模具材料與熱處理

模具鋼及其熱處理

馬鵬飛

江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院

2010年7月2日2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院2第一章鋼的熱處理第一節(jié)概述第二節(jié)退火與正火第三節(jié)鋼的淬火第四節(jié)鋼的回火第五節(jié)鋼的表面淬火與化學(xué)熱處理2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院3第一節(jié)概述

1.熱處理：是將金屬在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，使其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得所需性能的工藝方法。

2.熱處理的作用：熱處理是機(jī)械制造工藝中一個(gè)不可缺少的組成部分。它是充分發(fā)揮金屬材料潛力，改善零件加工工藝性能，提高材料的使用性能，延長(zhǎng)零件使用壽命的有效手段。

3.熱處理的基本過程：包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)階段，右圖為熱處理工藝曲線。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院44.熱處理工藝方法熱處理普通熱處理表面熱處理特殊熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理火焰加熱感應(yīng)加熱(高、中、低頻)滲碳氮化碳氧共滲其他形變真空其他2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院5第二節(jié)退火和正火

退火和正火主要是消除前一道工序(如鑄造、鍛造、軋制、焊接等)所帶來的各種組織和性能上的缺陷，并為后一道工序(如切削加工、熱處理)做組織準(zhǔn)備，故也稱為預(yù)備熱處理。一、退火：將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，隨后緩慢冷卻（一般采用隨爐冷卻的方法）至室溫，以獲得接近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝方法。（一）退火的目的

1.降低鋼的硬度，提高鋼的塑性和韌性，以利于切削加工和冷變形加工。

2.細(xì)化晶粒，均勻組織和成分，改善鋼的性能，為以后的熱處理做組織準(zhǔn)備。

3.消除鋼中的殘余應(yīng)力，防止變形和開裂。（二）常用的退火方法按照鋼的成分和處理目的的不同，常用的退火方法可分為：完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火等。

1.完全退火：是將工件加熱至完全奧氏體化，隨后緩慢冷卻，獲得接近于平衡狀態(tài)組織的退火工藝。主要用于共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接件等。亞共析鋼完全退火后的組織為鐵素體加珠光體。過共析鋼在緩慢冷卻時(shí)，鋼中會(huì)析出網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的力學(xué)性能和切削加工性能變壞，故不宜采用完全退火。

2.球化退火：使鋼中碳化物球化而進(jìn)行的退火稱為球化退火。球化退火組織是呈球狀小顆粒的碳化物(或滲碳體)均勻地分布在鐵素體基體中?？梢越档陀捕?，改善工件的切削加工性，減少淬火時(shí)變形和開裂的傾向，淬火回火后能獲得細(xì)針馬氏體加粒狀滲碳體，提高工件力學(xué)性能。因此，工具鋼、軸承鋼等鍛軋后必須進(jìn)行球化退火。球化退火的加熱溫度只略高于Ac1以上20℃～30℃，例如T8～T13鋼為750℃～770℃，保溫足夠時(shí)間后緩慢冷卻至500℃以下出爐空冷。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院6

3.去應(yīng)力退火：為了消除工件因塑性變形加工、焊接、鑄造等工藝造成的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火稱為去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火的工藝是：將鋼加熱到略低于A1的溫度（一般為500～600℃），經(jīng)保溫后緩慢冷卻即可。在去應(yīng)力退火中。鋼的組織不發(fā)生變化，只是消除內(nèi)應(yīng)力。

4.均勻化退火：均勻化退火也叫擴(kuò)散退火。目的是為了消除晶內(nèi)的偏析，使成分均勻。均勻化退火的實(shí)質(zhì)是使合金元素的原子充分?jǐn)U散，所以均勻化退火的工藝特點(diǎn)足溫度高、時(shí)間長(zhǎng)。如高合金鑄件的退火溫度可達(dá)1100～1250℃，而保溫時(shí)間可達(dá)10～15h。二、正火：是將鋼加熱到Ac3或Accm以上，進(jìn)行完全奧氏體化后，然后在空氣中冷卻，以獲得接近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝方法。從實(shí)質(zhì)上講，正火是退火的一個(gè)特例。兩者只是轉(zhuǎn)變的過冷度不同，正火的冷卻速度快。正火只適用于碳素鋼及低、中合金鋼，而不適用于高合金鋼。正火的目的：

1.細(xì)化組織，消除熱加工中造成的缺陷，使組織正常化。

2.用于低碳鋼，可以提高硬度，改善切削加工性能。

3.用于中碳鋼，代替調(diào)質(zhì)處理，為高頻淬火做組織準(zhǔn)備，以減少調(diào)質(zhì)淬火時(shí)造成的變形，并且大大降低成本。

4.用于高碳鋼，可消除網(wǎng)狀滲碳體，便于球化退火。

5.對(duì)于性能要求不高時(shí)，可作為最終熱處理。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院7

三、退火與正火的選擇

1.從切削加工方面考慮：一般認(rèn)為，硬度在170～230HB范圍內(nèi)的鋼材，其切削加工性最好。作為預(yù)備熱處理，低碳鋼正火優(yōu)于退火，而高碳鋼正火后硬度過高，必須采用退火。

2.從使用性能上考慮：對(duì)于亞析鋼制的零件，正火處理比退火具有較好的力學(xué)性能。如果零件性能要求不高，可用正火作為最終熱處理。

3.從經(jīng)濟(jì)上考慮：正火比退火的生產(chǎn)周期短，成本低，操作方便，應(yīng)優(yōu)先采用正火。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院8第三節(jié)鋼的淬火

一、淬火的概念及目的

1.淬火是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時(shí)間，然后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻至室溫的熱處理工藝方法。

2.淬火的目的：主要是獲得馬氏體組織，為回火做組織準(zhǔn)備；獲得高硬度和耐磨性以及提高彈性和韌性，以達(dá)到強(qiáng)化材料的目的；使之具有某些特殊的物理和化學(xué)性能，如永磁性、耐蝕性和耐熱性等。二、淬火加熱溫度的選擇淬火加熱溫度選擇應(yīng)以得到成分均勻和晶粒細(xì)小的奧氏體；碳和其他合金元素充分溶解以保證較高的硬度和耐磨性；盡可能地降低氧化和脫碳以及淬火后變形和開裂的傾向；以獲得高的力學(xué)性能等為原則。

1.亞共析鋼：Ac3＋（30～50℃），為了得到細(xì)小的奧氏體，以便在淬火后得到細(xì)小的馬氏體組織。

2.共析鋼、過共析鋼：Ac1＋（30～50℃），為了淬火后能形成在細(xì)小馬氏體基體上均勻分布著細(xì)小滲碳體的組織。這種組織不僅耐磨性好，而且脆性也小。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院9

三、淬火介質(zhì)

1.常用的淬火冷卻介質(zhì)有水、鹽類水溶液以及油、熔鹽、空氣等。

2.對(duì)于臨界冷卻速度較大的碳鋼，必須采用冷卻能力較強(qiáng)的水及鹽類水溶液等介質(zhì)作為淬火介質(zhì)；而對(duì)于臨界冷卻速度較小的合金鋼，一般采用油作為冷卻介質(zhì)，以獲得最佳的淬火效果。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院10

四、鋼的淬透性及淬硬性

1.鋼的淬透性

a.淬透性：是指鋼在規(guī)定條件下淬火，所能獲得淬透層深度的能力。它反映了鋼在淬火時(shí)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的難易程度。

b.淬透性通?？捎门R界淬透直徑來表示。臨界淬透直徑是指鋼在某一種介質(zhì)中淬火，從表面到心部全部能淬透的最大直徑，用D0表示。

c.臨界冷卻速度越低，鋼的淬透性越好。如合金鋼的淬透性比碳鋼好。

d.淬透性是鋼的重要的熱處理性能之一，其主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

①淬透性好的鋼，淬火后截面上的組織均勻一·致，綜合力學(xué)性能好。

②淬透性好的鋼，冷卻時(shí)可以采用冷卻能力較弱的介質(zhì)淬火，以減少工件的變形和開裂，保證淬火質(zhì)量。

2.鋼的淬硬性

鋼的淬硬性是指鋼在理想條件下進(jìn)行淬火，能達(dá)到最大硬度的能力。鋼的淬硬性主要取決于含碳量，鋼的含碳量越大．其淬硬性越高。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院11

六、冷處理工件淬火冷卻到室溫后，繼續(xù)在o℃以下的一般制冷設(shè)備或低溫介質(zhì)中冷卻的熱處理工藝叫做冷處理。冷處理的目的主要是為了提高硬度和組織的穩(wěn)定性，以及提高鋼的磁性。

七、淬火缺陷

1.氧化和脫碳避免氧化和脫碳的方法主要有：預(yù)留足夠的加工余量；采用脫氧良好的鹽浴加熱；采用保護(hù)氣氛加熱；采用高溫短時(shí)間加熱等。采用可控氣氛加熱或在氮和惰性氣體等中性氣氛中加熱也是防止氧化脫碳的有效方法。

2.過熱及過燒鋼在淬火加熱時(shí)，由于加熱溫度過高或高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)，造成奧氏體晶粒顯著粗化的現(xiàn)象，稱為過熱。若加熱溫度達(dá)到固相線附近，晶界氧化并開始部分熔化的現(xiàn)象叫過燒。出現(xiàn)過熱的工件可以通過正火加以糾止，出現(xiàn)過燒，工件只能是報(bào)廢。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院12

3.淬火冷卻變形和開裂由于淬火時(shí)產(chǎn)生的淬火應(yīng)力，使工件的尺寸、形狀發(fā)生人們不希望的變化叫做淬火變形。當(dāng)應(yīng)力過大，越過強(qiáng)度極限時(shí)，在工件上會(huì)產(chǎn)生裂紋，稱為淬火開裂。

4.硬度不足和軟點(diǎn)鋼件淬火硬化后。表面硬度偏低的局部小區(qū)域稱為軟點(diǎn)。淬火工件整體硬度都低于淬火要求的硬度時(shí)稱為硬度不足。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院13第四節(jié)鋼的回火

一、回火的基本概念及目的

1.回火：是指鋼在淬火之后，再加熱至A1點(diǎn)以下某一個(gè)溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

2.回火的目的：

a.調(diào)整鋼的硬度和強(qiáng)度，提高鋼的韌性，獲得所需的性能；

b.消除淬火時(shí)的內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂；

c.穩(wěn)定組織和尺寸。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院14

二、回火時(shí)的組織及性能的變化

淬火鋼回火時(shí)的組織變化可分為四個(gè)階段：

1.馬氏體的分解（80～200℃）：在回火過程中，由過飽和程度降低的馬氏體，與極分散的碳化物所組成的混合物稱為回火馬氏體。

2.殘余奧氏體的分解（200～300℃）：當(dāng)鋼加熱溫度超過200℃時(shí)，殘余奧氏體開始分解，轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w或回火馬氏體；到300℃時(shí)，分解基本結(jié)束。

3.滲碳體的形成（300～400℃）：從馬氏體中分解出的碳化物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀的滲碳體(Fe3C)，鋼的內(nèi)應(yīng)力基本消除。

4.滲碳體的聚集和長(zhǎng)大：

a.在400～500℃回火時(shí)形成的組織，滲碳體的顆粒極細(xì)小，而數(shù)目較多，這種鐵素體和滲碳體的混合物稱為回火托氏體。

b.在500～600℃回火時(shí)形成的組織時(shí)，滲碳體較細(xì)小，均勻分布在鐵素體基體上，這種混合組織稱為回火索氏體。在回火加熱過程中，因組織發(fā)生了變化，鋼的性能也發(fā)生了改變，其趨勢(shì)是隨著加熱溫度的升高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，而塑性和韌性提高。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院15

三、回火工藝參數(shù)

回火工藝參數(shù)主要包括回火溫度、保溫時(shí)間以及回火后的冷卻等。

四、回火的分類及應(yīng)用根據(jù)回火溫度的不同，回火可以分為三類：

1.低溫回火(<250℃)：得到的組織是回火馬氏體。其性能是：具有高的硬度和耐磨性能，有一定的韌性。主要用于刀具、量具、拉絲模以及其他要求硬而耐磨的零件。

2.中溫回火(350～500℃)：得到的組織為回火托氏體。其性能是：具有較高的彈性極限、屈服點(diǎn)和適當(dāng)?shù)捻g性，硬度可達(dá)40～50HRC。主要用于彈性零件和熱鍛模。

3.高溫回火(>500℃)：得到的組織為回火索氏體。其性能是具有良好的綜合力學(xué)性能(足夠的強(qiáng)度與韌性相匹配)，硬度達(dá)25～40HRC。

生產(chǎn)中把淬火與高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。廣泛用于受力構(gòu)件，如螺栓、連桿、曲軸等的熱處理。與正火相比，不僅強(qiáng)度高，而且塑性、韌性遠(yuǎn)高于正火鋼。因此重要零件均采用調(diào)質(zhì)處理。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院16

五、回火脆性

1.回火脆性：淬火鋼回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，硬度降低而塑性提高。此時(shí)，鋼的韌性也應(yīng)隨之提高，但在某些溫度區(qū)間回火后，韌性反而大大降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆性。

2.第一類回火脆性（250～400℃）：又叫做“低溫回火脆性”或“不可逆回火脆性”。

3.第二類回火脆性（450～650℃）：又叫作“高溫回火脆性”或“可逆回火脆性“。淬火的合金鋼在450～650℃之間回火并慢冷之后，就出現(xiàn)這種脆性。重新在較高溫度回火并快冷，韌性又會(huì)提高。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院17第五節(jié)鋼的表面淬火及化學(xué)熱處理

一、鋼的表面淬火

表面淬火：是指不改變零件表面的化學(xué)成分，而只通過強(qiáng)化手段改變表面組織狀態(tài)的熱處理方法。表面淬火的目的：利用快速加熱方法將表面層奧氏體化，然后淬火，心部組織并不發(fā)生變化，表面獲得馬氏體的組織結(jié)構(gòu)，使心部具有足夠的塑性和韌性，表面獲得高的硬度和耐磨性。用于：中碳鋼、中碳低合金鋼、高碳工具鋼、鑄鐵等，硬度可比普通淬火高2～3HRC。通常：淬火前正火或調(diào)質(zhì)，淬火后低溫回火。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院18

1.火焰加熱表面淬火：是指采用氧－乙炔(或其他可燃?xì)怏w)火焰對(duì)零件表面進(jìn)行加熱，隨之快速冷卻的淬火工藝。表面加熱用的高溫火焰，是由兩種氣體混合后高速燃燒形成的。一種是氧化氣，主要有氧氣；另一種是燃料氣，主要有乙炔(C2H2)、丙烷(C3H3)、天然氣、液化石油氣等。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院19

2.感應(yīng)加熱表面淬火：感應(yīng)加熱表面淬火是以交變電磁場(chǎng)作為加熱介質(zhì)，利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面受到局部加熱，并進(jìn)行快速冷卻的淬火方法。感應(yīng)加熱淬火的特點(diǎn)：

1)加熱速度快。加熱到淬火溫度僅需要幾秒到幾十秒的時(shí)間。

2)淬火質(zhì)量好。加熱迅速，奧氏體晶粒細(xì)小。獲得細(xì)針馬氏體，硬度比普通淬火的高2～3HRc。

3)淬硬層深度易于控制。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院20

二、鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理：是將工件置于一定溫度的化學(xué)活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變工件表層的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理的基本過程：

a.分解：介質(zhì)在一定的溫度下發(fā)生化學(xué)分解，產(chǎn)生滲入元素的活性原子。

b.吸收：活性原子被工件表面吸收。

c.擴(kuò)散：滲入的活性原子，由表面向中心擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院21

1.鋼的滲碳將工件在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。滲碳的目的：提高鋼件表層的含碳量和形成一定的碳濃度梯度。滲碳工件經(jīng)淬火及低溫回火后，表面獲得高硬度，而其內(nèi)部又具有高韌性。滲碳零件必須采用低碳鋼或低碳合金鋼來制造。主要用于承受較大沖擊載荷和嚴(yán)重磨損的零件，表面硬度一般可達(dá)57～65HRC左右。

2.鋼的滲氮在一定溫度下（一般在Ac1溫度以下），使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮。滲氮的目的：能使工件比滲碳獲得更高的表面硬度、耐磨性、熱硬性和疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還提高工件的抗腐蝕性能。常用的滲氮方法是氣體滲氮。

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3.碳氮共滲

4.離子滲氮

離子滲氮是將工件放在真空容器中，充入低壓(133～1333Pa)氮?dú)夂桶睔獾幕旌蠚猓⒃陉枠O和陰極之間加上上百伏的電壓，使兩極間的氣體放電而電離，利用高能粒子束對(duì)工件進(jìn)行轟擊并對(duì)工件進(jìn)行加熱，從而在工件表層滲入氮原子的化學(xué)熱處理方法。離子滲氮具有滲氮速度快；滲層容易控制；滲氮層脆性小、致密性好，可直接使用；零件變形小并可使工件保持足夠的心部強(qiáng)度和較高的承載能力；節(jié)約能源，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但設(shè)備復(fù)雜，滲氮時(shí)間不易控制等缺點(diǎn)。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院23第二章模具鋼及其熱處理

第一節(jié)冷作模具鋼及其熱處理

第二節(jié)熱作模具鋼及其熱處理

第三節(jié)塑料模具鋼及其熱處理2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院241.冷作模具鋼及其熱處理

冷作模具鋼用于制造使金屬在冷態(tài)下變形的模具，如沖裁模、拉絲模、彎曲模、拉深模等，有時(shí)還用于制造其他工具(如剪刀片等)。這類模具工作時(shí)的實(shí)際溫度一般不超過200～300℃。

（1）冷作模具鋼的性能要求

冷作模具在冷態(tài)下工作，被加工材料的變形抗力較大，模具的刃口部分受到強(qiáng)烈的摩擦和擠壓，因此冷作模具鋼需滿足以下性能要求。

①高的硬度和耐磨性，工作時(shí)保持鋒利的刃口；

②較高的強(qiáng)度和韌性，工作時(shí)刃部不易崩裂或塌陷；

③較好的淬透性，保證淬火態(tài)有較高的硬度和一定的淬透深度；

④較好的加工工藝性能，熱處理變形小，在復(fù)雜斷面上不易淬裂。2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院25

（2）冷作模具鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)

①高碳：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1％左右，個(gè)別達(dá)2.0％，以保證高硬度和高耐磨性。

②高合金：常用的合金元素有Cr、Mn、Mo、W、V等。Mn、Cr等能提高淬透性，碳化物形成元素能形成難溶碳化物，細(xì)化晶粒、提高耐磨性。

1.冷作模具鋼及其熱處理2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院26

（3）常用冷作模具鋼及其熱處理冷作模具鋼使用的鋼材分為：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高鉻及中鉻模具鋼、基體鋼、高速鋼等。

①碳素工具鋼和低合金工具鋼：碳素鋼一般選用高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，以改善模具的韌性。對(duì)耐磨性要求較高、不受或受沖擊較小的可選用T13A、T12A；對(duì)受較大沖擊的模具則應(yīng)選擇T7A、T8A；而對(duì)耐磨性和韌性均有一定要求的模具(如冷鐓模)可選擇T10A。優(yōu)點(diǎn)是加工性能好、成本低；缺點(diǎn)是淬透性低、耐磨性欠佳、淬火變形大、使用壽命低。故一般只適合制造尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、精度低的輕負(fù)荷模具。

低合金工具鋼常用的鋼號(hào)有9Mn2V、9SiCr、CrWMn和滾動(dòng)軸承鋼GCrl5。優(yōu)點(diǎn)是低合金工具鋼具有較高的淬透性、較好的回火穩(wěn)定性、較好的耐磨性和較小的淬火變形，綜合力學(xué)性能較好。缺點(diǎn)是網(wǎng)狀碳化物傾向較大，因韌性不足而可能導(dǎo)致模具的崩刃或折斷等早期失效。常用于制造尺寸較大、形狀較復(fù)雜、精度較高的低中負(fù)荷模具。

1.冷作模具鋼及其熱處理2024/10/15江蘇大學(xué)機(jī)電培訓(xùn)學(xué)院27

（3）常用冷作模具鋼及其熱處理

①碳素工具鋼和低合金工具鋼熱處理工藝包括球化退火、淬火與低溫回火。由于模具尺寸大、精度要求高，為增加淬透層深度，適當(dāng)提高淬火溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間。加熱溫度一般提高10～30℃。采用緩慢升溫或分級(jí)預(yù)熱，以防變形。變形要求嚴(yán)格，厚度＜35mm碳素鋼模具和厚度＞35mm的低合金模具鋼，可采用堿液分級(jí)淬火。

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（3）常用冷作模具鋼及其熱處理

②高鉻和中鉻冷作模具鋼：是一種專用的冷作模具鋼，具有更高的淬透性、耐磨性和承載強(qiáng)度，且淬火變形小，廣泛用于尺寸大、形狀復(fù)雜、精度高的重載冷作模具。高鉻模具鋼Crl2型常用的有三個(gè)牌號(hào)：Crl2和Crl2MoV、Crl2Mo1V1。Crl2鋼的ωC高達(dá)2.0％～2.3％，屬萊氏體鋼。它具有優(yōu)良的淬透性和耐磨性，但韌性較差，多用于小動(dòng)載條件又要求高耐磨或形狀簡(jiǎn)單的拉伸模和沖裁模，在正確設(shè)計(jì)的情況下可以沖壓厚度小于6mm的鋼板。Crl2MoV和Crl2Mo1V1的ωC降至1.45％～1.70％和1.40％～1.60％。它們有相似的性能和較好的淬透性，在保持Crl2鋼優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，其韌性得以改善，具有一定的熱硬性，在用于對(duì)韌性不足而易于開裂、崩刃的模具上，已取代Crl2鋼；若要求具有好的抗回火穩(wěn)定性時(shí)，則宜選擇鉬和釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的Crl2Mo1V1鋼。高碳高鉻型鋼是一種萊氏體鋼，鍛造與預(yù)備熱處理方式與高速鋼相似，退火后的硬度低于255HBW。

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（3）常用冷作模具鋼及其熱處理熱處理工藝：

a.一次硬化法：采用較低的溫度淬火，再低溫回火。Crl2MoV鋼導(dǎo)熱性差，淬火前通常進(jìn)行兩次預(yù)熱。溫度分別為：400～500℃和800～850℃，淬火溫度為：1030～1050℃。Crl2鋼只采用一次硬化法，淬火溫度為950～980℃，回火溫度為180～200℃，保溫時(shí)間為2～3h。一次硬化處理使鋼具有高的硬度和耐磨性，較小的熱處理變形。大多數(shù)Crl2鋼制冷作模具均使用此工藝。

b.二次硬化法：高溫下淬火，再多次高溫回火，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，達(dá)到二次硬化。Crl2MoV鋼的淬火溫度為1080～1120℃，回火溫度為500～520℃，每次1h，回火次數(shù)為3～4次。這樣能獲得高硬度和高熱硬性，但韌性降低，尺寸會(huì)漲大。中鉻模具鋼是針對(duì)Crl2型高鉻模具鋼中碳化物多而粗大，且分布不均勻的缺點(diǎn)發(fā)展起來的鋼種。典型的牌號(hào)有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MolV，其中Cr4W2MoV使用較多。此類鋼的ωC進(jìn)一步降至1.0％～1.25％，突出的優(yōu)點(diǎn)是形成的碳化物細(xì)小且呈均勻分布狀態(tài)，韌性明顯改善，熱處理變形小，綜合力學(xué)性能較佳。可用于代替Crl2型鋼制造易崩刃、開裂與折斷的冷作模具，其壽命大幅度提高。

Cr6WV鋼的淬火溫度為960～980℃，熱油淬火。由于這種鋼的淬火開裂傾向比高碳高鉻鋼大，所以在熱處理時(shí)應(yīng)注意預(yù)熱和熱介質(zhì)淬火，并及時(shí)回火?；鼗饻囟仍?60～200℃，保溫時(shí)間為1.5～3h。

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（3）常用冷作模具鋼及其熱處理

③基體鋼和低碳高速鋼類冷作模具鋼:對(duì)要求高耐磨性的模具(如某些冷擠壓的沖頭)也有采用高速鋼來制造的，為提高它的韌性而研究發(fā)展了基體鋼，基體鋼中共晶碳化物數(shù)量少且細(xì)小均勻，韌性也相對(duì)提高了。近年來研制的基體鋼是以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2鋼的基體成分為基礎(chǔ)發(fā)展改性的。其中含鎳基體鋼6Cr4Mo3Ni2WV的強(qiáng)度和斷裂韌度都較高，但其熱加工時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)裂而報(bào)廢，生產(chǎn)成本高。含鈦基體鋼中6W8Cr4VTi有較高的硬度、強(qiáng)度和高溫性能以及回火穩(wěn)定性，多用于冷沖切邊模具等。而6Cr5Mo3W2VSiTi則相對(duì)有較好的強(qiáng)韌性，多用于承受沖擊載荷較大的冷擠壓冷沖壓模具。6Cr4W3Mo2VNb和6W6Mo5Cr4V鋼有較好的加工工藝性、高強(qiáng)度及較好的韌性，且耐磨性也好，一般多用于要求高強(qiáng)韌性的冷擠壓模和冷沖模?；w鋼具有更加優(yōu)良的強(qiáng)韌性，不僅可用做冷作模具鋼，也可用做熱作模具鋼。由于低碳高速鋼(如6W6Mo5Cr4V等)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)或合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，碳化物數(shù)量減少且均勻性提高，使鋼的強(qiáng)韌性明顯改善，常用于高沖擊載荷下要求耐磨損的模具。

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（4）典型冷作模具的選材與熱處理工藝

沖制硅鋼片凹模的工作條件、性能要求、選材、熱處理工藝

①工作條件及性能要求：工作時(shí)要承受強(qiáng)大的剪切力、壓力、沖擊力及摩擦力，其表面應(yīng)有高硬度、高耐磨性、良好的疲勞強(qiáng)度和足夠的韌性。為保證凹、凸模的刃口部分配合精確，熱處理變形要小。碳鋼的耐磨性及熱處理變形性能無法滿足上述要求。低合金鋼雖能滿足變形小的要求，但耐磨性欠缺。高碳高鉻鋼Crl2MoV具有耐磨性高、熱處理變形小的特點(diǎn)，故選用制造凹模。

②加工路線：鍛造、球化退火、粗加工、淬火、回火、電加工成形。

③熱處理工藝

a.預(yù)熱工藝：為減少變形，縮短高溫淬火加熱時(shí)間，進(jìn)行兩次預(yù)熱。第一次加熱溫度650～680℃，保溫時(shí)間1.5～2h，然后空冷。第二次加熱溫度500～550℃，保溫時(shí)間1h，隨后進(jìn)行淬火加熱。

b.淬火工藝：加熱溫度1020～1040℃，保溫時(shí)間10min，出爐預(yù)冷片刻，淬入140～150℃熱油中，待凹模冷至300℃時(shí)，出油空冷。

c.回火工藝：回火溫度200～220℃，保溫時(shí)間2h，進(jìn)行兩次回火。

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熱作模具鋼用于制造加熱到再結(jié)晶溫度以上的金屬或液態(tài)金屬壓制成工件的模具。如鍛壓模、熱擠壓模、壓鑄模等，工作溫度可達(dá)600℃。

（1）熱作模具鋼的性能要求：在受熱和冷卻條件下工作，同時(shí)承受熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用，因此熱作模具鋼需滿足以下性能要求。

①在使用溫度下具有良好的硬度、強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，防止模具變形。

②較高的韌性。很多熱作模具，特別是鍛錘用模具，要承受較高的沖擊載荷，為防止模具開裂和裂紋擴(kuò)展造成事故，要求具有較高的沖擊韌度和斷裂韌度。

③良好的抗熱疲勞性能：很多熱作模具鋼都是在周期性的溫度急劇變化下服役的，在模具表面產(chǎn)生應(yīng)力。為了防止模具表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，要求模具鋼具有良好的抗熱疲勞能力。

④化學(xué)穩(wěn)定性：熱作模具在較高的溫度下工作，和空氣、液態(tài)金屬或其他介質(zhì)接觸，要求模具鋼具有良好的抗氧化性能或抗液態(tài)金屬?zèng)_蝕性能。

⑤較好的工藝性：為便于制造模具，要求熱作模具鋼具有良好的鍛造性、切削加工性、焊接性和熱處理變形小等性能。

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（2）化學(xué)成分特點(diǎn)

合金熱作模具鋼C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3％～0.6％之間，屬中碳合金工具鋼。這樣C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可保證經(jīng)中、高溫回火后獲得優(yōu)良的強(qiáng)度與韌度。主加合金元素有Cr、Ni、Si、Mn等，其主要作用是提高鋼的淬透性和強(qiáng)化鐵素體，以提高強(qiáng)度及抗熱疲勞性能；輔加元素有W、V等，主要作用是細(xì)化晶粒，提高鋼的回火穩(wěn)定性；Mo主要用來防止產(chǎn)生第二類回火脆性及提高回火穩(wěn)定性。

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（3）常用熱作模具鋼及其熱處理

a.按模具的用途可分為：熱鍛模用鋼、熱擠壓模用鋼和壓鑄模用鋼。

b.熱鍛模對(duì)韌度要求高而對(duì)熱硬性要求不太高，典型鋼種有5CrMnMo和5CrNiMo鋼。這兩種鋼的性能基本相同，但Mn在改善韌度方面比Ni差，因此5CrMnMo鋼只適于制造中小型熱鍛模，而5CrNiMo鋼則適用于制造大型熱鍛模。

c.熱壓模受的沖擊載荷較小，但對(duì)熱硬性要求高，常用鋼種有3Cr2W8V鋼等。

d.預(yù)先熱處理是鍛造后的球化退火，目的是為了消除鍛造應(yīng)力、降低硬度、改善切削加工性，以及改善組織、細(xì)化晶粒等。

e.最終熱處理是淬火后進(jìn)行高溫回火，以使基體獲得回火托氏體或回火索氏體組織而保證有較高的韌度。此外，鋼中W、Mo、V等合金元素使在回火時(shí)析出細(xì)小的合金碳化物而產(chǎn)生二次硬化，使熱作模具鋼在較高溫度下保持較高的硬度。

f.3Cr2W8V鋼的熱處理與高速鋼相似，為達(dá)到二次硬化效果，采用較高的淬火溫度，經(jīng)3～4次回火，析出彌散分布的特殊碳化物，并使殘余奧氏體充分轉(zhuǎn)變。

g.熱作模具鋼球化退火組織為：球狀珠光體和粒狀碳化物，硬度在190～250HBS之間。淬火、回火后的組織為：回火托氏體或索氏體組織和均勻分布的細(xì)小碳化物，硬度一般在30HRC以上，有的鋼種(如3Cr2W8V鋼)可達(dá)到50HRC以上。

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（4）典型熱作模具的熱處理工藝

①熱鍛模具的熱處理工藝小熱鍛模一般先切削加工后淬火、回火，這是由于其形狀簡(jiǎn)單，冷卻快，硬度高，因而不擬淬火、回火后再切削加工。大、中型熱鍛模一般先粗加工，再淬、回火及精加工。熱鍛模的加工工藝路線一般為：鍛造、退火、機(jī)械加工、淬火、回火。

a.鍛造：為消除軋材組織的方向性，使其性能盡可能均勻，模具坯料要進(jìn)行至少2～3次的拔長(zhǎng)和鐓粗。5CrNiMo和5CrMnMo鋼的鍛造加熱溫度為1150～1180℃，終鍛溫度為850～880℃。鍛造后緩冷，以防產(chǎn)生白點(diǎn)和形成馬氏體。大型模具應(yīng)放入600℃爐內(nèi)，等溫均勻后，再冷至150～200℃，然后空冷。

b.退火：為細(xì)化組織，消除鍛造應(yīng)力，降低硬度，便于加工，可進(jìn)行退火處理或高溫回火。5CrNiMo和5CrMnMo的退火加熱溫度為830～850℃，保溫時(shí)間為4～6h，退火后硬度為197～241HBS。

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（4）典型熱作模具的熱處理工藝

①熱鍛模具的熱處理工藝

c.淬火：預(yù)熱溫度為500～600℃，時(shí)間為6min/mm。

5CrNiMo的常用淬火溫度是840～860℃，5CrMnMo鋼是830～850℃。由于熱鍛模具鋼淬透性好，可采用油冷、硝鹽分級(jí)或等溫淬火，最常用的是油冷。為減少淬火內(nèi)應(yīng)力和變形，鍛模從爐內(nèi)取出后，在空氣中預(yù)冷至750～780℃，然后淬油。中、小型模具預(yù)冷約5～15min；大型鍛模約20～40min。為保證淬火質(zhì)量，淬火油采用循環(huán)冷卻，油溫不超過70℃。冷至150～200℃，立即回火，絕不允許冷至室溫。

d.回火：回火溫度根據(jù)其性能要求來確定。鍛模淬火后的應(yīng)力很大，直接裝入回火爐加熱，容易引起開裂，所以經(jīng)常先在350～400℃加熱后，再緩慢升溫到回火溫度?；鼗饡r(shí)間一般不小于2h。

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（4）典型熱作模具的熱處理工藝

②壓鑄模的熱處理工藝壓鑄模具鋼分為兩類：一類是壓鑄較低熔點(diǎn)金屬的模具用鋼，如：鋅合金壓鑄模通常選用30CrMnSi、40Cr、50CrMnMo等低合金鋼制造，鎂合金壓鑄模通常選用3Cr2W8V鋼制造；另一類是壓鑄高熔點(diǎn)金屬的模具用鋼，如銅合金、黑色金屬的壓鑄模具常用3Cr2W8V鋼制造。

3Cr2W8V鋼是常用于制造鋁合金和銅合金的壓鑄模。鋼含碳量不高，導(dǎo)熱性好、韌性高。W的加入可提高回火穩(wěn)定性，使鋼具有較高的熱硬性和熱強(qiáng)性。Cr可以提高淬透性和抗氧化性。V可以細(xì)化晶粒、改善韌性，增強(qiáng)二次硬化的效果。

a.預(yù)備熱處理：3Cr2W8V鋼鍛造后采用等溫退火，加熱溫度為830～850℃，保溫后冷至720～740℃，等溫3～4h，然后冷至550℃出爐，退火后組織為：珠光體+碳化物。對(duì)于形狀復(fù)雜、變形不容易控制的壓鑄模，在粗加工后、精加工前需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以達(dá)到細(xì)化晶粒，改善性能，為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。

b.最終熱處理：采用1050～1100℃的淬火加熱溫度。為減少變形，一般采用400～500℃及800～850℃兩次預(yù)熱。用于壓鑄高熔點(diǎn)金屬的模具，可以選用1100～1050℃進(jìn)行淬火。3Cr2W8V鋼淬透性好，一般用油冷。對(duì)于形狀復(fù)雜的模具必須采用分級(jí)或等溫淬火?；鼗饻囟瓤筛鶕?jù)硬度要求來確定，保溫