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上加入不同元素的合金鋼，機械性能優(yōu)良，常用作模具材料(文中稱(chēng)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(guò)程中常出現的問(wèn)題等內容。
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，機械生產(chǎn)中常選用碳素工具鋼來(lái)制造模具。
碳素工具鋼組織中常出現網(wǎng)狀碳化物沿晶界析出、碳化物偏析分布、出現魏氏組織和游離態(tài)石墨析出等組織缺陷。具體表現為：
�、倬W(wǎng)狀碳化物沿晶界析出，主要是由于鍛造時(shí)，終鍛溫度過(guò)高而冷卻速度緩慢，導致二次碳化物沿奧氏體晶界析出，并逐漸生長(cháng)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。
�、谔蓟锲龇植�，是由于冶金質(zhì)量不佳，澆注工時(shí)不恰當，導致大量的粗大樹(shù)枝晶組織出現，在樹(shù)枝晶之間最后凝固的區域，附集著(zhù)碳和鐵等溶質(zhì)元素，凝固后析出的大量碳化物聚集著(zhù)，在鍛軋過(guò)程中它逐步沿熱加工方向延伸成帶狀，而鍛造時(shí)，未能有效地予以消除，熱處理時(shí)沒(méi)有采取更為有效的措施，致使碳化物呈偏析分布。
�、鄢霈F魏氏組織，是由于終鍛溫度過(guò)高而冷卻速度極為緩慢，導致二次碳化物沿奧氏體晶界析出的同時(shí)向奧氏體晶粒內部生長(cháng)，并呈耙齒狀楔入奧氏體晶粒內部。
�、苡坞x態(tài)石墨析出，是由于鋼中的Si、Al、Mo元素含量過(guò)高，促使C以石墨形式析出;或是熱處理時(shí)加熱時(shí)間過(guò)長(cháng)，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(guò)大，導致顯微裂紋滋生，誘導附近的Fe3C分解時(shí)C以石墨形式析出。
大多數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(lái)可以防止由于組織應力和熱應力產(chǎn)生裂紋，再者，對于那些易產(chǎn)生白點(diǎn)的鋼種，可以預防白點(diǎn)的產(chǎn)生，另外，還可以通過(guò)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：去應力退火、完全退火和不完全退火、去氫退火、高溫擴散退火等。 擴散退火處理是近些年來(lái)比較實(shí)用的改善鋼錠顯微偏析的方法，擴散退火的溫度通常在A(yíng)c3(Acm)以上150~360℃的范圍內進(jìn)行，溫度過(guò)高對萊氏體鋼很容易過(guò)燒。一般合金鋼的擴散溫度在1200~1280℃，一般與鋼種有關(guān)系。另外，擴散需要較長(cháng)的時(shí)間。 對于大多數用作模具的鋼錠，退火的目的是消除組織應力和熱應力，以防止鋼錠在較長(cháng)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，不能完全消除內應力，在存放的過(guò)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，均應及時(shí)退火，否則易發(fā)生炸裂，尤其是在寒冷地區的冬季。
經(jīng)過(guò)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，所以對模具鋼除對退火硬度的要求外，對模具鋼退火后的珠光體球化級別、碳化物網(wǎng)狀、帶狀等均有較嚴格的要求。對鋼材的退火溫度、冷卻速度和保溫時(shí)間都應仔細研究。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(guò)控制加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等工藝參數，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化、晶界強化和位錯強化。而碳化物數量的增加，碳化物彌散分布都相應提高鋼的退火硬度。在冶金廠(chǎng)一般采用等溫退火或連續退火，從本質(zhì)上講，沒(méi)有區別。但在等溫時(shí)，一定要注意等溫溫度。連續退火時(shí)一般冷卻速度不要超過(guò)30℃/h。
模具鋼經(jīng)調質(zhì)處理的回火后常見(jiàn)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(shuō)明爐溫不均勻，需從爐溫著(zhù)手改善�；兪怯捎趹υ诨鼗疬^(guò)程中重新分布引起的，鑒于此，對扁平、細長(cháng)模具要采用加壓回火或趁熱校直等方法彌補。 回火脆性是模具鋼在某一溫度區間回火后，沖擊韌度顯著(zhù)下降的現象。對于碳素鋼在200~400℃內回火，室溫沖擊韌度出現低谷，而對于合金鋼則在250 ~450℃之間出現低谷。在這一溫度區間出現的回火脆性，常稱(chēng)為第一回火脆性或低溫回火脆性。一般出現后很難消除，防止的辦法就是避開(kāi)在這一溫度區間內回火。除此之外，某些合金模具鋼在350~525℃內回火或在稍高溫度下回火后緩慢冷卻，也會(huì )出現室溫沖擊韌度顯著(zhù)下降，在這一溫度區間出現的回火脆性，常稱(chēng)為第二回火脆性或高溫回火脆性。第二回火脆性出現后，可通過(guò)在此溫度重新加熱，快速冷卻來(lái)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)內層比容變化大于表層，在表層形成多向拉應力而產(chǎn)生的。另外回火時(shí)表層加熱速度過(guò)快，產(chǎn)生表層快速優(yōu)先回火而形成表層多向拉應力，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)調質(zhì)處理，因為不經(jīng)淬火，模具心部的強度、硬度較低，不能滿(mǎn)足使用要求，同時(shí)使滲層與心部之間產(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，要對模具進(jìn)行調質(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，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度的同時(shí)，又獲得良好的韌性。再者，氮化前調質(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(zhù)在α相基礎上形成γ′相，再接著(zhù)是在γ′的基礎上形成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度、硬度與耐磨性，無(wú)需再經(jīng)淬火處理。
總之，未來(lái)的機械行業(yè)對模具的需求將會(huì )越來(lái)越多，那么對模具鋼的要求將會(huì )越來(lái)越高，這就需要我們對模具材料的種類(lèi)、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新的成型技術(shù)的出現和發(fā)展。
參考文獻：
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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