12MoV冷挤压凹模经990℃盐浴渗硼后，使用寿命可提高数倍。

⑤在使用过程中进行低温去应力回火。冷挤压模在使用一段时间后常将模具的成形部位再进行回火，其主要目的是消除使用过程中产生的应力，消除由于挤压载荷交变作用引起的内应力集中和疲劳。表5-34是典型冷挤压模的热处理规范。

表5-34　冷挤压模的热处理规范

（4）拉深模热处理特点

拉深模应具有高的硬度、良好的耐磨性和抗黏附性能。为了保证性能要求，在制订和实施热处理工艺时主要注意以下两点：

①要避免模具表面产生氧化脱碳。氧化脱碳会造成模具淬火后硬度不足或出现软点。当表面硬度低于500 HV时，模具表面会出现拉毛现象。同时还要防止磨削引起二次回火使表面硬度降低。

②为了提高拉深模表面的抗磨损和抗黏附性能，常对模具进行表面处理，如渗氮、渗硼、镀硬铬、渗钒等。例如，Cr12钢制螺母拉深模，经980℃淬火、200℃回火后，使用寿命为1 000～2 000件，后经渗钒及淬回火后，寿命提到1万件。这主要是因为渗钒以后，表面硬度可达2 800～3 200 HV，具有很好的耐磨性、抗黏着性和耐蚀性，而且渗层仍保持良好的韧性。

拉深模的典型热处理规范见表5-35。

表5-35　拉深模的典型热处理规范