冷作模具的热处理

摘 要：文章主要简述了钢的热处理原理和几种主要冷作模具的热处理特点及其对模具的影响.

关 键 词：冷作模具；热处理；冲载模；冷挤压模

中图分类号：TG142文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）24-0071-03

冷作模具一直是应用广泛的一类模具,其产值占模具产值的1/3左右.冷作模具质量的好坏将直接影响其制品的质量,模具的寿命又决定着零件的生产成本及经济效益.实践证明,模具的淬火变形与开裂以及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5/100以上.因此,在模具材料选定之后,还必须配以正确的热处理,才能保证模具的性能和使用寿命.

1钢的热处理原理

1.1钢在加热时的金相转变

1.1.1奥氏体的形成.共析钢的奥氏体化过程是共析钢在A1温度以下为P,将其缓慢加热到A1温度以上,在一定的加热温度下要发生P体向A体的转变,这是一个重结晶的过程,是需要通过铁碳原子的扩散、形核、长大和成分的均匀化过程来完成的.共析钢的奥氏体化过程分为以下四个阶段：奥氏体形核；奥氏体晶核长大；残余Fe3C的溶解；奥氏体成分均匀化.

1.1.2奥氏体晶粒的长大.奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示.分为00,0,1,2等10等十二个等级,其中常用的至10级,4级以下为粗晶粒,5级至8级为细晶粒,8级以上为超细晶粒.

1.2钢在冷却时的转变

钢奥氏体化后,冷却有两种方式,等温和连续冷却.

1.2.1过冷奥氏体的等温转变.根据转变的温度不同,过冷奥氏体发生三种不同的转变：

A1至550℃为高温转变区,转变产物为珠光体（P）.

550℃至Ms为中温转变区,转变产物为贝氏体（B）.

Ms至Mf为低温转变区,转变产物为马氏体（M）.

1.2.2过冷奥氏体的连续冷却转变.（1）共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能：随炉冷P170～220HBS（700℃～650℃）；空冷S25～35HRC（650℃～600℃）.（2）马氏体转变：当冷速>马氏体临界冷却速度VK时,奥氏体发生M转变,即碳溶于α-Fe中的过饱和固溶体,称为马氏体.

2冷作模具的工作条件

冷作模具一般是指材料在室温状态下进行加工的模具.按照冷作模具的工作情况可以将其分为：冲裁模、拉伸模、冷镦模和冷挤压模四大类.冲裁模在冷冲压过程中,由于被冲材料的变形抗力比较大,模具的工作部分特别是刃口受到强烈的摩擦和挤压,所以模具应具有高的硬度、强度和耐磨性.另外,冲模在工作过程中受到冲击力的作用,对模具的韧性也有一定的要求,特别是当冲压厚钢板或冲压孔径较小的厚钢板时,要求模具有较好的韧性.对于拉伸模,主要要求其工作部分具有高的耐磨性、良好的抗粘附性和一定的韧性,其中耐磨性是决定模具寿命的关键性能.粘附是拉伸过程中常出现的问题,是金属受力流动成型过程中与模具型腔粘结成瘤的现象,继续拉伸将使零件表面光洁度变坏,严重时则无法继续工作.

3冷作模具的制造工艺路线

通常冷作模具的制造工艺路线有以下三种：

一般成形冷作模具：锻造→球化退火→机械加工成形→淬火和回火→钳修装配.

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→精加工成形（凸模成形磨削,凹模电加工）→钳修装配.

复杂冷作模具：锻造→球化退火→机械粗加工→高温回火或调质→机械加工成形→钳工修配.

在热处理工序安排上要注意以下三点：

对于位置公差和尺寸公差要求严格的模具,为减少热处理变形,常在机加工之后安排高温回火或调质处理.

对于线切割加工模具,由于线切割加工破坏了淬硬层,增加淬硬层脆性和变形开裂的危险性,因而,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,避免模具线切割时变形、开裂.

为使线切割模具尺寸相对稳定,并使表层组织有所改善,工件经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.

4主要冷作模具的热处理特点

4.1冲载模的热处理特点

冲载模的工作条件、失效形式、性能要求不同,其热处理特点也不同.

4.1.1对于薄板冲载模,应具有高的精度和耐磨性,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.

4.1.2对于重载冷冲模,其主要失效形式是崩刃和折断,因此,重载冷冲模的特点是保证模具获得高强韧性.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、循环超细化处理和低温低淬等

方法.

4.1.3对于冷剪刀,主要采用5CrW2Si、9Cr12MoV钢制造,由于工作条件差异大,其工作硬度范围也大,通常在硬度42～61HRC之间.为减小淬火内应力,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℃）,最后再进行正式回火.

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

4.1.4大多数冷冲载模使用状态为淬火加回火,模具硬度通常在60HRC左右,这样的硬度使模具获得高使用寿命而又不磨损是不可能的.因此,为提高冲载模的耐磨性和使用寿命,常进行表面强化处理,主要工艺方法有氮碳共渗、渗硼、盐浴渗钒、渗铌以及CVD法等.4.2冷挤压模的热处理特点

冷挤压模应具有高的硬度、耐磨性、抗压强度、高强韧性、一定的抗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,必须注意其热处理特点.

4.2.1对于易断裂或胀裂、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的下限温度淬火,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.

4.2.2高碳高合金钢制冷挤压模具,淬火后残余奥氏体量较多,一般要采用较长时间的回火或多次回火,以便获得控制和稳定残余奥氏体量,消除应力,提高韧性,稳定尺寸.

4.2.3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,促使残余奥氏体转变为回火马

氏体.

4.2.4应用表面强化处理.为获得高的表面硬度和表面残余压应力,冷挤压模常采用表面渗氮、氮碳共渗、镀硬铬和渗硼等工艺.其主要原因是采用表面强化处理后增加了模具的耐磨性,而且会增加抗咬合能力,改善了表面应力状态.

4.2.5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型部位再进行回火,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.

4.3拉深模的热处理特点

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,在制定和实施热处理工艺时主要注意以下两点：

4.3.1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500HV以下时,模具表面就会出现拉毛现象.同时还要防止磨削引起二次回火使表面硬度降低.

4.3.2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、镀硬铬和渗钒等.例如：Cr12钢制螺母拉深模,经980℃淬火、200℃回火后,使用寿命为1000～2000件,后经渗钒及淬回火后,使用寿命可提高到1万件.这主要是因为渗钒后,表面硬度可达2800～3200HV,具有很好的耐磨性、抗黏着性、耐蚀性,且渗层仍保持良好的韧性.

4.4冷镦模的热处理特点

根据冷镦模的性能要求,冷镦模的热处理有如下

特点：

4.4.1模具最终热处理采用600℃充分预热,淬火加热温度为840℃,在盐浴炉中加热时间为30s/mm,水淬油冷,水温控制在20℃～40℃之间,于200℃回火2h,硬度为60～62HRC,与常规工艺相比,抗压强度提高1.5倍,抗压屈服点提高2.1倍,断裂韧度提高31%,而一次冲击韧度值有所下降.模具的平均使用寿命提高4倍.

4.4.2冷镦模必须充分回火,回火保温时间应在2h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.

4.4.3采用中温淬火、中温回火工艺.对于Cr12MoV钢制冷镦凹模,采用1030℃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.

4.4.4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.

4.4.5采用表面处理.为了提高冷镦模的耐磨性和抗咬合性,冷镦模常进行渗硼.通过渗硼,模具表面形成硬度高达1100HV以上的硼化层,模具基体也得到强化,模具寿命大副提高.

5结语

根据钢的热处理原理、冷作模具的工作条、冷作模具的制造工艺路线及热处理特点提出了正确的热处理加工

工艺.