冷作模具钢热处理参数对性能的影响研究

时间：2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：表3-19所示为不同冷却方法对T10A钢力学性能的影响。试验表明，碳素工具钢产生低温回火脆性的温度范围是200～250℃。下面介绍几种常用的低合金钢淬火、回火工艺参数对性能和变形的影响规律。

冷作模具钢热处理参数对性能的影响研究

1.碳素工具钢热处理工艺参数对性能和变形的影响

（1）淬火加热对碳素工具钢性能和变形的影响常用碳素工具钢的淬火加热温度对力学性能和残留奥氏体量的影响，分别如图3-1和图3-2所示。在较高温度下加热使力学性能（抗弯强度和挠度）降低。同时，较高温度加热使奥氏体量中溶解更多碳，淬火后马氏体正方度提高。如此，造成内应力和显微裂纹剧增，容易产生淬火裂纹和变形。此外，加热温度愈高，碳化物溶解得愈多，则导致耐磨性相应降低。值得指出，有的资料中推荐的允许淬火温度范围较宽，但并不意味在温度允许范围内加热都是最适宜的，应当根据模具的性能要求选择一个较小温度范围（如±5℃或±10℃，视模具的重要性而定），也可采用允许范围的上、中、下限的某一温度进行加热（视模具要求的性能而定）。

图3-1 碳素工具钢淬火温度与力学性能的关系

图3-2 T10A钢硬度、残留奥氏体量与淬火温度的关系

1—试样表面硬度 2—试样中心硬度 3—残留奥氏体量

注：试样D=20mm。

在实际生产中，确定碳素工具钢的淬火温度时，可参照以下原则进行选择。

1）为防止淬火裂纹，对能淬透的碳素工具钢模具应采用淬火温度下限进行加热，以防产生纵向裂纹；对于不能淬透的模具应采用上限温度加热，以防产生弧形裂纹。

2）凸模一般采用较高的淬火温度；凹模采用较低的淬火温度。这样，可以防止因凸模外径尺寸缩小和凹模型孔尺寸胀大而造成废品。

3）对于碳素工具钢制作的小孔型凹模，应采用最低的淬火加热温度（750～760℃）加热，使淬火热应力和组织应力尽量减小，不仅力学性能好，而且变形小。

4）对于冷镦模具，应采用较高的淬火加热温度（860～880℃）进行短时间快速加热，以便增加其硬化层深度。加热时间系数可选为25～30s/mm（箱式炉）或8～12s/mm（盐浴炉）。

5）有效尺寸>60～80mm的碳素工具钢模具，可采用更高温度（950～980℃）的快速加热。加热时间系数可选为20～22s/mm（箱式炉）或3～6s/mm（盐浴炉）。

6）快速加热后，采用水/油双介质淬火冷却，对于一般落料凹模型腔的变形可控制在0.05～0.08mm；采用热碱浴淬火冷却，可控制在0.02～0.05mm内。

（2）淬火冷却对碳素工具钢性能和变形的影响生产实践表明，在分级或等温冷却情况下组织应力较小、残留奥氏体稍多、塑性较好等原因，致使产生显微裂纹的几率很小。因此，分级淬火和等温淬火的力学性能优于普通淬火。不过，分级淬火和等温淬火的淬透性稍浅。表3-19所示为不同冷却方法对T10A钢力学性能的影响。

表3-19 不同冷却方法对T10A钢力学性能的影响

为使碳素工具钢模具淬火后有良好的力学性能和较小的变形，淬火冷却可参照以下原则进行。

1）有效厚度≤20～30mm的模具，可采用热碱浴分级淬火，并与加热温度相结合。实践表明，加热温度和分级温度均低（如780～800℃加热，160℃分级）时，模具尺寸缩小；加热温度和分级温度均高（如840℃加热，200℃分级）时，模具尺寸胀大；加热温度800～820℃，160～180℃分级冷却的变形最小。

2）有效厚度≥25～30mm的模具。当对变形要求不很严格时，可采用水/油双介质淬火冷却。实践表明，要求变形较严格时，为了增加硬化层深度并兼顾较小变形，可采用水/熔融硝盐或水/熔融碱浴复合淬火冷却。

（3）回火对碳素工具钢力学性能的影响规律表3-20所示为T10A钢不同加热温度淬火，经低温回火后抗弯强度的变化情况。由于回火过程中内应力有了一定的消除及组织结构的转变，在硬度不降低的情况下，抗弯强度有了明显提高。从中不难看出，淬火后回火的重要性。

低温回火时，除了考虑回火温度与硬度的关系外，还要顾忌低温回火脆性问题。试验表明，碳素工具钢产生低温回火脆性的温度范围是200～250℃。故要求碳素工具钢模具在200℃以下温度回火。

表3-20 T10A钢淬火后、回火抗弯强度的变化

图3-3～图3-5分别为回火温度对T7A、T10A和T12A钢力学性能的影响。

图3-3 回火温度对T7A钢力学性能的影响

a）硬度 b）抗弯强度与挠度

图3-4 回火温度对T8A钢硬度的影响

注：810℃水淬，回火1h。

图3-5 回火温度对T10A钢硬度的影响

注：780℃水淬，回火1h。

2.低合金工具钢热处理工艺参数对其性能的影响

对承受载荷比较重、尺寸比较大的模具通常使用淬透性较高的低合金钢制作。有时，模具尺寸不是很大，但形状比较复杂，为了防止淬火裂纹和减小变形也采用低合金钢制作。下面介绍几种常用的低合金钢淬火、回火工艺参数对性能和变形的影响规律。

（1）9SiCr钢在9SiCr钢中含有提高淬透性、淬硬性和细化晶粒的合金元素，通过适当的淬火和回火，适合制作形状比较复杂的冲压模具和中、小型螺纹滚压模具等。由于含Si高，其耐回火性好，在250℃回火后硬度仍可达60HRC，其缺点是脱碳敏感性相对较强。

1）淬火工艺参数的影响。9SiCr钢的适宜淬火加热温度为860～870℃，在该温度下淬火后的抗弯强度和塑性可以得到最好的配合，如图3-6所示。淬火加热温度对9SiCr钢硬度和残留奥氏体数量的影响如图3-7所示。由于该钢在过冷奥氏体中温转变区的稳定性好。因此，在正常淬火加热后于180℃硝盐中分级淬火，硬度可达62～63HRC；在180℃，保持30min后硬度仍达60～61HRC。试验表明，模具有效厚度<40～50mm时，在油或200℃以下硝盐中淬火冷却，均能淬透。实践证明，用9SiCr钢制作的滚丝模寿命比Cr12钢的还高。

2）回火工艺参数的影响。9SiCr钢淬火后的回火温度对硬度、抗弯强度的影响如图3-8所示。9SiCr钢产生低温回火脆性的温度范围为220～270℃。

（2）CrWMn、9CrWMn和MnCrWV钢这几个牌号钢特点相近，但MnCrWV钢淬透性比CrWMn和9CrWMn钢好得多，如图3-9所示。此外，CrWMn钢碳化物的均匀性差。因此，应当严格控制锻造工艺，终锻后尽量快速冷却到室温，避免碳化物成网状析出。如果退火前有网状碳化物，应进行一次正火后，再退火。

图3-6 9SiCr钢力学性能与淬火温度的关系

图3-7 9SiCr钢硬度和残留奥氏体数量与淬火温度的关系

图3-8 9SiCr钢回火温度对硬度、抗弯强度的影响

a）硬度 b）抗弯强度与挠度

注：970℃油淬，回火1h。

图3-9 CrWMn钢和MnCrWV钢的淬透性比较

注：图中温度数据为淬火温度。

CrWMn钢的最适宜的淬火温度为820～840℃。油中冷却后硬度为63～65HRC，经170～200℃回火后硬度为60～62HRC。CrWMn钢产生低温回火脆性的温度范围为250～300℃。

淬火加热温度对硬度和残留奥氏体数量的影响，如图3-10所示。

9CrWMn钢的淬透性比CrWMn钢稍低些，但碳化物均匀性较好。其适宜的淬火加热温度为800～830℃，油中冷却后硬度达62～64HRC，170～230℃回火后硬度仍达56～60HRC。

MnCrWV钢的碳化物均匀性比较好。淬火加热温度对硬度和残留奥氏体量的影响如图3-10所示。回火温度对硬度和残留奥氏体数量如图3-11所示。

图3-10 淬火加热温度对CrWMn钢和MnCrWV钢硬度和残留奥氏体数量的影响

（3）9Mn2V钢9Mn2V钢因含Mn而具有较好的淬透性，与CrWMn、9SiCr钢相差不多。有效厚度<40mm的模具淬火加热后在油中冷却可以完全淬透，经170℃回火后，其表面硬度仍然可达60HRC。

钢中因加入合金元素V，使因加入Mn而导致的过热敏感性程度有所减弱。因此，其允许的淬火加热温度较宽（780～840℃）。获得最高强度的淬火温度为800℃，但超过840℃可能产生淬火裂纹，同时残留奥氏体增加，淬火硬度降低。图3-12所示为淬火温度对9Mn2V钢硬度的影响。图3-13和图3-14所示分别为淬火温度和回火温度对9Mn2V钢力学性能的影响。

图3-11 回火温度对MnCrWV钢和CrWMn钢硬度和残留奥氏体数量的影响

图3-12 淬火温度对9Mn2V钢硬度的影响

图3-13 淬火温度对9Mn2V钢力学性能的影响

图3-14 回火温度对9Mn2V钢力学性能的影响

在实际生产过程中，由于9Mn2V钢的耐回火性差，通常采用160～180℃回火。其低温回火脆性温度范围为190～230℃。

（4）Cr钢和GCr15钢这两个牌号钢化学成分和性能相近。由于钢中只有单一合金元素Cr，所以淬透性不是很高。一般有效厚度<30mm的模具，淬火加热后在油中冷却可以淬透。

图3-15～图3-18所示分别为淬火温度与回火温度对GCr15钢硬度和冲击韧度的影响。

图3-15 淬火温度对GCr15钢硬度的影响

图3-16 淬火温度对GCr15钢冲击韧度的影响

图3-17 回火温度对GCr15钢硬度等的影响

图3-18 回火温度对GCr15钢冲击韧度和硬度的影响

从淬火温度对GCr15钢硬度和冲击韧度的影响可以看出，在低于760～820℃加热时，随温度提高，其硬度逐渐升高。但在温度>860℃淬火后硬度却逐渐降低，显然这与淬火后残留奥氏体增多有关。应当指出，在温度840～850℃以上加热淬火，晶粒度有明显长大现象，将使韧性大大降低。

在生产实践中，冷冲压模具采用油淬火冷却时，其加热温度可选择830～850℃；采用熔融硝盐或热碱浴冷却时，加热温度应是840～860℃。

GCr15钢产生低温回火脆性的温度范围为200～230℃。因此，GCr15钢制作的冷作模具要求高硬度时，其回火温度一般为180～200℃。由于回火过程中内应力的消减和组织的转变，使韧性明显提高。

3.中合金工具钢热处理工艺参数对其性能的影响

中合金工具钢主要有Cr6WV、Cr5MoV和Cr4W2MoV等牌号钢。

（1）Cr6WV钢Cr6WV钢的淬透性略差于Cr12MoV和Cr5MoV钢。Cr6WV钢淬火加热温度和回火温度对其硬度、抗弯强度、挠度及冲击韧度的影响如图3-19～图3-22所示。

图3-19 Cr6WV钢硬度与淬火加热温度的关系

1—淬火状态 2—回火状态

注：130℃热油冷却，170℃回火

图3-20 Cr6WV钢力学性能与淬火加热温度的关系

注：淬入130℃热油，170℃回火

图3-21 Cr6WV钢硬度和冲击韧度与回火温度的关系

注：从940℃淬入130℃热油

图3-22 Cr6WV钢不同温度淬火后，硬度与回火温度的关系

注：图中各曲线的温度数值为相应的淬火温度

Cr6WV钢较适宜的淬火加热温度为960～980℃。温度过高会引起晶粒粗大。这种钢的淬火裂纹敏感性较强，一般采用分级淬火或空冷，即不宜直接淬油，而且淬火后应及时回火。

图3-23所示为回火温度对CrW5、4Cr10Si2Mo和4Cr9Si2三种钢力学性能的影响

图3-23 回火温度对三种钢力学性能的影响

a）CrW5 b）4Cr10Si2Mo c）4Cr9Si2

（2）Cr4W2MoV钢生产实践表明，这种钢的热处理工艺简单，有二次硬化现象，耐回火性较高、淬透性和力学性能均很好。用其制作冷冲、冷挤、冷弯模具及搓丝板等均有较好效果。图3-24～图3-26所示为淬火温度和回火温度对Cr4W2MoV钢硬度、晶粒度、残留奥氏体量及力学性能的影响。

Cr4W2MoV钢模具在980℃加热淬火后，应在300℃回火三次；在1020℃加热淬火后，应在550℃回火三次。

图3-24 淬火温度对Cr4W2MoV钢硬度和晶粒度的影响(www.xing528.com)

图3-25 Cr4W2MoV钢残留奥氏体量与回火温度的关系

a）经960℃加热淬火 b）经1020℃加热淬火

图3-26 Cr4W2MoV钢力学性能与回火温度的关系

a）经960℃加热淬火 b）经1020℃加热淬火

4.高合金工具钢热处理工艺参数对其性能的影响

高合金工具钢主要包括Cr12钢和Cr12MoV钢两个牌号。

Cr12MoV钢的淬火加热温度与硬度、残留奥氏体量、力学性能以及耐磨性的关系，如图3-27～图3-30所示。

图3-27 Cr12MoV钢的淬火温度与硬度的关系

图3-28 Cr12MoV钢的淬火温度与残留奥氏体量的关系

图3-29 Cr12MoV钢的淬火加热温度与力学性能的关系

图3-30 Cr12MoV钢的淬火加热温度与耐磨性的关系

综合上面各图看出，淬火加热温度选择得恰当与否，直接关系到模具的质量和寿命。

（1）一次硬化实际生产表明，对这两个牌号钢，符合以下条件之一的模具均可采用一次硬化处理。

1）硬度要求在62～64HRC的模具。

2）力学性能（强度、韧性、塑性等）要求高的模具。

3）工作载荷重、承受冲击大的模具。

4）形状复杂、有效截面尺寸小和变形要求严的模具等。

（2）二次硬化对于淬火一次硬化处理的模具，Cr12钢采用960～980℃加热；Cr12MoV钢采用980～1020℃加热。

符合以下条件之一的模具均可采用二次硬化处理。

1）要求具有高热硬性和高耐磨性模具。

2）硬度要求62HRC以下的模具。

3）淬火后需要进行渗氮等化学热处理的模具。

4）截面尺寸比较大（直径>100mm），变形较难控制的模具等。

对于淬火二次硬化处理的模具，Cr12钢采用1020～1050℃加热；Cr12MoV钢采用1050～1080℃或1120℃加热。

Cr12MoV钢在低于1020℃加热淬火后，在200℃回火三次；1040℃以上加热后，应在500℃回火三次。

图3-31～图3-34分别为Cr12钢和Cr12MoV钢回火温度对硬度、残留奥氏体量和力学性能等的影响。

5.高速钢热处理工艺参数对其性能的影响

高速钢的性能与热处理的关系，在第2章中已就高温加热淬火对性能的影响作过详细分析。用高速钢制作模具，为了适应使用性能需要，通常采用相对较低的温度进行淬火加热。

图3-31 Cr12钢硬度与回火温度的关系

注：经980℃淬火。

图3-32 Cr12MoV钢硬度与回火温度的关系

注：980℃和1040℃淬火后2次回火；

1100℃淬火后3次回火。

图3-33 Cr12MoV钢力学性能与回火温度的关系

注：1040℃淬火。

图3-34 Cr12MoV钢回火温度对残留奥氏体量的影响

注：1040℃，油淬，每次回火1h。

（1）通用高速钢淬火加热温度对性能的影响表3-21为通用高速钢力学性能与淬火和回火工艺的关系。

表3-21 通用高速钢力学性能与淬火和回火工艺的关系

（续）

①贝氏体处理为1190℃加热，280℃保持2h。

为了获得较好的综合力学性能，从表3-21中可以看出高速钢制作的冷挤压模具，其淬火加热温度，W16Cr4V钢可选1240～1250℃；W6Mo5Cr4V2钢可选1180～1200℃，然后560℃回火四次。对于要求韧性很高的模具，进一步降低淬火温度可以提高其寿命。但需要指出，过分强调低温淬火法在冷挤压模具中的作用是不恰当的。实践证明，低温淬火法有一定的局限性，首先是低温淬火后高速钢的抗压屈服点低，不能用于挤压强度接近2500MPa的高载荷凸模。其次是降低淬火温度会降低模具的耐磨性，甚至容易因粘模而导致脱模困难，造成凸模折断。因此，低温淬火法并不是对大多数冷挤压模具都适用。

特别需要指出，用高速钢制作模具要更关注原材料碳化物的不均匀性。表3-22所示为不同级别碳化物的力学性能。

表3-22 不同碳化物级别的高速钢力学性能

（2）低碳高速钢热处理工艺参数对性能的影响淬火温度和回火温度对6W6Mo5Cr4V力学性能的影响，如图3-35所示。

图3-35 淬火温度和回火温度对6W6Mo5Cr4V钢力学性能的影响

a）淬火温度的影响（经660℃回火三次） b）回火温度的影响（经1200℃加热，油中淬火）

根据淬火、回火温度对6W6Mo5Cr4V钢力学性能的影响，结合模具的具体使用条件，其适宜的淬火温度为1180～1200℃，回火温度为560～580℃。不同用途的模具应适当调整淬火和回火工艺参数，以便达到最佳性能，表3-23和表3-24所示分别为三种高速钢不同温度回火后硬度和冲击韧度的比较。

表3-23 三种高速钢不同温度回火后硬度的比较

表3-24 三种高速钢不同温度回火后冲击韧度的比较

注：无缺口冲击值。

6.冷作模具用基体钢热处理工艺参数对其性能的影响

所谓基体钢，是指在高速钢的淬火组织中，含有除去残留碳化物的基体化学成分的钢。基体钢既有高速钢的高强度、高硬度，又不致因大量碳化物存在导致的韧性降低。国内外对基体钢均进行了大量研究和应用。我国自主研究成功并在生产中得到应用的三个牌号基体钢为65Cr4W3Mo2VNb、6Cr4Mo3Ni2WV和7W7Cr4MoV。

（1）65Cr4W3Mo2VNb钢65Cr4W3Mo2VNb钢淬火温度与硬度及晶粒度的关系如表3-25所示。不同淬火温度和回火温度对残留奥氏体量的影响如表3-26和表3-27所示。从以上各表中可以看出，该钢的允许淬火温度较宽，即可根据模具使用性能需要，在较大温度范围调整淬火加热温度和回火温度。该钢制作的冷挤压模在1140～1160℃加热淬火，获得大大优于普通高速钢模具的寿命。该钢制作的一般冲压模在1080～1100℃加热淬火可得到较好韧性和耐磨性的配合。

表3-25 65Cr4W3Mo2VNb钢淬火温度与硬度及晶粒度的关系