淺談模具材料常用的處理方法

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　　摘要：碳素工具鋼和在碳鋼的基礎(chǔ)上加入不同元素的合金鋼，機(jī)械性能優(yōu)良，常用作模具材料(文中稱為模具鋼)。本文淺談了模具材料常用的熱處理方法及熱處理過程中常出現(xiàn)的問題等內(nèi)容。

　　關(guān)鍵詞：模具鋼 退火 回火 氮化

　　碳鋼已有一百多年的歷史了。工業(yè)上較多地使用加入不同元素的碳鋼，機(jī)械生產(chǎn)中常選用碳素工具鋼來制造模具。

　　碳素工具鋼組織中常出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物沿晶界析出、碳化物偏析分布、出現(xiàn)魏氏組織和游離態(tài)石墨析出等組織缺陷。具體表現(xiàn)為：①網(wǎng)狀碳化物沿晶界析出，主要是由于鍛造時(shí)，終鍛溫度過高而冷卻速度緩慢，導(dǎo)致二次碳化物沿奧氏體晶界析出，并逐漸生長連成網(wǎng)狀。尤其是在高碳高鉻的情況下，網(wǎng)狀碳化物極易出現(xiàn)。②碳化物偏析分布，是由于冶金質(zhì)量不佳，澆注工時(shí)不恰當(dāng)，導(dǎo)致大量的粗大樹枝晶組織出現(xiàn)，在樹枝晶之間最后凝固的區(qū)域，附集著碳和鐵等溶質(zhì)元素，凝固后析出的大量碳化物聚集著，在鍛軋過程中它逐步沿?zé)峒庸し较蜓由斐蓭�狀，而鍛造時(shí)，未能有效地予以消除，熱處理時(shí)沒有采取更為有效的措施，致使碳化物呈偏析分布。③出現(xiàn)魏氏組織，是由于終鍛溫度過高而冷卻速度極為緩慢，導(dǎo)致二次碳化物沿奧氏體晶界析出的同時(shí)向奧氏體晶粒內(nèi)部生長，并呈耙齒狀楔入奧氏體晶粒內(nèi)部。④游離態(tài)石墨析出，是由于鋼中的Si、Al、Mo元素含量過高，促使C以石墨形式析出;或是熱處理時(shí)加熱時(shí)間過長，促使Fe3C分解時(shí)C以石墨形式析出;或是軋、鍛時(shí)，變形溫度低或變形量過大，導(dǎo)致顯微裂紋滋生，誘導(dǎo)附近的Fe3C分解時(shí)C以石墨形式析出。

　　大多數(shù)用作模具的鋼錠除紅送鍛造或軋制外，一般均進(jìn)行退火處理，一來可以防止由于組織應(yīng)力和熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，再者，對(duì)于那些易產(chǎn)生白點(diǎn)的鋼種，可以預(yù)防白點(diǎn)的產(chǎn)生，另外，還可以通過退火處理改善鋼錠凝固時(shí)偏析和清除鋼錠表面的缺陷。常用作模具的鋼錠的退火方法有：去應(yīng)力退火、完全退火和不完全退火、去氫退火、高溫?cái)U(kuò)散退火等。 擴(kuò)散退火處理是近些年來比較實(shí)用的改善鋼錠顯微偏析的方法，擴(kuò)散退火的溫度通常在Ac3(Acm)以上150~360℃的范圍內(nèi)進(jìn)行，溫度過高對(duì)萊氏體鋼很容易過燒。一般合金鋼的擴(kuò)散溫度在1200~1280℃，一般與鋼種有關(guān)系。另外，擴(kuò)散需要較長的時(shí)間。 對(duì)于大多數(shù)用作模具的鋼錠，退火的目的是消除組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，以防止鋼錠在較長時(shí)間的放置或熱加工時(shí)產(chǎn)生裂紋，因此，只需要普通退火處理即可。很多的模具鋼錠在澆注后經(jīng)緩冷，不能完全消除內(nèi)應(yīng)力，在存放的過程中容易發(fā)生炸裂，尤其是高淬透性的鋼種和萊氏體鋼，例如4Cr5MoSiV1、Cr5Mo1V、Cr12Mo1V1、Cr12等，鋼錠脫模后，均應(yīng)及時(shí)退火，否則易發(fā)生炸裂，尤其是在寒冷地區(qū)的冬季。

　　經(jīng)過鍛造或軋制后的模具鋼材， 一般也都以退火狀態(tài)交貨，退火的目的是為了獲得良好的組織和狀態(tài)，以便模具零件的加工和熱處理，所以對(duì)模具鋼除對(duì)退火硬度的要求外，對(duì)模具鋼退火后的珠光體球化級(jí)別、碳化物網(wǎng)狀、帶狀等均有較嚴(yán)格的要求。對(duì)鋼材的退火溫度、冷卻速度和保溫時(shí)間都應(yīng)仔細(xì)研究。球化退火是模具鋼材最常用的退火工藝方法，其工藝特點(diǎn)是通過控制加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等工藝參數(shù)，以使碳化物球狀化，得到球狀珠光體組織，降低硬度、提高塑性和改善和力學(xué)性能。球化退火后的組織一般由鐵素體基體和粒狀碳化物組成，其性能是兩種機(jī)械混合物的迭加。鐵素體本身的硬度取決于合金元素的固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化。而碳化物數(shù)量的增加，碳化物彌散分布都相應(yīng)提高鋼的退火硬度。在冶金廠一般采用等溫退火或連續(xù)退火，從本質(zhì)上講，沒有區(qū)別。但在等溫時(shí)，一定要注意等溫溫度。連續(xù)退火時(shí)一般冷卻速度不要超過30℃/h。

　　模具鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的回火后常見的缺陷主要有硬度不合格、畸變、回火脆性、網(wǎng)狀裂紋。硬度不合格主要表現(xiàn)在回火后硬度偏高或偏低或是硬度不均勻。硬度偏高或偏低反映了模具淬火硬度不一致，有高有低，這需要從模具原材料、淬火加熱溫度、冷卻介質(zhì)和人工操作查找原因。硬度不均勻說明爐溫不均勻，需從爐溫著手改善�；�變是由于應(yīng)力在回火過程中重新分布引起的，鑒于此，對(duì)扁平、細(xì)長模具要采用加壓回火或趁熱校直等方法彌補(bǔ)。 回火脆性是模具鋼在某一溫度區(qū)間回火后，沖擊韌度顯著下降的現(xiàn)象。對(duì)于碳素鋼在200~400℃內(nèi)回火，室溫沖擊韌度出現(xiàn)低谷，而對(duì)于合金鋼則在250 ~450℃之間出現(xiàn)低谷。在這一溫度區(qū)間出現(xiàn)的回火脆性，常稱為第一回火脆性或低溫回火脆性。一般出現(xiàn)后很難消除，防止的辦法就是避開在這一溫度區(qū)間內(nèi)回火。除此之外，某些合金模具鋼在350~525℃內(nèi)回火或在稍高溫度下回火后緩慢冷卻，也會(huì)出現(xiàn)室溫沖擊韌度顯著下降，在這一溫度區(qū)間出現(xiàn)的回火脆性，常稱為第二回火脆性或高溫回火脆性。第二回火脆性出現(xiàn)后，可通過在此溫度重新加熱，快速冷卻來消除。網(wǎng)狀裂紋是由于高速鋼、高碳鋼表面脫碳，在回火時(shí)內(nèi)層比容變化大于表層，在表層形成多向拉應(yīng)力而產(chǎn)生的。另外回火時(shí)表層加熱速度過快，產(chǎn)生表層快速優(yōu)先回火而形成表層多向拉應(yīng)力，也會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。

　　模具鋼氮化的主要目的是為了提高工件的表面抗疲勞強(qiáng)度和改善耐腐蝕性能。用碳素工具鋼作模具氮化前需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，因?yàn)椴唤?jīng)淬火，模具心部的強(qiáng)度、硬度較低，不能滿足使用要求，同時(shí)使?jié)B層與心部之間產(chǎn)生較大的硬度差，滲層缺少必要硬度支撐，易造成滲層剝離。所以，氮化之前，要對(duì)模具進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以獲得綜合的力學(xué)性能。 另外，氮化溫度一般在500~600℃范圍內(nèi)，恰好為高溫回火溫度范圍，這就要求模具在氮化前經(jīng)淬火后，再經(jīng)高溫回火處理，以便組織與性能處理穩(wěn)定狀態(tài)。尤其是得到回火索氏體組織，使心部具有較高的強(qiáng)度的同時(shí)，又獲得良好的韌性。再者，氮化前調(diào)質(zhì)處理，可獲得回火索氏體組織，即鐵素體與滲碳體兩相組織，鐵素體組織的出現(xiàn)有利于滲氮的進(jìn)行，加快滲氮步伐，在模具表面很快形成α相，緊接著在α相基礎(chǔ)上形成γ′相，再接著是在γ′的基礎(chǔ)上形成ε相，最終在模具表面形成了由ε、γ′、α相組成的滲層組織，這為滲氮層提供了性能保證。氮化后模具表面形成了高硬度的氮化物，使模具表面具有很高的強(qiáng)度、硬度與耐磨性，無需再經(jīng)淬火處理。

　　總之，未來的機(jī)械行業(yè)對(duì)模具的需求將會(huì)越來越多，那么對(duì)模具鋼的要求將會(huì)越來越高，這就需要我們對(duì)模具材料的種類、處理和生產(chǎn)工藝不斷的探索不斷的創(chuàng)新，積極研發(fā)新型模具材料以適應(yīng)新的成型技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1、《模具材料與熱處理》 程美主編 人民郵電出版社 2011年05月

　　2、《模具材料的發(fā)展與動(dòng)向》 作者 牟紅霞 應(yīng)用技術(shù)研究 2011 年 10月

　　3、《淺談我國模具材料的發(fā)展方向》 作者 吳遼 科技信息(科學(xué)教研) 2007年23期

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