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冷作模具鋼熱處理工藝

　　模具熱處理實(shí)際上是指模具零件的熱處理。冷作模具種類較多，主要有冷沖裁模、冷鐓模、冷擠壓模具、冷拉深拉絲模等，由于形狀結(jié)構(gòu)差異性較大，工作條件和性能要求不一，除了要選用合適的材料外，還應(yīng)選擇最佳熱處理工藝，用以滿足模具服役性能要求，提高模具的使用壽命。

一、冷作模具基本熱處理工藝

冷作模具一般要求具有高的耐磨性、一定的硬度和硬化層深度，足夠的強(qiáng)度和韌性。因此冷作模具的基本熱處理工藝如下

1．預(yù)備熱處理

冷作模具在鍛后必須進(jìn)行球退火，以消除鍛坯的鍛造應(yīng)力，改善組織和降低硬度，以便機(jī)械加工并為最終熱處理作發(fā)組織準(zhǔn)備。

2．高溫回火或去應(yīng)力退火

為消除機(jī)械加工中產(chǎn)生的應(yīng)力，減少最終熱處理變形，常在機(jī)械加工之后安排去應(yīng)力退火或調(diào)質(zhì)處理。為使線切割后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行再回火，回火溫度不應(yīng)高于淬火后的回火溫度，在高溫回火時(shí)為防止模具氧化脫碳，應(yīng)采用保護(hù)氣氛或防氧化脫碳措施。

3．冷作模具的淬火

淬火是冷作模具最終熱處理中的重要操作，它對模具的使用性能影響極大，應(yīng)特別給予重視。主要要注意以下幾點(diǎn)：

1）應(yīng)對模具材料進(jìn)行確認(rèn)并檢查模具表面有無擦傷、裂紋等缺陷。

2）根據(jù)模具的形狀，估計(jì)模具的文治武功趨勢，作各種堵塞、捆綁或包扎，使能均勻地進(jìn)行加熱與冷卻。

3）合理選擇淬火加熱溫度。既要使奧氏體固溶一定的合金元素和碳，以保證模具的淬透性、淬硬性、強(qiáng)度和熱硬性，又要有適當(dāng)?shù)倪^剩碳化物，以細(xì)化晶粒，提高模具的耐磨性和保證模具具有一定的韌性。同時(shí)要考慮模具的溫度高低對變形的影響，及加熱過程中的預(yù)熱。

4）合理選擇淬火加熱保溫時(shí)間。一般模具淬火加熱可根據(jù)加熱設(shè)備采取經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算保溫時(shí)間。但實(shí)際熱處理操作時(shí)，應(yīng)考慮模具零件的具體情況。特別是復(fù)雜模具要綜合考慮各種影響因素，并通過試驗(yàn)來確定最佳淬火保溫時(shí)間。

5）合理選擇淬火冷卻介質(zhì)。高合金冷作模具鋼其淬透性好，并為了減少熱處理變形和開裂，在滿足模具技術(shù)要求的情況下盡可能選擇較緩慢的冷卻介質(zhì)淬火，如氣冷、油冷、鹽浴、分級(jí)淬火和等溫淬火等。

對于碳素工具鋼和低合金工具鋼模具，為了減少模具熱處理文治武功和開裂，同時(shí)保證模具有足夠的淬硬層深度，可采取水淬-油冷、油淬-空冷、等溫淬火和一些新型淬火介質(zhì)等。

6）嚴(yán)防模具加熱過程中的氧化脫碳。模具加熱過程中的氧化脫碳將會(huì)嚴(yán)重?fù)p害模具的表面質(zhì)量影響模具的使用壽命。所以對精密復(fù)雜模具應(yīng)盡量在真空熱處理爐和可控氣氛爐中加熱，在鹽浴爐中加熱要進(jìn)行嚴(yán)格脫氧，在普通電爐中加熱要采取保護(hù)措施。

4．冷作模具的強(qiáng)韌化處理工藝

冷作模具低淬低回、高淬高回、等溫淬火等是提高模具強(qiáng)韌性的重要方法，要根據(jù)模具尾部進(jìn)行，以提高模具的使用壽命。

5．模具的回火

模具在淬火或電火花加工后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火，回火溫度根據(jù)模具的硬度要求來選擇，但要注意避開回火脆性的溫度范圍。

回火保溫時(shí)間應(yīng)根據(jù)模具材料、模具形狀和大小確定。

高合金鋼則應(yīng)采取二次或多次回火，在進(jìn)行多次回火時(shí)應(yīng)注意前一次回火須冷到室溫后再進(jìn)行后一次回火。

6．模具冷處理

為了穩(wěn)定精密復(fù)雜冷作模具的尺寸，減少模具鋼中的殘留奧氏體量，為此需對模具淬火后進(jìn)行冷處理。

二、主要冷作模具的熱處理特點(diǎn)

冷作模具種類較多，各類冷作模具熱處理各具特色，為了更好地把冷作模具熱處理搞好，現(xiàn)把主要冷作模具熱處理特點(diǎn)介紹如下。

1．冷擠壓模具熱處理特點(diǎn)

冷擠壓模具的工作條件極為苛刻。要根據(jù)使用中對強(qiáng)韌性、耐磨性、回火穩(wěn)定性等主要性能的要求，以其中的主要要求來正確決定熱處理規(guī)范，才能充分發(fā)揮模具材料性能的作用，從而提高模具的使用壽命。

1）冷擠壓模具要求具有一定的抗回火軟化能力（>400℃），但不要求太高的硬度和熱硬性。對耐磨性要求不高，易斷裂模具可采用低限溫度淬火或“低溫淬火”，以獲得晶粒細(xì)小的馬氏體，經(jīng)回火后可獲得高的強(qiáng)韌性和一定的耐磨性。

2）對耐磨性和溫升有較高要求的模具，要求采用高限的溫度淬火和在二次硬化峰附近回火，以提高模具的耐磨性和耐回火性。

3）為了增加模具的耐磨性和改善其表面應(yīng)力狀態(tài)，可采用表面強(qiáng)化處理工藝，如氮碳共滲、鍍硬鉻、滲硼等。

4）冷擠壓模具沖頭，在每擠壓500-1000件后，應(yīng)作低于其工作溫度的去應(yīng)力回火，以提高沖頭的疲勞破壞抗力。

2．由于冷鐓沖頭和凹模都承受多次反復(fù)的沖擊載荷，所以必須具備較高的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和沖擊韌度、還必須具有較高的斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度。因此冷鐓模的熱處理特點(diǎn)如下：

1）對碳素工具鋼冷鐓模具采用片狀珠體預(yù)處理，再進(jìn)行淬火低溫回火，可提高模具的抗壓強(qiáng)度、斷裂韌度、沖擊韌度，模具壽命可顯著提高。

2）對于Cr12MoV鋼冷鐓模采用1030℃淬火、400℃回火，可獲得最佳的強(qiáng)韌性配合，冷鐓模的斷裂韌度明顯提高。

3）冷鐓模淬火后必須充分回火，并進(jìn)行多次回火，以使其內(nèi)應(yīng)力全部消除。

4）為了提高冷鐓模的耐磨性和抗咬合性，冷鐓模一般進(jìn)行滲硼處理，以提高模具使用壽命。

3．冷沖裁模的熱處理特點(diǎn)

沖裁模根據(jù)薄厚板的不同熱處理特點(diǎn)也不同：

1）薄板沖裁模要求具有高的精度和耐磨性，要采用不同的減少淬火變形的熱處理方法，如預(yù)冷淬火、堿浴淬火（碳素工具鋼）、等溫淬火、硝鹽淬火等措施。

2）對于厚板沖裁模要保證模具獲得高強(qiáng)韌性的同時(shí)還要具有較高的耐磨性。為了提高厚板沖裁模的強(qiáng)韌性，需細(xì)化奧氏體晶粒，細(xì)化碳化物，獲得板條狀馬工體、下貝氏體及復(fù)相組織及合理選擇回火工藝等。對此可采用高碳鋼低溫、短時(shí)快速加熱工藝，從而獲得較多的板條馬氏體組織；為獲得下貝氏體組織可采用等溫淬火工藝，也可采用固溶雙細(xì)化處理工藝細(xì)化碳化物晶粒等方法來提高沖裁模的強(qiáng)韌性。

4．冷拉深模的熱處理特點(diǎn)

拉深模應(yīng)具有較高的硬度、良好的耐磨性和抗粘附性能。為了保證冷拉深模的表面質(zhì)量和性能要求，宜采用真空熱處理和可控氣氛處理，對條件不具模的表面質(zhì)量和性能要求，宜采用真空熱處理和可控氣氛熱處理，對條件不具備的單位也應(yīng)采取措施防止模具表面抗氧化脫碳。為了提高拉深模具的抗磨損和抗粘附性能，應(yīng)對模具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理如滲氮、氮碳共滲、滲硬鉻、滲硼、滲釩等。

三、主要冷作模具的熱處理

1．CrWMn鋼冷沖模的雙細(xì)化熱處理

CrWMn 鋼中小型沖孔用冷沖模，沖頭部分φ10mm×40mm，模具技術(shù)要求60-62HRC。采用常規(guī)熱處理后，由于韌性不足，常發(fā)生早期脆斷，一般壽命僅達(dá)3000件，后采用以下雙細(xì)化熱處理工藝后，提高了模具的強(qiáng)韌性，防止了模具的早期脆裂，平均使用壽命提高到15000件左右。

該模具的原制造工藝路線為：毛坯---球化退火---粗加工---半精加工---去應(yīng)力退火---精加工---淬火、回火---精磨。其中熱處理工藝如下：

（1）球化退化加熱溫度800℃×(3-4)h，爐冷至700℃等溫-3h，爐冷至500℃以下出爐空冷。

（2）淬火及回火淬火溫度830℃保溫杯10min油冷，回火溫度180℃保溫?zé)崽幚砉に嚾缦拢?/A>

固溶超細(xì)化熱處理工藝：固溶加熱溫度1050℃，等溫淬火溫度300℃，高溫回火溫度720℃，保溫2h，爐冷至500℃以下出爐空冷。

最終熱處理：淬火溫度810℃，熱油冷；回火溫度180℃，保溫2-3h，回火后硬度60-62HRC。

2．大型冷拉深模圈的熱處理

工作經(jīng)三次拉深成形，原模圈采用T10A鋼制造，淬火溫度800℃，在鹽浴爐中加熱系數(shù)為15-20s/mm，水淬油冷，回火溫度160-180℃，回火后硬度60-62HRC,平均壽命250-300件，損害部位均在刃口處。損害原因，由于T10A鋼淬透性差，淬硬層淺（只有2.5-3mm），強(qiáng)度低，造成冷拉深模圈壽命很低。

后改用Cr12MoV鋼制造模圈，最終熱處理工藝為了1020-1040℃加熱，油冷；180-200℃回火，硬度為60-62HRC，經(jīng)此熱處理的的拉深模圈壽命為2500-3000件，提高壽命10倍左右。

3．Cr12MoV鋼冷擠壓模離子滲氨

冷擠成形模的凹模，熱處理工藝為：

（1）球化退火 860℃加熱，保溫3h；740℃等溫4h，爐冷到500℃以下出爐空冷。

（2）淬火及回火 500℃預(yù)熱，1030℃奧氏體化后淬油；180℃回火保溫2h，硬度60-62HRC。

（3）離子滲氨 LD-50型離子滲氮爐，通入氨分解氣（爐外裂化），爐壓保持在（5-8）×10²Pa，電壓500-600V，電流密度1mA/cm²。滲氮溫度510℃，模具使用壽命提高2.7倍。

4．剪切模熱處理

用于剪切直徑為φ20-φ40nn30Mn鋼棒料的剪切模，開始用CrWMn鋼制造，硬度要求50-55HRC，其熱處理工藝為：

（1）球化退火工藝加熱溫度800℃保溫3h，爐冷至700℃等溫4h，爐冷至500℃以下出爐空冷。

（2）淬火及回火淬火溫度830℃，油冷，硬度61-63HRC；回火溫度400℃，保溫2h，硬度51-53HRC。模具使用壽命只能達(dá)到8000件。后選用6CrniMnSiMoV（GD）鋼制造。其熱處理工藝為：

1）球化退火　加熱溫度780℃，保溫2h，等溫溫度680℃，爐冷到550℃以下出爐空冷，退火硬度≤240HBW。

2）淬火及回火淬火溫度900℃，油冷，淬火硬度≥63HRC；回火溫度400℃，硬度55-57HRC.

用GD鋼制作的模用使用壽命達(dá)2萬件以上。

5．Cr12鋼沖壓模的冷處理

1）淬火溫度：980℃油冷。

2）冷處理：將淬火后冷到室溫的模具立即浸入盛有酒精的保溫容器中，加入干冰（CO₂），冷處理溫可達(dá)-60℃，保溫1h后取出放于空氣中冷到室溫。

3）回火溫度400℃保溫2h，硬度58-60HRC.

6.Cr12MoV鋼硅鋼片冷沖模的等溫淬火熱處理

Cr12MoV鋼硅鋼片冷沖模開關(guān)較復(fù)雜，采用820℃預(yù)熱，1030℃加熱油淬，200℃×2h回火，模具硬度60-62HRC，使用中模具脆化、易崩刃和開裂，使用壽命平均為10萬沖次。

等溫淬火工藝：采用820℃預(yù)熱，1030℃鹽浴加熱，280℃×3h硝鹽等溫，空冷至室溫，然后在200℃×2h×2次回火，硬度60-61HRC，使用壽命為30多萬沖次，提高使用壽命3倍。

7．Cr12MoV鋼滾絲模等溫淬火

Cr12MoV鋼滾絲模加工M20螺釘，采用一般熱處理工藝的模具由于模具崩刃嚴(yán)重，使用壽命較低。

改進(jìn)工藝：將模具加熱到1020℃，在280℃，在280℃×3h硝鹽等溫,400℃×2h回火，硬度56-58HRC，金相組織為：下貝氏體+少量回火馬氏體+殘留奧氏體，熱處理變形較常規(guī)熱處理小得多，使用壽命較常規(guī)淬火提高3-4倍。

8．Cr12MoV鋼模具的低溫淬火、低溫回火工藝

由于沒有高溫電加熱設(shè)備，對Cr12MoV鋼采用低溫淬火低溫回火工藝，其熱處理工藝為：

加熱溫度計(jì)950℃×1.5h，油淬或分級(jí)淬火冷卻后，模具硬度60-62HRC，經(jīng)200℃回火后硬度58-60HRC。淬火后組織為板條狀馬氏體，其晶粒細(xì)小，耐磨性、沖擊韌度和抗彎強(qiáng)度較好。對于強(qiáng)韌性為主的冷作模具，采用低溫淬火工藝是較好的，而且變形較小。

如薄板下料模，采用以上低溫淬火工藝后，硬度、變形均滿足要求，并避免了模具早期崩裂失效，延長了模具的使用壽命。

9．W18Cr4V鋼模具（沖模）低淬火工藝

沖孔模采用W18Cr4V鋼制造，其熱處理工藝為：650℃預(yù)熱、850℃預(yù)熱（加熱系數(shù)按0.5min/mm計(jì)算），淬火加熱溫度1200℃（鹽浴爐加熱0.20min/mm），560℃等溫淬火后空冷，550℃×1h×3次回火，硬度58-61HRC，沖孔?？蓻_孔12000多件。較原工藝（高溫淬火+高溫回火）熱處理的沖孔模的使用壽命提高3倍以上。

10．T10A鋼儀表元件冷沖模熱處理

儀表元件沖模采用T10A鋼制造，其普通熱處理工藝：加熱溫度800℃，水淬油冷，回火溫度280℃，回火后硬度56-58HRC，可沖壓儀表元件5000次左右。

11．Cr12MoV鋼冷擠壓模具的不同淬火熱處理

根據(jù)模具失效形式采用不同的熱處理工藝：

1）冷擠壓模具以磨損失效為主要形式，則可采用1040-1100℃加熱淬火，520℃回火，即二次硬化熱處理工藝。

2）不銹鋼管接頭冷擠壓凸?；虬寄?，淬火溫度采用1020℃加熱，硝鹽冷卻，200℃回火二次，每次1.5-2h。

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