通常模具用鋼都采用合金工具鋼、碳素工具鋼和高速工具鋼，其淬火后的組織重要是孿晶的亞結(jié)構(gòu)，有顯微裂紋的高碳針狀、片狀馬氏體。由于含碳量較高，碳化物形成元素較多，鋼中不可避免的會存在網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀碳化物，往往造成模具在應(yīng)用中脆性斷裂。由于低碳馬氏體亞結(jié)構(gòu)是位錯，具有較高的強度(硬度為45HRC～50HRC，屈服強度為1000MPa～1300MPa)、良好的塑性(δ5≥10%，ψ≥40%)和韌性(AKV≥59J)以及良好的冷加工性、可焊性和熱處理畸變小等長處。因此，如何使模具鋼的淬火組織中得到更多的、甚至全部低碳馬氏體，是提高模具強韌性、延伸模具應(yīng)用壽命的關(guān)鍵。目前發(fā)展方向是低碳結(jié)構(gòu)鋼的淬火組織盼看得到全部板條馬氏體，以保證高的強韌性；對高碳鋼偏向于下降碳含量或盡量下降淬火溫度來減少孿晶馬氏體數(shù)目，以保證材料的韌性；對中碳合金鋼則偏向于采用高溫淬火，得到較多或全部低碳馬氏體組織，來提高斷裂韌性。低碳馬氏體在塑料模具中的利用
1低碳馬氏體滲碳型塑料模具鋼
低碳鋼、低碳合金鋼模具在成形落后行滲碳、淬火和低溫回火，使模具表面得到高碳細針狀回火馬氏體+顆粒狀碳化物+少量殘留奧氏體，心部組織重要為低碳馬氏體。從而保證了模具表面具有高硬度(58HRC～62HRC)、高耐磨性，而心部具有較高的強韌性(30HRC～45HRC)，用于制作各種請求耐磨性良好、外形復(fù)雜、蒙受載荷較高的塑料成形模具。
2超低碳冷擠壓成型塑料模具鋼
國外廣泛利用超低碳鋼冷擠壓成型工藝方法制作塑料模具。由于需要冷擠壓成型，除碳含量較低外，經(jīng)軟化退火后，硬度較低(≤160HBS，擠壓復(fù)雜型腔時≤130HBS)，特別合適于冷塑性變形。這類鋼在冷擠壓成型落后行滲碳、淬火、回火。因此具有生產(chǎn)效率高、制作周期短、模具精度高級長處。典范的鋼種有美國P系列低碳模具鋼、德國X6CrMo4鋼(≤0.07%C，質(zhì)量分數(shù)，下同)和國產(chǎn)LJ-08Cr3NiMoV鋼(≤0.08%C)。
3低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)強韌性型塑料模具鋼
低碳馬氏體鋼包含低碳碳素鋼和低碳合金鋼經(jīng)低碳馬氏體強烈淬火處理后，得到強韌性較高的低碳馬氏體組織，代替中碳鋼調(diào)質(zhì)處理或低碳鋼滲碳、滲氮處理，實用制作各種塑料模具，可明顯縮短模具制作周期，下降制作本錢，提高應(yīng)用壽命，在塑料模具熱處理中廣泛利用。
4低碳馬氏體時效硬化型塑料模具鋼
(1)低碳馬氏體時效硬化鋼
該鋼具有較高的屈強比，良好的切削加工和焊接性能和熱處理工藝簡略等長處。典范鋼種是超低碳18Ni鋼系列(≤0.03%C)，由于18Ni鋼價格昂貴，在國內(nèi)很少應(yīng)用。近年來開發(fā)的06Ni6CrMoVTiAl(簡稱06鋼，≤0.06%C)，屬低鎳、低碳馬氏體時效硬化鋼。該鋼經(jīng)800℃～880℃加熱，水或油冷卻固溶處理，(500～540)℃×(4～8)h時效處理后的組織為低碳馬氏體+析出強化相Ni3Al、Ni3Ti、TiC和TiN，硬度為42HRC～45HRC，屈服強度1100MPa～1400MPa。06鋼通常用來制作的收錄機磁帶盒模具，其均勻壽命>110萬件，是一種有發(fā)展前途的鋼種。
(2)國產(chǎn)低碳馬氏體析出(沉淀)硬化鋼
典范鋼種為25CrNi3MoAl和10Ni3MnCuAl(簡稱PMS)，實用于制作對變形率請求<0.05%，鏡面請求或表面請求光刻花紋工藝的精密鏡面塑料模具。其中25CrNi3MoAl鋼經(jīng)830℃固溶處理后，硬度可達50HRC，540℃×4h時效處理后，硬度為39HRC～42HRC；PMS鋼經(jīng)870℃×1h固溶處理，510℃×4h時效處理后金相組織為低碳馬氏體基體上彌散散布大批渺小金屬間化合物，其硬度為40HRC～43HRC，抗拉強度為1000MPa～1300MPa。
5低碳馬氏體耐蝕型塑料模具鋼
(1)低碳馬氏體不銹鋼
重要鋼種為2Cr13鋼(0.16%～0.25%C)和1Cr17Ni2鋼(0.11%～0.17%C)，實用于制作在腐化介質(zhì)作用下的塑料模具，透明塑料制品模具。
(2)低碳馬氏體析出(沉淀)硬化型不銹鋼
典范鋼種為國產(chǎn)07Cr16Ni4Cu3Nb鋼(≤0.07%C，簡稱CR)，該鋼經(jīng)1050℃淬火后獲得單一的低碳馬氏體組織，硬度為32HRC～35HRC，可以直接進行切削加工；經(jīng)460℃～480℃時效處理后，硬度為42HRC～44HRC，良好的力學(xué)性能和抗蝕性。例如聚三氟氯乙烯閥門蓋模具，原采用45鋼鍍鉻處理模具，應(yīng)用壽命為1000～4000件，后改用低碳馬氏體PCR鋼，壽命可達10000～20000件。
低碳馬氏體在冷作模具中的利用
1低碳鋼冷作模具的低碳馬氏體強烈淬火
一些國家已在冷作模具鋼尺度中列進了低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)，例如在ISO4957.1999《冷作合金工具鋼》中有下列鋼種：5CrMo4鋼(≤0.07%C)、7CrMoNi2鋼(≤0.10%C)、20Cr13鋼(0.16%～0.25%C)；德國工具鋼種：21MnCr5鋼(0.16%～0.24%C)、X6CrMo4鋼(≤0.07%C)、15NiCr18鋼(0.10%～0.17%C)。
國內(nèi)也有不少利用低碳馬氏體鋼強烈淬火工藝制作冷作模具的實例。
(1)20鋼鋸齒鎖緊墊圈沖模該冷沖模用于沖壓65Mn鋼帶(179HBS～217HBS)。原采用T10鋼(48HRC～50HRC)，應(yīng)用壽命<1500次；后采用Cr12MoV鋼(48HRC～50HRC)，應(yīng)用壽命3000次；而采用20鋼(46HRC～48HRC)，應(yīng)用壽命高達3～4萬次，其處理工藝為：(910±10)℃加熱，10%NACL鹽水冷卻，不回火直接應(yīng)用，而且本錢低廉。
(2)Q235鋼剪板機刀片螺栓鍛件胎模沖頭曾選用GCr15、9SiCr、T8及45鋼，由于工件有咬模、粘?，F(xiàn)象產(chǎn)生，鍛坯很難從模具中沖出，致使沖頭產(chǎn)生塑性變形、曲折和斷裂，壽命較短，每10件沖頭約沖螺栓800～1200件；而采用Q235鋼做沖頭材料，經(jīng)950℃×5min鹽爐加熱，10%NACL鹽水冷卻淬火后不回火直接應(yīng)用，硬度為36HRC～40HRC，每10件沖頭能沖螺栓2000件以上，而且失效情勢為塑性變形，打消了沖頭應(yīng)用中碎裂現(xiàn)象，保證了把持者的人身安全。
(3)20CrMnTi鋼壓抑鋁套冷擠壓模D16、D20型壓抑鋼絲繩鋁套冷擠壓模原采用CrWMn鋼淬火回火后，硬度為45HRC～50HRC，盡管硬度請求在冷擠壓模中較低，但是由于CrWMn鋼碳化物不均勻性比擬嚴重，很難避免網(wǎng)狀、帶狀碳化物，因此造成崩刃、開裂而早期失效，應(yīng)用壽命僅為1000多件，有的僅幾百件甚至幾十件。選用20CrMnTi鋼制作D16、D20鋁套冷擠壓模，經(jīng)950℃加熱鹽水淬火后，不回火直接應(yīng)用，模具硬度為46HRC～48HRC，壓抑鋁套2000多件，仍在持續(xù)應(yīng)用。
(4)20Cr鋼冷作模具該鋼經(jīng)滲碳淬火表面強化處理后，可使模具表面獲得細針狀回火馬氏體，硬度為58HRC～62HRC；心部獲得低碳馬氏體組織，硬度35HRC～40HRC，基體強韌性高，可滿足冷作模具高硬度、高強度、高韌性的應(yīng)用性能請求。例如，汽車軟管鋅合金接頭八角模沖頭，硬度請求58HRC～62HRC。原采用Cr12MoV鋼制作的八角模的壽命很短，往往不到2000件就斷裂；把沖頭材料換成20Cr鋼并經(jīng)滲碳處理后，滲層深1.0mm～1.2mm，硬度為60HRC～62HRC，應(yīng)用壽命提高到3萬件。
2中碳合金鋼冷作模具的低碳馬氏體高溫淬火
對于中碳合金鋼冷作模具，可以通過提高奧氏體化溫度，使奧氏體晶粒更加均勻細化，碳含量趨于減少，Ms點升高，從而獲得更多的低碳馬氏體組織，提高模具的強韌性，有利于延伸冷作模具的應(yīng)用壽命。
(1)5CrMnMo鋼冷鐓機螺母冷鐓模的高溫淬火將5CrMnMo鋼的淬火溫度提高到900℃～950℃，可得到幾乎是單一的低碳馬氏體組織。例如，用5CrMnMo鋼制作的Z41.24型多工位冷鐓機螺母冷鐓模，經(jīng)900℃～930℃加熱，180℃分級淬火，200℃×2次低溫回火處理后，應(yīng)用壽命比Cr12MoV鋼的提高2.6倍，可完整代替T10A、9CrSi、Cr12MoV鋼制作較大截面的冷鐓模。
(2)60Si2MnA鋼冷鐓螺帽4序沖模的高溫淬火60Si2MnA鋼在高溫淬火后，組織中板條馬氏體數(shù)目增多，甚至可以獲得全部板條馬氏體組織，有較高的斷裂韌度、沖擊韌度和精良的耐磨性。60Si2MnA鋼制冷鐓螺帽4序沖模，經(jīng)920℃～950℃淬火后，應(yīng)用壽命比正常溫度淬火的模具提高了2倍左右。
(3)5CrW2Si鋼冷剪切模的高溫淬火5CrW2Si鋼冷剪切模，經(jīng)950℃淬火和250℃回火后，得到板條馬氏體加少量均勻細化的碳化物和散布在板條馬氏體邊界的渺小殘留奧氏體的組織，可明顯提高冷剪切模剪刃的強度和韌性，壽命提高1.5～5倍。
3高碳鋼冷作模具的低碳馬氏體低溫淬火
高碳鋼冷作模具淬火溫度愈低，奧氏體固溶碳含量也愈低，Ms溫度愈高，低碳馬氏體數(shù)目愈多。因此模具具有較高的耐磨性和強韌性，變形和開裂的幾率很小。
(1)T10A鋼冷鐓模低溫短時加熱淬火T10A鋼冷鐓模(光沖)，按原工藝(780℃×20min鹽浴加熱淬火)處理時獲得孿晶馬氏體組織，存在顯微裂紋，在沖擊載荷作用下，由于韌性差，常產(chǎn)生崩刃?，F(xiàn)采用750℃×14min鹽浴加熱淬火，200℃回火處理后，可以得到渺小的片狀馬氏體和50%(體積分數(shù))以上的低碳馬氏體，減少了顯微裂紋，在保證高硬度的同時，具有較高韌性，從而提高應(yīng)用壽命近一倍。
(2)CrWMn鋼制小型模具的低溫淬火一般用CrWMn鋼制作生產(chǎn)腕表用的小型凸模，經(jīng)慣例熱處理后模具的應(yīng)用壽命為1000～10000次，破損情勢多為局部崩刃或全部頭部斷裂。CrWMn鋼制小型凸模的低碳馬氏體強韌化處理工藝為：700℃×10min預(yù)熱，.790℃×(3～4)min鹽浴爐加熱，在180℃石臘中等溫15min后，空冷，硬度為59HRC～61HRC；200℃×2h回火后，硬度為58HRC～60HRC，模具的刃磨壽命可達1～2萬次，總壽命可達10～20萬次。且在應(yīng)用中不易產(chǎn)生崩刃及斷裂現(xiàn)象，顯示出有極高的斷裂抗力。
(3)7Cr7Mo3V2Si(LD)鋼冷擠壓凸模的低溫淬火LD鋼冷擠壓凸模，按慣例工藝1100℃～1150℃加熱淬火處理后，應(yīng)用壽命僅3000～4000次。改用1050℃×25min鹽浴加熱油冷和200℃×2.5h回火后，獲得板條馬氏體+彌散碳化物組織，硬度為60HRC～61HRC，應(yīng)用壽命提高到2萬次。
低碳馬氏體在熱作模具中的利用
熱作模具鋼經(jīng)高溫加熱可使鋼中的合金碳化物大批溶進奧氏體中，提高了基體的熱強性和熱穩(wěn)固性，同時，相應(yīng)地提高回火溫度，可使組織中板條馬氏體的份額有大幅度增加，斷裂韌度和小能量多沖壽命有所提高。假如加熱溫度選擇適當(dāng)，則沖擊韌度和塑性仍能保持在必定程度上，從而可使熱作模具的應(yīng)用壽命大幅度提高。因此，目前熱作模具的淬火加熱溫度有向高溫發(fā)展的趨勢。熱作模具鋼的另外一個發(fā)展趨勢是降碳、低碳化。目前有的國家已在熱作模具鋼尺度中列進了低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)。例如，美國H25鋼(≤0.25%C)、德國21CrMo10鋼(0.16%～0.23%C)、法國20MoNi34.13鋼(0.18%～0.23%C)等。對于外形簡略，生產(chǎn)批量小和交貨期短的產(chǎn)品零件，可以選用低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，特別是高溫強度好、抗蠕變性能好的20CrMo，20CrMnMo等含Mo的低碳低合金耐熱結(jié)構(gòu)鋼制作熱作模具，直接進行低碳馬氏體強烈淬火。
(1)3Cr2W8V鋼熱作模具的高溫淬火3Cr2W8V鋼熱作模具采用高溫淬火和高溫回火工藝處理后，可獲得更多的板條馬氏體組織，有較高的回火穩(wěn)固性、高溫強度、高溫耐磨性和熱疲憊性，可明顯提高模具壽命。用3Cr2W8V鋼制M12×50的圓柱螺柱(材料為40Cr)熱鍛模，采用1180℃加熱淬火，640℃×2h×2次回火后，可以得到90%以上的板條馬氏體，均勻應(yīng)用壽命由3000～5000件提高到3～4萬件。
(2)5CrNiMo鋼錘鍛模的高溫淬火5CrNiMo鋼制作的480mm×450mm×295mm的錘鍛模，原熱處理工藝為860℃×5h油淬和500℃×10h回火，硬度為42HRC。鍛打齒輪毛坯2500件時，鍛模便產(chǎn)生塑性變形，需修模后方可持續(xù)應(yīng)用。改用新工藝，900℃×5h油淬，500℃×10h回火，硬度為43HRC，鍛打同樣的齒輪毛坯8100件仍可持續(xù)應(yīng)用。國內(nèi)其他工廠的實驗表明，將淬火溫度由860℃提高到960℃，鍛模的應(yīng)用壽命能夠提高2.5倍。
(3)熱作模具高溫雙重淬火處理4Cr5MoSiV1鋼高溫雙重淬火工藝為：1160℃淬火+720℃回火+1050℃淬火+350℃回火。雙重淬火可減小未溶碳化物尺寸和體積分數(shù)，使碳化物顆粒間距增大。當(dāng)?shù)诙囝w粒均勻間距增大時，可使斷裂韌度增大。高溫淬火可明顯減少孿晶馬氏體，增加位錯馬氏體，使模具具有高的斷裂韌度。因此，高溫雙重淬火與普通淬火(1020～1050)℃相比，斷裂韌度可提高30%～40%，有利于提高熱作模具鋼的疲憊裂紋的擴大抗力和熱疲憊開裂的抗力，使模具具有最佳的熱疲憊性能，從而提高熱作模具的應(yīng)用壽命。
(4)20Cr鋼熱鍛模的低碳馬氏體強烈淬火拉索冷鑄錨杯索節(jié)扣體是斜拉橋關(guān)鍵受力固定端件，技巧請求必需是模鍛件。由于合同訂貨數(shù)目僅88件，因此采用強韌性高、耐沖擊、有必定熱強性的20Cr鋼制作索節(jié)扣體熱鍛模。其加工工藝流程為：下料—鑄造—鑄造余熱正火(形變正火)—粗加工—淬火、回火—精加工。熱處理工藝為：920℃加熱，10%NACL鹽水淬火，430℃回火。該工藝不僅打消淬火軟點，提高模具淬透性，而且可以提高模具屈服強度和沖擊韌度，保證模具應(yīng)用壽命。經(jīng)上述工藝處理后的索節(jié)扣體熱鍛模，均勻硬度40HRC，金相組織為較細板條馬氏體，美滿地完成了合同任務(wù)。
(5)Q345B鋼鉚焊熱鍛模的低碳馬氏體強烈淬火XKJ44.5mm～48mm大型運動場館斜拉鋼絲纜索澆鑄接頭體是模鍛件(質(zhì)量98.5KG)，由于批量僅40件，選用厚度40mm的Q345B鋼板，采用鉚焊的工藝方法，將7層板制成400mm×400mm×290mm的熱鍛模。工藝流程為：下料—鉆孔—鉚接—焊接—機加工—淬火—鉗修。經(jīng)箱式爐950℃快速加熱(20s/mm)，鹽水深冷淬火冷卻，不回火直接應(yīng)用。模具均勻硬度46HRC，完成40件后，仍能持續(xù)應(yīng)用。
結(jié)語
(1)低碳馬氏體具有相當(dāng)高的強韌性，是模具鋼幻想的淬火組織。
(2)低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)進行強烈淬火和表面強化處理，可以代替模具鋼制作各類模具。
(3)中碳鋼模具采用高溫淬火，可以獲得更多的、甚至全部低碳馬氏體組織，明顯提高模具的強韌性。
(4)高碳鋼模具采用低溫淬火，可以獲得較多的低碳馬氏體組織，明顯提高模具的應(yīng)用壽命。
(5)模具鋼淬火組織低碳馬氏體化，模具鋼降碳、低碳化，是模具鋼熱處理的重要發(fā)展趨勢。
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