典型冷作模具的热处理实例

1.碳素工具钢冷作模具热处理实例

（1）碳素工具钢制冷冲裁模的热处理 碳素工具钢冷冲裁模具工作时，刃口部位承受较大的剪切力和摩擦磨损。因此，要求很好的耐磨性和剪切强度。

1）T8A钢冷冲裁模及其技术要求 冷冲裁模结构如图3⁃36a所示，其技术要求为刃口部分硬度59～62HRC，硬化层深度大于5mm；其余部分硬度不低于45HRC。

2）工艺分析 碳素工具钢普通淬火温度，一般为750～800℃。对于小型或冲裁低碳钢和非铁金属薄板的模具，可选择750～770℃淬火加热；对冲剪中碳钢板的，应选择780～800℃加热。生产实践表明，碳素工具钢制的冷冲裁模采用960～980℃盐浴快速加热，可获得很好效果（加热时间系数为0.286s/mm）。加热后在质量分数10%的NaCl或NaOH水溶液/油中双介质淬火冷却（在水溶液中的冷却时间系数为1s/（3～5）mm）。如果在盐水/热油等温复合淬火，不仅硬度和硬化层深度得到满足，而且变形可大大减小。

3）T8A钢冷冲剪模淬火工艺。根据上述分析，采用快速加热1min后，先在盐水中冷却5s，温度达到200℃左右，随即在160～180℃热油保持45min的复合淬火，如图3-36b所示。

图3-36 T8A钢冷冲剪模及其复合淬火工艺

a）冲剪模零件图 b）快速加热复合淬火工艺曲线

4）处理结果。表面硬度为59～60HRC；刃口部分变形<0.01mm。

5）拓展应用。在实际生产中，利用快速加热法对碳素工具钢冲裁模进行处理已大量应用。表3-41所示为T10A钢多种冲裁模在950℃箱式炉中加热，时间系数为20～22s/mm，加热后在盐水/油双介质淬火冷却工艺处理结果的汇总。

表3-41 T10A钢制冷冲裁模快速加热淬火实例汇总表

（续）

（2）碳素工具钢制冷冲裁模的“合模”热处理 对于无间隙的冲裁模具，在无电加工（线切割等）的情况下，钳加工和热处理都存在一定的难度。实践表明，形状复杂的无间隙冲裁模，用“合模”淬火法可取得较好效果。即先将冲裁模的凸模加工、热处理及修研等工序全部完成后，用凸模刃部刻印凹模的型腔。按其轮廓加工凹模型腔各部尺寸，并达到与凸模无间隙配合，然后进行淬火和回火。

1）T10A钢制无间隙凹模及其技术要求。凹模结构及尺寸如图3⁃37a所示。要求热处理后硬度为58～62HRC，型腔变形量≤0.02mm。

2）热处理“合模”淬火工艺及操作要点。“合模”淬火工艺曲线如图3⁃37b所示。具体操作过程如下。

①盐水冷却。将加热到780℃的模具透烧后，淬入到盐水中冷却300～400℃（时间系数为0.2～0.33s/mm）取出立即转油冷。

②在油中冷却时间。按表3⁃42选择。

③凸模和凹模镶合。凹模从油中取出后，此时一般型孔未收缩到最小状态，立即将凸模镶入凹模型孔中固定。然后继续在油中冷却，约在100℃取出空冷。

④回火。连同凸模一起，在180～200℃，保持1.5～2h回火。

图3-37 T10A钢凹模及其“合模”淬火工艺曲线

a）T10A钢凹摸 b）“合模”淬火工艺曲线

表3-42 “合模”淬火在油中的停留时间

3）处理结果：硬度为59～60HRC；变形量如表3-43所示。也就是说，硬度和变形均满足技术要求。

表3-43 T10A钢剪切模“合模”淬火后变形情况（单位：mm）

（3）碳素工具钢制冷拉深模的热处理 冷拉深模工作时，端部表面承受较严重的摩擦磨损，甚至划伤以及整体承受较大压缩应力。因此，要求冷拉深模具有很好的耐磨性和抗压强度。

1）T10A钢制冷拉深模及其技术要求。冷拉深模如图3-38所示，淬火区表面硬度为58～62HRC，从表面至半径1/2处硬度不低于45HRC。其余部分表面硬度不低于48HRC。

2）工艺分析。对于T10A钢的淬透性来说，该冷拉深模尺寸相对较大。因此，普通淬火工艺难于达到表面硬度和硬化层深度要求。为满足技术要求，应采用提高硬化层深度的措施，如提高淬火加热温度、采用快速加热减少模具心部的蓄热量、强化淬火冷却速度等。

3）热处理工艺。实践表明，采用下述工艺可获得满意的效果。

图3-38 T10A钢制冷拉深模

①正火，820～840℃加热透烧后空冷。

②淬火，在960～980℃的箱式炉中加热40min后，于质量分数为10%盐水中冷却5～6s后提出非淬火部分，继续冷却19～20s后立即转入油中冷却。待模具出油时，其表面不冒浓烟，只有热油往下滚为止（如果提出时冒浓烟，可返回油中继续冷却少许时间）。

③回火。180℃，保温2～2.5h后空冷。

4）处理结果。硬度为59～60HRC；直径118.18mm的尺寸变形量为0.01～0.02mm。

（4）碳素工具钢制冷镦锻模的热处理 冷镦锻模工作时，承受强烈冲击、磨损及多种原因造成的弯曲应力的作用。因此，冷镦锻模要求具有足够的冲击韧度、强度及表面耐磨性。

1）T10A钢冷镦锻模及技术要求。图3-39所示为螺栓冷镦锻模模芯，要求硬度58～62HRC。

2）工艺分析。冷镦锻模失效的主要形式为表面划伤、凹陷、棱角崩落、脆性开裂及尺寸磨损等。因此，T10A钢冷镦锻模应具备尽量深的硬化层和表面硬度及适度的冲击韧度。为此，应采用较高的淬火加热温度和冷却速度更快的介质进行淬火。为了提高其韧性，应避开T10A钢产生低温回火脆性的温度范围（200～250℃）回火。试验表明，两段回火法有利于韧性提高。

图3-39 螺栓冷镦锻模模芯

3）热处理工艺如下。

①粗加工后进行840～860℃加热，透烧后空冷的正火。

②精加工后在830～850℃加热，保持2h后采用水/油双介质淬火冷却。

③采用两段回火，即第一次200℃，保持1h；第二次260℃，保持1h。

4）操作过程。在箱式炉中，用新铸铁掩埋模具，预防加热过程氧化脱碳；加热后对模具内孔采取喷水冷却。待模具整体颜色暗灰后立即放入油中冷却，在油中冷却至250～300℃（模具出油时不得冒浓烟，只允有微烟或热油往下滚）出油空冷。

5）处理结果。硬度为58～59HRC。使用寿命比普通淬火、回火的模具提高50%～100%。

（5）T10A钢制自行车大链盒冲模的热处理 大链盒冲模工作时，要求良好的耐磨性、足够的强度、韧性及较好的抗粘着性等。

1）T10A钢制自行车大链盒凸、凹模尺寸规格及技术要求。凹模外形尺寸为800mm×400mm×42mm；凸模外形尺寸为800mm×560mm×42mm。要求热处理后硬度56～58HRC；不得有任何裂纹、脱碳及影响装配的变形。

2）工艺分析。自行车大链盒冲模外形尺寸相对较大，由于机械加工过程去掉的锻造余块较多等。因此，机械加工后的残余应力较大，应考虑淬火前去应力处理。同时，该模具装配需要的工艺孔较多，且有的孔离边缘很近，极易淬火冷却时产生裂纹。因此，应采取适当预防措施，避免边角处产生弧形裂纹。此外，该模具有效厚度较大，应考虑尽量深的硬化层等。

3）热处理工艺过程如下。

①去应力退火。淬火前在600℃炉中保温3h后随炉冷却到室温。

②保护气氛淬火加热。在75kW井式气体渗碳炉中500℃预热1h后，按60滴/min速度向炉内滴入甲醇，进行保护加热。将炉温升到780～800℃，保持45min后出炉局部预冷（模具四角及螺钉孔用棉纱浸水预冷或四角浸水片刻再提出水面，待浸水部分温度回升到暗红色或用压缩空气将四角和螺钉孔至暗红色）。

③淬火冷却。预冷后立即采用水/油双介质淬火。

④回火。200℃温度下，保持2h后空冷。

4）处理结果。硬度为56～57HRC；变形量（最大处）0.05mm；无氧化脱碳和裂纹等缺陷。

（6）碳素工具钢制凹模的等温淬火T10A制凹模外形尺寸为150mm×180mm×25.5mm；要求热处理后硬度58～60HRC，型腔变形量不大于0.05mm。

1）工艺分析。该模具以往采用T8A钢制作，780℃加热透烧后水/油双介质淬火，再经300℃回火2h后空冷。结果不仅变形较大，而且使用寿命较低，仅可冲压5500件左右。在不提高材料费用前提下，选用T10A钢制作（组织中有渗碳体，则较T8A钢抗变形阻力大，可减小变形）。为了避免淬火时产生显微裂纹，提高断裂韧度，应采用强韧化热处理工艺。

2）热处理工艺如下。

①在盐浴炉中780℃加热透烧后，在280℃热碱浴炉中等温保持1.5～2.0h后空冷到室温。

②在水中清洗，去除残碱。

③在180℃硝盐炉中回火，保持3h后空冷。

3）处理结果。硬度为58～59HRC；使用寿命提高很多，冲压件数达19730件。

4）拓展应用。该工艺也适用T7、T8、T11和T12等碳素工具钢制作的各种小型（有效厚度25mm以下）模具。

2.低合金工具钢冷作模具热处理实例

（1）GCr15制凸、凹模的热处理

1）GCr15钢制凸、凹模及其技术要求。图3-40a所示为GCr15钢制冷冲裁模。要求硬度58～62HRC；变形量<0.02mm。

2）工艺分析。虽然GCr15钢淬透性比碳素工具钢稍强，但不如其他低合金工具钢的淬透性。尽管要求淬火后变形甚严，但要求硬度要求不是很高。综合考虑认为适于进行多段分级淬火冷却较为合适。

3）热处理工艺。GCr15钢制凸、凹模淬火和回火工艺如图3-40b所示。即经过550℃预热30min后转入830℃加热5min，然后在160℃热碱浴中停留3min，再转入170℃硝盐浴中冷却10min。由硝盐中取出后立即放入180℃回火炉中保持1.5h出炉空冷。

图3-40 GCr15钢制冷冲裁模及其热处理工艺

a）GCr15钢制冷冲裁模 b）热处理工艺曲线

4）处理结果。硬度为60～61HRC。变形情况如表3-44所示。

表3-44 GCr15钢制凸凹模淬火和回火后变形情况（单位：mm）

（2）GCr15钢制冷轧辊的热处理

1）GCr15钢制冷轧辊及其技术要求。图3-41a所示为GCr15钢制冷轧辊。辊身工作面要求硬度60～65HRC，淬硬层深度≥6mm，不得有软点和裂纹；两端非工作面硬度为40～45HRC。

2）工艺分析。冷轧辊是金属轧机上的重要零件，在轧制过程中承受着轧制力、磨损及严重的热疲劳负荷。因此，对热处理提出较高的技术要求。以往采用水/油双介质淬火与低温回火后，用氧-乙炔焰等方式施以局部加热，使两端非工作面获得低硬度。但由于冷轧辊各处截面差别较大，双介质淬火时，在水中的冷却时间不易控制准确，往往在截面过渡处产生裂纹（在水中停留时间长）或淬不硬（在水中停留时间过短等）。因此，废品和返修品较多。

3）热处理工艺。GCr15钢制冷轧辊淬火和回火工艺如图3-41b所示。即在RJX—75—9电阻炉中经过350℃预热90min后炉温升到860～870℃，保温3.5h，随后立即淬入循环的45～50℃热水中冷却。最后进行160～170℃，保温4h后空冷的回火。

图3-41 GCr15钢制冷轧辊及其热处理工艺

a）GCr15钢制冷轧辊 b）热处理工艺曲线

4）操作要点。轧辊加热后，在辊颈处套上预先定制好的铁皮-石棉布复合套，再淬入45～50℃的循环水中，在热水中冷却7～8min后取出空冷。

5）处理结果。辊身硬度为61～63HRC；非工作面硬度为42～45HRC；变形很小，产品合格率≥98%。

（3）CrWMn钢制凹模的热处理

1）CrWMn钢制凹模及其技术要求。图3-42a所示为CrWMn钢制凹模结构图。要求硬度58～62HRC；变形量<0.05mm。

2）工艺分析。CrWMn钢具有较好的淬透性，通常淬火加热后在油中冷却。但实践表明，用CrWMn钢制作的模具热处理不当，不仅容易在磨削过程产生不同形式的裂纹（龟纹和平行状的细纹），而且在使用过程易于脆断和崩刃。分析认为，产生上述问题的主要原因是淬火过程组织应力过大和产生显微裂纹的结果。因此，为了避免出现类似问题，淬火时应力求减少组织应力，即在马氏体生成过程采取缓慢进行，以至采用边生成马氏体边回火去应力的措施等。

3）热处理工艺。CrWMn钢制凹模热处理工艺如图3-42b所示。即模具经600℃，保持1h的去应力退火后，在550℃盐浴炉中预热30min后转入830℃，加热25min后淬入220℃硝盐中停留5～6min后立即转入60℃热油中停留10min。随后在180～200℃，保温1.5h后出炉空冷。

图3-42 CrWMn钢制凹模及其热处理工艺曲线

a）CrWMn钢制凹模（220mm×220mm×94mm） b）热处理工艺曲线

4）处理结果。硬度为61～62HRC；变形情况为尺寸A±0mm、B+0.02mm、C+0.01mm、D+0.04mm。即硬度和变形均符合技术要求，且磨削过程无裂纹出现。

（4）CrWMn钢制滚丝模的真空热处理

CrWMn钢制滚丝模，按常规淬火和回火工艺处理后，螺纹变形大，有轻微脱碳，且成品率低，每副滚丝模寿命仅20万件左右。采用真空淬火后，不仅螺纹无变形，而且硬度高，韧性好。每副滚丝模寿命达100万件以上，即较常规处理的寿命提高4倍多。

CrWMn钢滚丝模真空热处理工艺，如图3-43所示。

图3-43 CrWMn钢滚丝模真空热处理工艺

（5）9Mn2V钢制凹模的热处理

1）9Mn2V钢制凹模及其技术要求。如图3-44所示9Mn2V钢凹模，要求热处理后硬度48～53HRC，变形允差±0.05mm。

2）工艺试验。该凹模初期使用时，热处理变形一直存在问题。经过多次调整工艺参数进行对比试验，最终工艺的处理结果全面符合技术要求。表3-45为四种不同分级淬火工艺的变形比较。

3）试验结果分析。产生不同变形的原因，首先认为不是加热方面造成的，因为四种工艺的加热温度和保温时间都一样。主要区别在冷却上，无论在油中冷却，还是在170℃分级淬火保持时间长短，处理后均为马氏体+残留奥氏体，仅仅是残留奥氏体多少而已。而在270℃，保持4h的工艺为等温淬火，其组织为应力较小的贝氏体+残留奥氏体。因此，变形小的实际结果与理论分析相一致。

图3-44 9Mn2V钢凹模

表3-45 9Mn2V钢凹模不同分级淬火工艺的变形比较

（6）9Mn2V钢制冷轧辊的热处理 轧制10钢的冷轧辊，其外形尺寸为ϕ180mm×240mm×560mm（至总长度），质量为71kg，用于将6.5mm厚钢板轧制成0.9mm。原用Cr12MoV钢制作，改用9Mn2V钢制作后不仅材料费用降低，其使用效果也令人满意。

1）预备热处理。锻造后在760～780℃箱式电炉中保温3～4h，随炉冷却到500℃出炉。处理后硬度为207～229HBW.

2）最终热处理。在450℃井式炉中预热2h后，转入650℃盐浴炉中预热1.5h，将炉温升至800～810℃保温1h后，在20℃左右的质量分数为10%的氯化钠水溶液中冷却30s，立即转入油中冷却到150℃左右出油空冷；擦净表面油渍后，及时在160℃炉中保持2h后空冷。回火两次后硬度为60～64HRC。

3）操作要点如下。

①整体800～810℃加热透烧后，提出轧辊上端（进行正火），出炉后将轧辊下端在650℃盐浴炉中预冷后进行淬火冷却。

②因轧辊有效直径大于该钢的临界淬火直径，故需水冷淬火。如此，掌握好在水中的停留时间十分重要。

③未冷却到室温前不得在冷水中清洗，否则易产生裂纹。

（7）9SiCr钢制冷冲模的强韧化处理9SiCr钢制冷冲模按常规淬火和回火处理后，金相组织为马氏体+碳化物+残留奥氏体，硬度为60～63HRC。在使用过程中，往往因早期崩刃和断裂或者塌陷、磨损超差等而失效。分析认为，产生上述问题主要原因是钢中碳化物不均和碳化物偏析。为此，采用碳化物超细化处理工艺，收到了明显效果，使模具寿命大大提高。具体操作工艺如下。

1）950℃透烧后，在油中淬火冷却。其组织为马氏体+残留奥氏体。

2）在380～400℃，保持2h回火，残留奥氏体发生转变，并获得极细的颗粒状碳化物。

3）在860℃重新加热透烧后，在油中淬火冷却。

4）在200℃，保持2h后空冷。

经上述处理后，获得以马氏体为基体的均匀分布的颗粒状碳化物组织。金相分析表明，碳化物颗粒为0.1～0.3μm。按该工艺处理的M16螺母断料冲模、螺栓镦扁冲头等模具，寿命由常规处理的15000～20000件，提高到40000～50000件。

（8）9SiCr钢制十字槽冷冲模等温淬火 冲制螺栓用的十字槽冷冲头，一般采用T10A钢制作，热处理后硬度为58～60HRC，使用寿命一般为0.6～0.7万件。其失效形式大部分为十字头折断。实践表明，采用9SiCr钢制作十字槽冷冲模，经等温淬火后，其使用寿命比T10A钢的十字槽冷冲头提高3倍以上。

1）等温淬火工艺如下。

①在980℃保温透烧后在80℃左右的热油中冷却，在550℃回火，加热时使碳化物充分溶入奥氏体中，以便回火时得到细小均匀的碳化物和晶粒度。

②在900℃加热透烧后在270℃硝盐浴中等温2.5～3h出炉空冷到室温。

2）处理结果，硬度为56～58HRC，金相组织为下贝氏体+细小碳化物+残留奥氏体，使用寿命在3万件以上。

3）试验分析，当等温温度提高时，处理后的硬度明显下降。硬度低于53HRC后，模具变形失效的比例明显增加。根据工具钢抗压屈服点与硬度的正比例关系，十字槽冲模的抗压屈服点应高于1700MPa，在此基础上提高冲模的韧性，可提高其使用寿命。

实验表明，为使抗压屈服点大于1700MPa，等温温度应低于290℃。明显提高冲击韧度的最低等温温度在250℃，硬度为57～59HRC。因此，这类模具采用900℃加热后在260～280℃等温可获得最佳综合力学性能。

（9）60Si2Mn钢制冷镦螺母四序冲模的高温淬火 冷镦螺母用的60Si2Mn钢制四序冲模，以往采用常规淬火、回火工艺，由于淬火温度低使得组织中有残留碳化物和成分的不均匀，导致硬度不均和强度偏低。模具在使用过程中产生弯曲、镦粗，成型部位早期塌陷等质量问题。

1）工艺分析。由于60Si2Mn钢淬透性较低，采用常规热处理工艺淬火后硬化层较薄；加之冷镦模工作时负载较大等原因，致使模具使用时产生上述各种缺陷。试验表明，60Si2Mn钢采用较高的淬火加热温度，可达到强韧化效果。为此，进行了工艺改进并收到了明显效果。

2）改进的热处理工艺如下。

①在800℃温度下，按时间系数0.6min/mm进行预热。

②在920～950℃温度下，按时间系数0.4min/mm进行加热后，采用油中冷却。

③在250℃，保持4h后空冷。

3）处理结果，硬度为57～59HRC，使用寿命比常规淬火和回火的模具提高2～3倍。

（10）60Si2Mn钢制六角螺母冷镦下模的强韧化处理60Si2Mn钢制冷镦冲模，在生产使用过程中，常因折断和刃部碎裂而报废。

1）工艺分析。通过对废品金相检验发现，其组织为细片状马氏体+少量残留奥氏体，表明按常规工艺要求，淬火温度并不高。显然，模具折断或碎裂不是淬火过热造成的。为了提高其破断抗力，应选择强韧化处理。根据模具使用载荷较大特点，可采用复合强韧化工艺，即微细化预备热处理+等温淬火+回火。

2）复合强韧化处理如下。

①微细化预备热处理，将模具锻坯在870℃保温20min后油中淬火冷却，再加热到790℃保温5min后，以40℃/h的冷却速度降温到680℃保温30min，随后炉冷到500℃出炉。

②等温淬火，将机械加工成形的模具在870℃加热透烧后，于250℃硝盐浴中等温停留1.5h后空冷到室温。

③在水中清洗，去除硝盐后在240℃回火2h空冷。

3）处理结果，硬度为55～57HRC，使用寿命18万件。

4）拓展试验。同样加热后，在270℃等温1.5h者，硬度为53～55HRC，使用寿命为9万件；在290℃等温1.5h者，硬度为51～53HRC，使用寿命为11万件。此说明250℃等温效果较好。

（11）5CrW2Si钢制冷剪刀刃的强韧化处理 冷剪刀是常用的剪切工具。其所用过程承受较大的冲击载荷和强烈的振动挤压。按常规工艺处理后，使用寿命较短。主要失效形式是崩刃、压塌和剥落等。(www.xing528.com)

1）废品分析。产生上述问题表明模具强度和韧性均不足。金相检验证明，组织以细片状马氏体为主，无过热迹象。因此，要提高其使用寿命，必须采用强韧化工艺代替常规工艺。

2）强韧化热处理工艺如下。

①改锻后退火为正火，即对锻坯900～920℃加热，并保温30min后空冷。

②调质处理进行两次：860～900℃加热，并保温20min后油中冷却；680～720℃加热，并保温1h后空冷。

③高温淬火和回火，920～950℃加热透烧后油中淬火冷却；250℃回火3h后空冷。

3）处理结果，硬度为56～58HRC；强度、塑性和韧性均较好，韧性比常规工艺提高53%左右；金相组织为板条马氏体+少量均匀细小的碳化物+分布在板条马氏体边界的细小的残留奥氏体。

其他低合金钢模具强韧化工艺应用实例 参见附录D。

（12）6CrWMoV（DS）钢制冲裁模热处理

1）工艺分析。DS钢是一种新型的耐冲击冷作模具钢。其特点是工艺性能好、淬透性高、变形小、强韧性兼优，并有较高的耐磨性。采用常规热处理工艺即可满足冷冲裁模的使用要求，即耐冲击又耐磨。

2）热处理工艺如下。

①退火。760～780℃加热，保温2h后，以≤30℃/h速度炉冷到660～680℃，保温4～6h，再炉冷到500℃出炉空冷。退火后硬度为220～230HBW。

②淬火。在880～930℃加热，在盐浴炉中加热时间系数按1min/mm计算。加热后在油中淬火冷却。

③回火。在175～200℃加热回火，保温2h后空冷。进行两次。

3）处理结果，硬度为56～58HRC；使用效果表明，用上述工艺处理的模具冲裁ϕ40mm的50Mn2钢棒料比Cr12MoV钢模具寿命提高一倍以上；冲裁25mm厚的普通钢板、16mm厚的不锈钢板，比9SiCr钢冲裁模寿命提高3～6倍。

3.中、高合金工具钢制冷作模具热处理实例

（1）6CrNiMnSiMoV（GD）钢冷挤压模的热处理 用该钢制作的45钢波导法兰盘冷挤压模，要求热处理后硬度59～63HRC。

1）工艺分析。以往制作波导法兰盘冷挤压模，曾使用CrWMn和Cr12钢，其寿命仅挤压十几件便因开裂而早期报废。金相分析证明，主要是由于碳化物不均匀，强韧性低造成的。考虑到在冷模具钢中，6CrNiMnSiMoV（GD）钢属于高强韧性钢，拟用其代替CrWMn和Cr12钢制作波导法兰盘冷挤压模。首先对这三种钢的力学性能进行了比较，如表3⁃46所示。由表3⁃46可以看出，6CrNiMnSiMoV（GD）钢的冲击韧度和断裂韧度以及多冲寿命均比CrWMn和Cr12MoV钢高很多，其他性能指标也大致相当。预期经恰当热处理后可以解决波导法兰盘冷挤压模寿命低的问题。

表3-46 三种冷模具钢强韧度比较

2）热处理工艺如下。

①在箱式炉中气氛保护780℃退火加热，保温透烧后炉冷到680℃，等温停留2h后继续炉冷到300℃以下出炉。退火硬度为229HBW。

②在900℃加热，按时间系数1.5min/mm计算时间保温后于油中淬火冷却。

③在200℃，保持1h后空冷。进行两次回火（该钢有二次硬化现象）。

3）处理结果，淬火并回火后硬度为60～61HRC；使用寿命大幅度提高，不再脆裂或折断。

（2）7Cr7Mo2V2Si（LD）钢冷挤压模的热处理

1）7Cr7Mo2V2Si（LD）钢冷挤压模，要求热处理后硬度为60～63HRC。

2）工艺分析。7Cr7Mo2V2Si（LD）钢具有强度高、韧性好、耐磨损和工艺性能优良、热处理温度范围宽及淬火变形小等特点，是制作冷镦模、冷挤模、冷冲模等的新型材料。

试验表明，该钢经普通淬火、回火后的性能远远优于其他合金工具钢（如9CrWMn、9SiCr、Cr12MoV和6CrWV等），与6CrNiMnSiMoV（GD）钢性能大致相当。

3）热处理工艺如下。

①在箱式炉中气氛保护860℃退火加热，保温透烧后炉冷到750℃，等温停留2h后继续炉冷到300℃以下出炉。退火硬度为225HBW。

②在1050℃加热，按时间系数1.5min/mm保温后于油中淬火冷却。

③在200℃。保持2.5～3.0h后空冷。

4）处理效果，回火后组织为板条马氏体+弥散状碳化物，硬度为60～61HRC。

5）拓展应用如下。

①7Cr7Mo2V2Si钢轴承冷镦模，比GCr15钢冷镦模使用寿命提高2～3倍。

②用于制作螺母冷镦模，比Cr12MoV钢冷镦模使用寿命提高12～16倍。

③用于制作冷镦冲头，比60Si2Mn钢冷镦模使用寿命提高6～10倍。

④7Cr7Mo2V2Si钢制作硅钢片冲模，比Cr12钢冷冲压模使用寿命提高1～2倍。

⑤用于制作自行车中轴碗冷挤压冲头，比W18Cr4V钢冲头使用寿命提高9倍。

（3）Cr12MoV钢制作形状复杂凸凹模的热处理

1）凸凹模结构及其技术要求。图3-45所示为结构复杂的凸模与凹模中间的凸凹模。热处理后要求硬度为58～62HRC；凸模、凹模以及中间的凸凹模三者的配合间隙均不得大于0.02mm。

2）工艺分析。该模具的主要技术难度是凸模、凹模以及中间的凸凹模三者的配合间隙，即其中的任何一件变形较大均会造成废品，特别是中间模的不合格，将导致凸模和凹模两件废品。

Cr12MoV钢的淬透性和淬硬性均很好，只要调整好热处理工艺参数即可实现微变形淬火。考虑到该模具工作时剪切对象是密封纸垫，即不要求热硬性，所以可以采用较低的温度进行淬火加热和缓和的淬火冷却，以期减少热应力和组织应力，达到微变形的目的。

图3-45 Cr12MoV钢制凸凹（中间）模结构图

为此，可采取如下措施：首先制作出中间模，热处理确保硬度和尺寸精度要求，然后以制作好的中间模为基础，用刻印方法分别制作凸模和凹模，并留有要求的配合间隙。

3）中间模的热处理工艺如下

①将调质处理的高温回火改为退火，以便减少淬火前后的比容差。即1020～1040℃加热透烧后油中淬火冷却，然后在850℃保温后随炉冷却到720℃继续保温一定时间，最后炉冷到600℃以下出炉空冷。

②800～850℃预热后于980～1000℃加热透烧，在相对静止的空气中冷却淬火。

③在200～220℃回火1.5h后空冷。

4）处理结果，硬度为61～63HRC，变形甚微（各部分尺寸变形不大于0.01mm）。

（4）Cr12MoV钢制凹模的微变形热处理

1）Cr12MoV钢制凹模及其技术要求。该凹模结构如图3-46a所示。热处理后硬度为56～60HRC；孔型变形小于0.02mm。

2）工艺分析。由于该模具工作时的剪切对象为质地较软的纯铜薄板。因此，承受的载荷不大，要求硬度仅56～60HRC，但要求变形较严格。由于Cr12Mo V钢淬透性和淬硬性均很好，热处理后达到所要求的硬度不成问题，所以热处理以严格控制变形为主。为此，应采用加热温度较低的一次硬化法和较缓和的淬火冷却速度，以同时减少淬火的热应力和组织应力，达到既可满足硬度要求，又可满足变形要求的目的。

3）热处理工艺。其淬火和回火工艺曲线如图3-46b所示。淬火前进行一次650℃，保持40min的去应力处理。随后用废报纸覆盖模具表面，然后用新铸铁屑进行保护加热，在700℃的箱式炉中预热60min后，直接升温到1020℃保温80min。出炉后清除铸铁屑，并立即将模面在铜板上不断移动冷却，直至模具整体冷却到200℃以下为止。然后进行250℃，保持60～80min的回火。

图3-46 Cr12MoV钢制凹模热处理工艺曲线

a）凹模结构示意图（120mm×74mm×17mm） b）凹模热处理工艺曲线

4）处理结果，距模具刃口5mm处硬度为57～59HRC，变形量小于0.02mm。

（5）Cr12MoV钢搓丝板和滚丝模的真空热处理

1）Cr12MoV钢制造的M2.5搓丝板用于搓制45钢自行车辐条端部的螺纹。由于螺纹高度小、螺距短，用盐浴炉淬火加热，尽管进行严格脱氧，但待搓丝板整体加热透烧后，齿尖已透烧很长时间，通常有轻微的脱碳和变形现象，导致寿命不够理想，即最高仅可加工12万件。拟采用真空淬火回火工艺，以期提高其使用寿命。

Cr12MoV钢搓丝板真空热处理工艺，如图3-47所示。

图3-47 Cr12MoV钢搓丝板真空热处理工艺曲线

2）Cr12MoV钢滚丝模规格为M20×1.5，内孔径54mm，外径153mm，厚度60mm。

3）Cr12MoV钢滚丝模真空热处理工艺。模具入炉后至升温到850℃之前压力为6.65×10^-2Pa；850℃加热，保温60min阶段的压力为（2.66～3.99）×10Pa；1020℃加热，保温55min阶段的压力为（2.66～3.99）×10^-1Pa；1020℃保温后通纯氮气，压力为3×10⁵Pa。

4）处理效果。Cr12MoV钢搓丝板改用真空淬火和回火后，平均寿命可达68万件之多，即提高寿命4倍以上。滚丝模真空热处理效果与搓丝板的真空热处理效果相近。

其他高合金模具钢的真空热处理工艺参数，见附录E。

（6）Cr4W2MoV（120）钢制弹簧钢板冲孔凸模的等温淬火

Cr4W2MoV（120）钢是我国自行研制的中合金冷作模具钢。实践表明，Cr4W2MoV（120）钢的耐磨性、淬透性和淬硬性以及尺寸稳定性等与Cr12MoV钢相近。但由于其共晶碳化物颗粒细小、分布比较均匀等，使得韧性等力学性能有了明显改善。用其制作的各种冷冲模、冷镦模、落料模和冷挤压模以及搓丝板等工、模具都有较高的使用寿命。例如，利用Cr4W2MoV（120）钢制作弹簧钢板冲孔凸模，经适当热处理后，其使用寿命比用Cr12MoV钢有了大幅度的提高。

1）热处理工艺如下。

①等温淬火，850℃预热后，在1020℃加热透烧后，淬入260℃硝盐浴中保持1h后空冷。

②回火。在220℃加热，保温2h后空冷。回火进行两次。

2）处理效果。等温淬火和回火后，硬度为58～59HRC，使用寿命达到1500余件（原用Cr12MoV钢制作同种凸模使用寿命仅265件）。

（7）Cr4W2MoV（120）钢制冷镦压球模具盐浴淬火

1）技术要求。冷镦压球模具在冷墩硬度为200～220HBW的40Cr钢M16螺母时，要求模具硬度为60～63HRC，压球型孔同轴度≤0.05mm。

2）热处理工艺如下。

①球化退火。锻后毛坯进行退火，即在850～870℃加热并保温3～4h后，炉冷到750～760℃再保温5～6h，随后炉冷到500℃出炉空冷。退火后硬度为229～255HRC。

②淬火。在830℃预热，按时间系数50s/mm计算保持时间；在940℃加热，按时间系数25s/mm计算保温时间，随后在200～220℃硝盐浴中保持2h后空冷。

③回火。在120～140℃加热，保持1.5h后空冷。

3）处理效果。奥氏体晶粒度为13级，即超细晶粒；硬度为60.5～61HRC；使用寿命比原来用CrWMN钢制作的同种模具提高3～5倍。

（8）Cr4W2MoV（120）钢制摩托车链板冲模的热处理

1）技术要求。冷冲厚度为2～3mm，硬度为190～200HBW的20CrNi钢摩托车链板时，要求模具硬度为59～61HRC，压球型孔同轴度≤0.15mm。

2）工艺分析。由于板料较薄，所以模具工作时承受着小能量多次冲击，以及挤压力和强烈摩擦力的作用，往往产生疲劳裂纹、脆裂、折断及磨损等早期失效。因此，该模具应有适当的硬度、良好的耐磨性、较高的强韧性和耐疲劳性。采用中温淬火和中温回火的强韧化工艺将获得良好的效果。

3）热处理工艺如下。

①淬火。在830℃预热，按时间系数50s/mm计算保持时间；在980～990℃加热，按时间系数25s/mm计算保温时间，随后先在480℃盐浴中分级冷却，按时间系数30s/mm计算停留时间，然后在转入220℃盐浴中等温停留90min后空冷。

②回火两次：第一次回火在280～290℃，保持2h后空冷；第二次回火在180～160℃，保持2h后空冷。

4）处理效果如下。

①金相组织为回火马氏体+下贝氏体+弥散碳化物+少量残留奥氏体的混合组织。

②硬度为59～61HRC，使用寿命比原T10A钢冲模提高15～20倍。

4.高速钢制冷作模具的热处理实例

（1）高速钢冲头的低温淬火 高速钢制的冷冲压模具，按传统的高温加热淬火回、火后，在处理成硬度约为63HRC情况下，使用时通常会因早期崩刃、折断和掉头等，致使其寿命极短。实践表明，采用较低的淬火加热温度，可大大提高高速钢制冷冲压模具的使用寿命。

1）W18Cr4V钢冲头的热处理。分别在约600℃和850℃箱式炉中两次预热（按时间系数30s/mm计算加热时间），在1180～1200℃盐浴炉中加热（按时间系数8～15s/mm计算时间），于550～570℃进行等温（按时间系数30s/mm计算时间）后空冷。回火在550℃，保温1h后空冷，进行3次。处理后硬度为59～61HRC。

2）W9Mo3Cr4V钢冲头的热处理。分别在约600℃和850℃箱式炉中两次预热（按时间系数30s/mm计算加热时间），在1180～1190℃盐浴炉中加热（按时间系数15s/mm计算时间），于油中冷却到200～300℃后空冷。回火在550～560℃，保温1h后空冷，进行2次。处理后硬度为60～62HRC。

3）W6Mo5Cr4V2钢冲头的热处理。在约850℃箱式炉中预热（按时间系数30s/mm计算加热时间），在1130～1150℃盐浴炉中加热（按时间系数15s/mm计算时间），于油中冷却到200～300℃后空冷。回火在510℃，保温1.5h后空冷，进行3次。处理后硬度为61～62HRC。

（2）W9Mo3Cr4V钢制冲孔模的强韧化处理

1）模具用途。W9Mo3Cr4V钢制冲孔模，用于冲制高速钢机用锯条两端圆弧和圆孔。以往采用的高速钢低温淬火工艺，其使用寿命不够理想。

2）工艺分析。由于被冲材料（高速钢）退火后的硬度比一般材料高，且机用锯条板料较厚。因此，模具工作时承受较大的载荷，不仅要求较好的耐磨性，而且要有较高的强韧性。为了提高其使用寿命，应设法采用可以同时提高耐磨性和强韧兼优性能的热处理工艺。

3）热处理工艺。W9Mo3Cr4V钢制冲孔模的强韧化工艺，如图3-48所示。淬火前进行一次调质处理，旨在细化组织等为淬火获得高的强韧性奠定基础。采用比通常的高速钢低温淬火温度（1180～1190℃）稍高的1200℃加热，旨在使稍多的碳化物溶解，为回火析出弥散碳化物奠定基础。淬火后进行一次350℃的低温回火，目的是在该温度下从淬火马氏体中析出渗碳体型碳化物，降低马氏体的含碳量，从而提高其强韧性。最后的550℃回火赋予模具所需要的各种综合性能。

图3-48 W9Mo3Cr4V钢制冲孔模的强韧化工艺

4）处理结果。按上述工艺处理后，W9Mo3Cr4V钢制冲孔模的抗弯强度由3010MPa提高到3270MPa，挠度由4.6mm提高到5.1mm，硬度由63.5HRC降低到61HRC。总寿命由4.3万件提高到27万件。

其他高速钢模具强韧化工艺应用实例，参见附录D。

（3）W9Mo3Cr4V钢冲孔模的真空淬火和深冷处理

1）模具用途。W9Mo3Cr4V钢制冲孔模，用于在料厚10mm的45钢板上，冲制ϕ8mm的通孔。

2）工艺分析。该模具工作时，承受强烈的冲击压应力、弯曲应力、退模时的拉应力及摩擦磨损等。因此，该模具应具有足够的抗压强度和弯曲疲劳强度、良好的耐磨性和韧性。为了提高真空淬火后的韧性，应采用更低的淬火温度。为进一步提高硬度和耐磨性，拟采用深冷处理。

3）热处理工艺。W9Mo3Cr4V钢制冲孔模的真空淬火与深冷处理工艺曲线如图3-49所示。

图3-49 W9Mo3Cr4V钢制冲孔模的热处理工艺曲线

4）处理结果。采用真空淬火+深冷处理+两次回火后，其硬度为66.1HRC，比相同温度淬火+三次回火的硬度提高1～2HRC；残留奥氏体量仅为2.6%（体积分数）。其寿命，冲孔107541件，比进行单一真空淬火的模具寿命，55776件，提高近1倍。

其他高速钢模具的真空热处理工艺参数，见附录E。

5.基体钢制冷作模具的热处理实例

（1）6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）钢制冷挤压凸模的热处理

1）凸模结构及技术要求。图3-50a所示为缝纫机梭床的冷挤压凸模示意图。热处理后要求硬度为60～62HRC。

2）工艺分析。凸模用于冷挤压梭床成形（梭床材料为20Cr钢，硬度为120HBW，利用250t压床一次成形）。工作时，承受强烈挤压应力、弯曲应力及退模时的拉应力和摩擦磨损等。因此，该模具应具有足够的抗压强度、弯曲疲劳强度及良好的耐磨性和韧性。以往采用W6Mo5Cr4V2高速钢制作该凸模，经1190℃加热，分级淬火后硬度为62～64HRC，使用寿命仅为1万件左右。失效形式通常是顶头碎裂或韧带磨损。拟采用6Cr4W3Mo2VNb钢试制该模具。

3）热处理工艺。6Cr4W3Mo2VNb钢凸模热处理工艺如图3-50b所示。

图3-50 6Cr4W3Mo2VNb钢凸模热处理工艺

a）缝纫机梭床冷挤压凸模 b）热处理工艺曲线

4）处理结果，硬度为60～62HRC，使用寿命达2～3万件（寿命短者因韧带被拉痕不能继续使用；寿命长者一般是顶头脱落）。分析认为，2万件者表面可能是由于局部轻微脱碳或硬度不均造成的。

（2）7W7Cr4MoV钢制冷挤压模的热处理

1）凸模结构及技术要求。图3-51a所示为冷镦螺栓凸模示意图。热处理后要求硬度60～62HRC。

2）工艺分析。凸模用于冷镦螺栓成形。工作时，承受强烈冲击压应力、弯曲应力及退模时的拉应力和摩擦磨损等。因此，该模具应具有足够的抗压强度、弯曲疲劳强度及良好的耐磨性和韧性。以往采用60Si2Mn钢制作该凸模，经正常淬火回火后，使用寿命1万件左右。失效形式通常是顶头碎裂或韧带磨损。拟采用7W7Cr4MoV钢试制该模具。

3）热处理工艺。7W7Cr4MoV钢凸模热处理工艺曲线如图3-51b所示。

4）处理结果，硬度为60～62，使用寿命达5～10万件不等。分析认为，寿命不等的原因可能是硬度不均或局部轻微脱碳造成的。

图3-51 7W7Cr4MoV钢凸模及其热处理工艺曲线

a）螺栓凸模示意图 b）热处理工艺曲线

6.钢结硬质合金制冷作模具的热处理实例

（1）GW50钢结硬质合金搓丝板的热处理

1）工艺分析：按通常的淬火、回火（1050～1100℃淬火，200～250℃回火，硬度为68～72HRC）后搓丝板齿部脆断较多。拟采用较低淬火加热进行试制。

2）GW50钢结硬质合金搓丝板毛坯的退火工艺曲线，如图3-52所示。

3）GW50钢结硬质合金搓丝板的淬火和回火。在箱式炉中800～850℃预热30min后升温到1000℃，保温时间按时间系数2～3min/mm计算，然后在油中冷却。在250℃回火1.5h后空冷。

4）处理结果。改为1000℃淬火和250℃回火，硬度降为63～65HRC情况下，解决了齿部早期脆断问题，使GW50钢结硬质合金搓丝板寿命比Cr12钢的大幅度提高5倍以上。

（2）GJW50钢结硬质合金冷挤压凸模的热处理

1）工艺分析。该凸模用于挤压自行车花盘（其材料为45钢，料厚10mm）原用Cr12钢制作，使用寿命不足3000件。为提高生产效率和延长凸模使用寿命，拟改用钢结硬质合金制作该凸模。

2）热处理工艺。锻件毛坯退火工艺曲线，如图3-53所示。

图3-52 GW50钢结硬质合金的退火工艺曲线

图3-53 GJW50钢结硬质合金锻件退火工艺曲线

淬火和回火工艺为：在盐浴炉中800～820℃预热35min后，在1020℃加热，保温时间为18min，在油中冷却淬火；在220℃回火，保温1.5h后空冷。

3）处理结果，硬度为69～70HRC。使用寿命达31200余件，即高达Cr12钢凸模的10倍以上。