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模具用鋼大多采用合金鋼和高速鋼,用碳素鋼日漸減少。合金鋼淬火后的組織主要是孿晶的、有些微裂紋、高碳針狀或片狀的馬氏體。含碳量及合金含量越高,鋼中不可避免會存在網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀的碳化物,往往會導(dǎo)致模具在使用中脆斷或早期失效。 由于亞結(jié)構(gòu)是位錯(cuò)的 (也稱板條馬氏體)具有相當(dāng)高的強(qiáng)度,很好的塑性和韌性,以及良好的冷加工性、可焊性及熱處理畸變小等一系列優(yōu)點(diǎn),所以在模具工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。以下以實(shí)例展現(xiàn)給讀者,僅供參考。 3Cr2W8V鋼制螺栓熱鍛模高溫淬火 該鋼用1050~1100℃常規(guī)淬火后,有約8%的未溶碳化物,馬氏體的合金度較低,其穩(wěn)定性和斷裂韌度都不高。提高淬火溫度至1180℃,可使奧氏體的合金度增加,獲得以板條馬氏體為主的金相組織,從而有效地解決了模具早期失效問題。 3Cr2W8V鋼制M12×50的圓柱螺栓(材料為38Cr)熱鍛模,采用1180℃加熱油淬,可得到90%(體積分?jǐn)?shù))以上的板條馬氏體組織,580℃×4h×2次回火,使模具壽命由常規(guī)處理的3000~5000件提高到5萬~6萬件。 該鋼用1180℃高溫淬火制造的望遠(yuǎn)鏡壓鑄模,模具壽命超過10萬件。 5CrMnMo鋼制冷擠壓模高溫淬火 用于擠壓H62黃銅5CrMnMo鋼冷擠壓模具,硬度要求46~52HRC,用890~900℃高溫加熱油淬,290~310℃×4h×2次回火。金相組織為大量的板條馬氏體+少量的片狀馬氏體,平均壽命為5000~6000件,較常規(guī)840℃淬火的模具提高兩倍多。 用該鋼制螺母冷敦模,將淬火溫度提高到910~930℃,得到幾乎是單一的低碳馬氏體。200℃回火,使用壽命是Cr12MoV鋼的2.6倍。 5CrNiMo鋼制錘鍛模高溫淬火 5CrNiMo鋼制480mm×450mm×295mm的熱鍛模,原工藝為860℃的油淬,500℃回火,硬度42HRC,鍛打齒輪毛坯2500件時(shí),鍛模便發(fā)生塑性變形;現(xiàn)將淬火溫度提高到900℃,油淬,獲得以板條馬氏體為主的金相組織,500℃回火硬度43HRC,鍛打重要的齒輪毛坯8100件仍可繼續(xù)使用。國內(nèi)有的工廠將該模具的淬火溫度提高到960℃,鍛模的使用壽命較常規(guī)處理提高2.5倍。 45Cr2NiMoVSi鋼大齒輪熱鍛模高溫淬火 45Cr2NiMoVSi鋼制10t錘熱鍛模,鍛打75型拖拉機(jī)大齒輪,高溫鹽浴加熱,1000~1050℃加熱,冷卻劑為40~80℃油,油冷至160~200℃出油空冷,硬度54~60HRC。型腔回火溫度630~670℃,回火后硬度40~45HRC;燕尾回火為670~700℃,回火后硬度為34~39HRC。 由于獲得板條馬氏體組織,模具的使用壽命比德國進(jìn)口的55CrNiMoV6鋼(相當(dāng)于5CrNiMo)模具提高50%。 4Cr5MoSiV1(H13)鋼熱擠壓模 曾用3Cr2W8V鋼制模,平均壽命僅為6000件,主要失效形式為磨損,采用H13鋼高溫淬火,模具的壽命達(dá)到18000~20000件。淬火加熱溫度由常規(guī)1020~1030℃提高到1080℃,560℃鹽浴分級后進(jìn)油中續(xù)冷,560℃×2h×2次硝鹽回火,硬度54HRC。 鹽浴高溫淬火固然可以提高模具使用壽命,真空淬火同樣可以獲得滿意的效果。H13鋼制鋁合金壓鑄模具1080℃真空加熱淬火,真空回火采用660℃×2h+580℃×2h工藝,其疲勞強(qiáng)度比常規(guī)處理提高25%,壽命提高2~3倍。 20Cr鋼低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火 20Cr制斜拉橋索節(jié)扣體熱鍛模,奧氏體化溫度920~930℃,淬入10%NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水溶液,得到板條馬氏體組織,180~200℃回火,硬度40~43HRC,滿足使用要求,有些廠家淬火后不回火直接使用。低碳鋼920~1000℃淬火將得到低碳馬氏體的實(shí)例還有很多,不再贅述。 60Si2MnA鋼制冷鐓模高溫淬火 用該鋼制冷敦螺帽四序沖模920~950℃高溫淬火,得到幾乎是單一的低碳馬氏體組織,有較高的斷裂韌性、沖擊剛韌度和優(yōu)良的耐磨性,使用壽命比常規(guī)淬火模具提高兩倍多。 5CrW2Si鋼制冷剪刀強(qiáng)韌化處理 冷剪刀是常用的剪切工具,在使用中要承受大的沖擊載荷和強(qiáng)烈的振動擠壓,常發(fā)生壓塌、崩刃和剝落,使用壽命較短。為此對原工藝進(jìn)行了大膽改革,采用高溫淬火,使用壽命提高2~3倍。 920~950℃加熱油淬,250℃回火,得到以板條馬氏體為主的金相組織,其強(qiáng)度和韌性均較好,沖擊韌度比常規(guī)淬火提高53%。 CrWMn鋼制手表凸模低溫淬火 CrWMn鋼制手表凸模按830~850℃常規(guī)淬火,模具的使用壽命始終不超過1萬件,采用790℃低碳馬氏體淬火,200℃回火,硬度58~60HRC,模具的刃磨壽命可達(dá)1萬~2萬次,總壽命達(dá)10萬~20萬次,并且使用中不易發(fā)生崩刃及斷裂現(xiàn)象,顯示出極高的斷裂抗力。 7Cr7Mo3V2Si(LD)制冷擠壓模低溫淬火 LD鋼制冷擠凸模按1120~1150℃常規(guī)淬火,壽命只有3000~4000件,改用1050℃淬火,200℃回火,硬度60~61HRC,獲得板條馬氏體+彌散碳化物組織,使用壽命提高到2萬次。 Cr2MoV鋼制模低溫淬火 對于沒有加熱設(shè)備和因強(qiáng)韌性不足而引起早期失效的Cr2MoV鋼模具采用低淬低回工藝可取得較好的效果。 低淬低回工藝常采用920~950℃加熱,淬油或硝鹽,淬火后硬度≥61HRC,經(jīng)180~200℃回火后硬度≥58HRC,淬火后獲得以板條馬氏體為主的組織,淬火晶粒細(xì)小,因而明顯提高了強(qiáng)韌性。 Cr2MoV鋼制下科模,950℃油淬,180℃×3h×2次回火,硬度64HRC,變形符合工藝要求,使用壽命提高兩倍。 該鋼制殼體形成模,950℃油淬,200℃×4h回火,硬度59~60HRC,平均沖壓3萬~4萬件,壽命比常規(guī)淬火提高得多。 9Cr6W3Mo2V2(GM)鋼制模低溫淬火 GM是我國自行研制的一種高硬度冷作模具鋼,是制作精密、耐磨。高壽命冷作模具新鋼種,屬萊氏體鋼。該鋼具有較好的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力,其耐磨性能和韌性具有最佳的匹配,韌性和強(qiáng)度均優(yōu)于Cr12型鋼和高速鋼,是制作滾絲模的理想材料。常規(guī)處理的滾絲模適合加工調(diào)質(zhì)件,如果加工件為退火件,采用低溫淬火是很經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的工藝,1070℃鹽浴加熱油淬,150℃×2h×2次油回火,硬度62~63HRC,用低溫淬火的GM鋼滾絲模,在加工45鋼、Q235A鋼螺栓時(shí),使用壽命較9SiCr、Cr12MoV、M2鋼滾絲模提高2倍左右。 20Cr鋼塑料模低碳馬氏體強(qiáng)化處理 一些形狀簡單、變形要求不嚴(yán)的20Cr鋼塑料模,運(yùn)用低碳馬氏體強(qiáng)化處理,得到滿意的效果,處理工藝為880~900℃加熱,淬鹽水,150~180℃回火后硬度38~45HRC。 低碳馬氏體滲碳型塑料模具鋼 低碳鋼及低合金鋼在塑料模具中的應(yīng)用比較廣泛,效果也比較明顯。此類鋼制成模具后,先進(jìn)行表面滲碳,再進(jìn)行淬火和低溫回火,使表面得到高碳細(xì)針狀回火馬氏體+顆粒狀碳化物+少量殘留奧氏體;心部組織主要為低碳馬氏體。從而保證了模具表面具有56~62HRC的高硬度,而心部具有30~45HRC的強(qiáng)韌性。實(shí)踐證明,此工藝適用于制造各種耐磨性良好、形狀復(fù)雜、承受載荷較高的塑料成模具。 低碳馬氏體鋼強(qiáng)韌性塑料模具鋼 含碳量在0.15%~0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳素鋼和合金鋼,可直接進(jìn)行低碳馬氏體強(qiáng)韌化處理,能夠獲得幾乎是強(qiáng)韌性高的低碳馬氏體組織。如果處理得當(dāng),可代替中碳鋼調(diào)質(zhì)處理、滲氮處理,制造各種塑料模具。建議使用食鹽或硝鹽水溶液或冷卻性能更高的有機(jī)溶劑,淬火后低溫回火。這一舉措,顯著縮短了模具制造周期,降低模具制造成本,提高了模具的使用壽命,深信將會在塑料模具熱處理中得到廣泛應(yīng)用。 低碳馬氏體時(shí)效硬化塑料模具鋼 這類鋼分為低碳馬氏體時(shí)效硬化鋼和低碳馬氏體析出硬化鋼兩大類。低碳馬氏體時(shí)效硬化鋼有很高的屈強(qiáng)比、良好的切削加工性和焊接性能、熱處理簡單等優(yōu)點(diǎn)。典型的鋼種是超低碳18Ni鋼系列,但由于18Ni價(jià)格昂貴,國內(nèi)很少應(yīng)用。 國內(nèi)開發(fā)的06Ni6CrMoVTiAl(簡稱06鋼),含C≤0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))低碳低鎳馬氏體時(shí)效鋼,850~880℃固溶后水冷或油冷,500~540℃×4~8h時(shí)效。時(shí)效后的組織為低碳馬氏體+析出強(qiáng)化相Ni3Al、Ni3Ti、TiC、TiN,硬度為42~45HRC,屈服強(qiáng)度達(dá)到1100~1400MPa。 用06鋼制作的收錄機(jī)磁帶盒模具,平均壽命達(dá)到110萬次以上,是很有發(fā)展前途的鋼種。 我國自行研制的25CrNi3MoAl和10Ni3MnCuAl(簡稱PMS)為低碳馬氏體析出硬化鋼,適用于制作變形率在0.05%以下、鏡面要求很好的或表面要求光刻花紋的精密鏡面塑料模具。 PMS鋼經(jīng)870℃固溶處理,510℃×4h時(shí)效處理,硬度40~43HRC,抗拉強(qiáng)度1000~1300MPa,金相組織為低碳馬氏體基體分布著細(xì)小碳化物。 25CrNi3MoAl鋼經(jīng)830℃固溶處理,硬度可達(dá)50HRC,再經(jīng)540℃×4h時(shí)效處理,硬度39~42HRC,是多種鏡面刻花模具理想的硬度范圍。 還有很多低碳馬氏體提高模具使用壽命的實(shí)例,不一一列舉。從失效分析可知,好多模具往往是韌性不足而斷裂,所以增強(qiáng)韌性不失為提高模具使用壽命的一種措施,低碳馬氏體工藝方法實(shí)為切實(shí)可行的一種手段,應(yīng)大力推廣。