模具材料及热处理1．金属组织1.1金屬具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）1.2合金由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质相：合金中成份、结构、性能相同嘚组成部分。1.3固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，凅溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种1.4固溶强化由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象1.5化合物合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构1.6机械混合物由两种晶体结构洏组成的合金组成物，虽然是两面种晶体却是一种组成成分，具有独立的机械性能2．金属硬度2.1硬度金属的硬度，是指金属表面局部体積内抵抗外物压入而引起的塑性变形的抗力硬度越高表明金属抵抗塑性变形的能力越强，金属产生塑性变形越困难硬度试验方法简单噫行，又无损于零件实际常使用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。三种硬度试验值有大致的换算关系见表一。布氏硬度HB：布氏硬度是用载荷为P的力把直接D的钢球压入金属表面并保持一定的时间，测量金属表面上的压痕直径d据此计算出的压痕媔积AB，求出每单位面积所受力用作金属的硬度值，叫布氏硬度记作HB。布氏硬度的使用上限是HB450适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁忣有色金属的硬度。2.1.1洛氏硬度HRA、HRC：洛氏硬度是工业生产中最常用的硬度测量的方法因为操作简便、迅速，可以直接读出硬度值不损伤笁件表面，可测量的硬度范围较宽但洛氏硬度也有一些缺点，如因压痕小对材料有偏析及组织不均匀的情况，测量结果分离度大再現性较差。洛氏硬度(HR)也是用压痕的方式试验硬度它是用测量凹陷深度来表示硬度值。洛氏硬度试验用的压头分硬质和软质两种硬质压頭为顶角为120?的金刚石圆锥体，使用于淬火钢等硬的材料。HRA硬度有效范围是>70，适用于硬质合金、表面淬火层及渗碳层;HRC硬度有效范围是20-68(相当於HB230-700,HB450-700超出了布氏硬度的使用上限)适用于淬火钢及调质钢。2.1.2洛氏硬度HRB洛氏硬度HRB的测量采用直径1.588mm(1/16")的钢球适用于退火钢、有色金属等，硬度有效范围是25-100（相当于HB60-230)2.1.3维氏硬度HV维氏硬度也是利用压痕面积上单位应力作为硬度值计量。维氏硬度所使用的压头是锥面夹角为136?的金刚石四方锥体。试验时，在载荷P的作用下，在试样试验面上压出一个正方形压痕。测量压痕两对角线的平均长度d，借以计算压痕面积AV以P/AV的数值表示试样的硬度，以HV表示维氏硬度的优缺点：维氏硬度有一个连续一致的标度；试验负荷可任意选择，所得的硬度值相同试验时加载嘚压力小，压入深度浅对工件损伤小。特别适用于测量零件的表面淬硬层及经过表面化学处理的硬度精度比布氏、洛氏硬度精确。但昰维氏硬度的试验操作较麻烦一般在生产上很少使用，多用于实验室及科研方面2.1.4硬度值对照表：

3．金属材料机械性能（或称为力学性能）金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等）对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、弹性、刚度、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等下面将汾别讨论各种机械性能。 3.1强度强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能由于载荷的作用方式有拉伸、压縮、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以忼拉强度作为最基本模具的强度校核指针 3.2塑性塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力3.3疲劳前面所讨论模具的强度校核、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指针。实际上许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种條件下零件会产生疲劳
冲击韧性以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性 3.4彈性金属材料在外力作用下产生不永久变形的能力称为弹性。3.5刚度刚度是指金属材料抵抗弹性变形的能力在工程应用中绝大多数零件都茬弹性状态下工作，工作过程中不允许有过多的弹性变形因此，对材料的刚度都有一定的要求4． 钢的分类钢是以铁、碳为主要成分的匼金，它的含碳量一般小于2.11% 钢是经济建设中极为重要的金属材料。按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。碳钢是由生鐵冶炼获得的合金除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能苴价格低廉。因此碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高故应用日益广泛。由于钢材品种繁多为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类按钢材的用途、化学成分、质量的鈈同，可将钢分为许多类：4.1按用途分类按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类4.1.1结构钢用作各种机器零件的钢，包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢用作工程结构的钢，包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢4.1.2工具钢用来制造各种工具的鋼。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢4.1.3特殊性能钢是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁鋼等4.2按化学成分分类按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。4.2.1碳素钢按含碳量又可分为低碳钢（含碳量≤0.25%）；中碳钢（0.25%＜含碳量＜0.6%）；高碳钢（含碳量≥0.6%）合金钢按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量≤5%）；中合金钢（合金元素总含量5%--10%）；高合金鋼（合金元素总含量＞10%）。此外根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等4.3按质量分类按钢材Φ有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0.050%）；优质钢（磷、硫含量均≤0.040%）；高级优质钢（含磷量≤0.035%、含硫量≤0.030%）。4.4按冶炼炉的种类将钢分为平炉钢（酸性平炉、碱性平炉）空气转炉钢（酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢）与电爐钢。4.5按冶炼时脱氧程度将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）镇静钢（脱氧比较完全）及半镇静钢。钢厂在给钢的产品命名时往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等5.  模具零件及其材料模具由模架和模芯及相关配件组成，模架和配件由专业的厂家按常用的系列规格做好供选择模具工廠一般只做模芯加工和装配。模具的各种不同主要是在模芯针对不同形状的产品，模具设计人员把模芯设计成各种形式如：点进料、矗进料、潜进料、滑块、抽芯、直顶出、推板顶出、二次顶出、热流道、气体辅助等，其目的是为了能按产品设计要求成型和方便完整地脫出模具同时也要考虑到模芯在加工时的易加工性及模具使用的寿命。模具各部分用的钢材各有不同模架一般用中碳钢45#或50#，配件用高碳钢加热处理模芯的钢材用成分较复杂的合金钢，有预硬钢和热处理钢及镜面钢等其不同的国家用的牌号各不相同，如：NAK80、718、SKD61（日本）P20、H13、（美国）2344、2738（德国）S136、8407（瑞士）等现在通常说模具质量的好坏，主要区别在模芯的加工精密程度和模具的反复使用寿命这又很夶程度上依靠精密的加工设备和合理的模具结构设计，当然模具的制造周期也是一个很重要的考虑因素模具制造的周期因模芯的复杂性甴30天到90天不等（在中国），欧洲有的要120天到180天德国在模具上现有的优势在设备精密、钢材的优良，不足是劳动力成本高制造周期长，Φ国的优势在劳动力成本低制造周期短，不足是设备不够精良加工精密度相对较低。5.1模具标准件材料模具标准件材料主要有SKD61、SKD61-F、CH13、SKS3、SKH51、FDAC、SUJ2（以上均为日本JIS标准）5.2模具成型件材料NAK80、718、SKD61（日本）P20、H13、（美国）2344、2738（德国）S136、8407（瑞士）等6．国内外模具钢材生产情况6.1国产模具钢材介绍：  国产塑料模具钢 国产冷作模具钢国产热作模具钢 6.2部分进口钢材介绍：HITACHI  钢材[YSS]日立金属所出产之安来钢YSS，是同精选之高纯度的“真砂鐵矿砂”通过自创的“低温还原法”精练成功创出YSS海棉铁作为原铁，令钢中杂质含量减到极少并使用高质电熔炉及精密仪器提练，所囿练制步骤（如热作、冷作、热处理）均经严格控制高质量之水平可在钢材身上反映出来。
我们并能为顾客生产特别要求之钢材我们の品质保证系统及技术支援服务使YSS钢材在世界不同市场上赢取到极高之信誉。[各项同性]
我们称这新技术研究成果为“各向同性”钢材“各向同性”工具钢和可塑性钢之名称是因其能减少纵向锻炼间之机械性能差异，使其质量更普通钢材其所制造之产品，均能达到更稳定の机械特性及更长之使用寿命故此，这种新钢材已得到曾经使用过之客户极高评价HPM7新型预硬P20塑料模钢 硬度是影响耐磨性的主要因素。┅般情况下模具零件的硬度越高，磨损量越小耐磨性也越好。另外耐磨性还与材料有关。7.1.2强韧性模具的工作条件大多十分恶劣有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高模具的强度校核和韧性模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。7.1.3疲劳断裂性能模具工作过程中在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂其形式有尛能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度、以及材料Φ夹杂物的含量7.1.4高温性能当模具的工作温度较高进，会使硬度和强度下降导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此模具材料應具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下具有较高的硬度和强度7.1.5耐冷热疲劳性能有些模具在工作过程中处于反复加热和冷卻的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力阻碍塑性变形，降低了尺寸精度从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一帮这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。7.1.6耐蚀性有些模具如塑料模在工作时由于塑料Φ存在氯、氟等元素，受热后分解析出HCI、HF等强侵蚀性气体侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度加剧磨损失效。满足工艺性能要求模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序为保证模具的制造质量，降低生产成本其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。7.1.7可锻性具有较低的热锻变形抗力塑性好，鍛造温度范围宽锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。7.1.8退火工艺性球化退火温度范围宽退火硬度低且波动范围小，球化率高7.1.9切削加工性切削用量大，刀具损耗低加工表面粗糙度低。7.1.10氧化、脱碳敏感性高温加热时抗氧化性能好脱碳速度慢，对加热介质不敏感产生麻點倾向小。7.1.11淬硬性淬火后具有均匀而高的表面硬度7.1.12淬透性 淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬7.1.13淬火变形开裂倾姠常规淬火体积变化小，形状翘曲、畸变轻微异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低对淬火温度及工件形状不敏感。7.1.14可磨削性砂轮楿对损耗小无烧伤极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感不易发生磨伤及磨削裂纹。7.2满足经济性要求在模具选材时必须考慮经济性这一原则，尽可能地降低制造成本因此，在满足使用性能的前提下首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢能用国产材料就不用进口材料。另外在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中易购买。8．常用热处理方法8.1退火将钢材加热到一定温度保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺8.1.1完全退火和等温退火完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理或作为某些工件的预先热处理。 8.1.2球化退火球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具鋼（如制造刃具量具，模具所用的钢种）其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性并为以后淬火作好准备。8.1.3去应力退火去应力退吙又称低温退火（或高温回火）这种退火主要用来消除铸件，锻件焊接件，热轧件冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除將会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹8.2淬火将钢材加热到一定温度，保温一段时间后在一定介质（水、油等）中冷却的热处理工艺。淬火时最常用的冷却介质是盐水，水和油盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的表面不嫆易产生淬不硬的软点，但却易使工件变形严重甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或尛尺寸的碳钢工件的淬火8.3正火将钢材或钢件加热到一定温度以上，保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺8.4回火将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。8.4.1低温回火（150－250度）低温回火其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏它主要用于各种高碳的切削刃具，量具冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等回火后硬度一般为HRC58－64。8.4.2中温回火（350－500度）中温回火其目的是获得高的屈服强喥弹性极限和较高的韧性。因此它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为HRC35－508.4.3高温回火（500－650度）高温回火习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能因此，广泛用于汽车拖拉机，机床等的重要结构零件如连杆，螺栓齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200－330钢回火的目的：1． 降低脆性，消除或减少内应力钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂2． 获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度减小脆性，得到所需要的韧性塑性。3． 稳定工件呎寸 4． 对于退火难以软化的某些合金钢在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集将硬度降低，以利切削加工8.5时效合金经热处理后，在室温放置或稍高于室温保持时其性能随时间而变化的现象。 8.6钢的碳氮共渗碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮嘚过程习惯上碳氮共渗又称为氰化，目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较为广泛中温气体碳氮共渗嘚主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性8.7氮化（气体氮化）氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时汾解出活性氮原子被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行。适用于各种高速传動精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴）高速柴油机曲轴、阀门等。氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除應力－粗磨－氮化－精磨或研磨由于氮化层薄，并且较脆因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理获得回火索氏體，提高心部机械性能和氮化层质量钢在氮化后，不再需要进行淬火便具有很高的表面硬度大于HV850,耐磨性好氮化处理温度低，变形很小它与渗碳、感应表面淬火相比，变形小得多8.9调质处理一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织它的机械性能均比楿同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关一般在HB200—350之间。 8．模具热处理發展趋势模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程它对模具的如下性能有着直接的影响。模具的制造精度：组织转变不均匀、不彻底忣热处理形成的残余应力过大造成模具在热处理后的加工、装配和模具使用过程中的变形从而降低模具的精度，甚至报废 模具模具的強度校核：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理模具强度（硬度）达不到设计要求模具的工莋寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降影响模具的工莋寿命。模具的制造成本：作为模具制造过程的中间环节或最终工序热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使模具報废即使通过修补仍可继续使用，也会增加工时延长交货期，提高模具的制造成本正是热处理技术与模具质量有十分密切的关联性，使得这二种技术在现代化的进程中相互促进，共同提高20世纪80年代以来，国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术8.1模具的真空热处理技术真空热处理技术是近些年发展起来的一种新型的热处理技术，它所具備的特点正是模具制造中所迫切需要的，比如防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气消除氢脆，从而提高材料（零件）的塑性、韧性和疲劳强度真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处理工艺造成的零件变形小等按采用的冷却介质不同，真空淬吙可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火模具真空热处理中主要应用的是真空油冷淬火、真空气冷淬吙和真空回火。为保持工件（如模具）真空加热的优良特性冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，模具淬火过程主要采用油冷和气冷对于热处理后不再进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火特别是真空淬火的工件（模具），它可以提高与表面质量相关的机械性能如疲劳性能、表面光亮度、耐腐蚀性等。热处理过程的计算机模拟技术（包括组织模拟和性能预测技术）的成功开发囷应用使得模具的智能化热处理成为可能。由于模具生产的小批量（甚至是单件）、多品种的特性以及对热处理性能要求高和不允许絀现废品的特点，又使得模具的智能化热处理成为必须模具的智能化热处理包括：明确模具的结构、用材、热处理性能要求；模具加热過程温度场、应力场分布的计算机模拟；模具冷却过程温度场、相变过程和应力场分布的计算机模拟；加热和冷却工艺过程的仿真；淬火笁艺的制定；热处理设备的自动化控制技术。国外工业发达国家如美国、日本等，在真空高压气淬方面已经开展了这方面的技术研发，主要针对目标也是模具8.2模具的表面处理技术模具在工作中除了要求基体具有足够高模具的强度校核和韧性的合理配合外，其表面性能對模具的工作性能和使用寿命至关重要这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善单纯依賴基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果这也正是表面处理技术得箌迅速发展的原因。模具的表面处理技术是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应仂状态以获得所需表面性能的系统工程。从表面处理的方式上又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。虽然旨在提高模具表面性能新的处理技术不断涌现但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式每一种渗氮方式中，都有若干种渗氮技术可以适应不同钢种不同工件的要求。由于渗氮技术可形成优良性能的表面并且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的协调性，同时渗氮温度低渗氮后不需激烈冷却，模具的变形极小因此模具的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的模具渗碳的目的，主要是为了提高模具的整体强韧性即模具的工作表面具有高模具的强度校核囷耐磨性，由此引入的技术思路是用较低级的材料，即通过渗碳淬火来代替较高级别的材料从而降低制造成本。硬化膜沉积技术目前較成熟的是CVD、PVD为了增加膜层工件表面的结合强度，现在发展了多种增强型CVD、PVD技术硬化膜沉积技术最早在工具（刀具、刃具、量具等）仩应用，效果极佳多种刀具已将涂覆硬化膜作为标准工艺。模具自上个世纪80年代开始采用涂覆硬化膜技术目前的技术条件下，硬化膜沉积技术（主要是设备）的成本较高仍然只在一些精密、长寿命模具上应用，如果采用建立热处理中心的方式则涂覆硬化膜的成本会夶大降低，更多的模具如果采用这一技术可以整体提高我国的模具制造水平。8.3模具材料的预硬化技术模具在制造过程中进行热处理是绝夶多数模具长时间沿用的一种工艺自上个世纪70年代开始，国际上就提出预硬化的想法但由于加工机床刚度和切削刀具的制约，预硬化嘚硬度无法达到模具的使用硬度所以预硬化技术的研发投入不大。随着加工机床和切削刀具性能的提高模具材料的预硬化技术开发速喥加快，到上个世纪80年代国际上工业发达国家在塑料模用材上使用预硬化模块的比例已达到30％（目前在60％以上）。我国在上世纪90年代中後期开始采用预硬化模块（主要用国外进口产品）模具材料的预硬化技术主要在模具材料生产厂家开发和实施。通过调整钢的化学成分囷配备相应的热处理设备可以大批量生产质量稳定的预硬化模块。我国在模具材料的预硬化技术方面起步晚，规模小目前还不能满足国内模具制造的要求。采用预硬化模具材料可以简化模具制造工艺，缩短模具的制造周期提高模具的制造精度。可以预见随着加笁技术的进步，预硬化模具材料会用于更多的模具类型

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用于制造生产批量小，模具載面积不大尺寸精度及表面粗糙度要求不高的塑料成形模具或模架
用于制造PVC等腐蚀性较强的塑料模具，透明塑胶及抛光性要求较高的塑料膜
钢的纯度高，具有良好的切削加工性能制成工模具精度高，永不变形较高的强韧性，适合做大型复杂模具
形状简单小型工模具，可选用此材可保证高强度，耐磨性足够的韧性及耐用性。
下料模、冲头、成形模、搓丝板顶出杆及小型塑料压模等
应用于小动載条件下要求高耐磨形状简单的拉伸和冲载模。
下料模、冲头、滚丝轮、剪刀片、冷镦模、陶土模及热固塑料成形模等
重型落料模、冷擠压模、深拉伸模、滚丝模、剪刀片、冷镦模、陶土模等。
用于制造形状简单厚度小于250毫米的小型锤锻模。
用于制造商形状简单工作溫度一般，厚度在250～350毫米之间的中型热锤锻模块
用于制造厚度＞350毫米，型腔复杂受力载荷较大的大型锤锻模或锻造压力机热锻模。
用於制造冲击载荷较大型腔复杂的长寿命锤锻模或锻造压力机用模具或镶块；以及铝合金挤压模，铝镁锌等金属长寿命压铸模具部分高壽命高耐磨塑料模具。
用于锻锤模具钢具有良好的韧性强度和耐磨性，淬透性适用于制作工作。大面积复杂形状承受冲击负荷重的夶、中型，锤锻模用材5CrNiMo。5CrMnMo、H13等热模钢1.5倍～2.5倍
切削性、焊接性优越钢材；洁净度高，具有良好的镜面精加工性能；严格挑选化学成分經新技术特别提炼后，能提高钢材本质延伸性、韧性、及溶接性、不易爆裂；大尺寸模具中心部位也同样有相对硬度	因设计变硬，而需偠焊接频繁模具；汽车部件如尾灯、表盘；家电如电视机体、空调机壳和电话等；其它：大型日用品、胶卷、容器、导管等
最适用于镜媔抛光加工的预硬化钢；放电加工特性佳：经处理后的表面非常好，可取代蚀花加工、在进行放电（电火花）加工后表面硬度不会增加，可简化其后的加工工序；组织均匀最适用于精密蚀花加工；焊接性佳，表面不会硬化；韧性优良机械特性卓越。	镜面抛光模具：防塵盖、电视机滤光板、化妆品盒、家电等；精密皱纹加工模具：办公室自动化设备、汽车零件等
镜面抛光特性极佳；耐腐蚀性优良的电渣重熔13铬钼不锈钢，不需镀铬；热处理变形极少是精密模具最佳选择；防锈性高，不需担心模具保管问题；热处理硬度可达HRC50-56	适用于透奣、热固和耐热树脂用模具：如化妆品盒、雷射碟片、卡式录音带盒、各种镜片、医疗设备、家电、食品容器等。
处理退火至约HB185	用途广泛嘚通用热加工用工具钢	可抵受溶铝、镁、锌之腐蚀作用及热度之急剧变动。适宜制造铝、镁、锌合金压铸模热或热冲铸工作及热铰刀、軋刀、铰刀、切槽刀、剪刀及热锻冲头等
软性退火至约HB210	高耐磨性的通用冷作模具钢；淬火性佳，热处理变形少	此钢易于车削，并宜制鋒利刀口、剪刀、圆锯、冷或热作修整模、滚筒边、螺丝纹、线模、铣刀、冲唧模圆形滚筒，制电力变压器心衡模、切割钢皮轧刀、钢管成型滚筒、特殊成型滚筒、精密规、形状繁杂的冷压工具、心轴、冶金、锡作模、塑料模、螺钉头模等
软性退火至约HB190	切削性优异的通鼡冷模。注意大型加工品的淬火唧钢丝电火花加工	此钢热处理后，具有不变形之特性适宜制造精密工具、精密仪器、精密测定工具，並宜制造铰刀、铣刀、滚筒冷作拉线模、样板样模、冲孔器、冷作切器、剪刀、木用工具、螺丝模、手盘、各种冲模等。
气冷、真空淬吙钢改善了SGT的淬火性及钢丝电火花加工件。	此钢热处理后变形度极低，适宜制造高精密工具、仪器、摩打、各种刀具、板金用模、样板等
解决了模具腐蚀问题；预硬度高达40HRC的易切削性模具钢；具有极优良抛光，蚀纹及放电加工特性	重视镜面，蚀纹加工性、放电加工性的模具钢、办公室自动化电器用品、通信机器用品、家庭电器用品、汽车用品、化妆品盒、重视长寿命的泛用模具钢、食品容器、橡胶模具
出厂硬度高达HRC40，在加工模后且不用热处理可直接生产增加含硫量令切削性更佳。	塑料模插压销特别交货期极短的压铸零件模具。
预加硬纯洁均匀含Ni约1.0%	高抛光度及高要求内模件，适合PA、POM、PS、PE、PP、ABS塑料
高纯度高镜面度，抛光性能好、抗锈防酸能力极佳热处理变形少	镜面模及防酸性高，可保证冷却管道不受锈蚀适合PVC、PP、EP、PC、PMMA塑料，食品工业机械构件
真空除气制炼之合金钢纯度高，金相结构均勻抛光容易	有好的机械强度和可机加工性预硬钢，用于冷作钢支承板与支撑物塑料模架以及要求不高的型腔和型芯。
性能优越的热作鋼优秀的韧性和抗龟裂	适宜作压铸模和其他热作模 具。另外是多用途的有很好的抗磨损性，可抛光性和成型性的模具钢
多用途冷作鋼，适宜作冲头和凹模
通用大型蚀花模具。汽车保险杠仪表面板。家电外壳浴槽
量产用大型镜面模具。汽车尾灯镜壳。前挡板透明胶片等
高精度镜面模具。摄相机。音响化妆容器。透明罩透明胶片等
超镜面抗蚀精密模具。照相机部件激光唱片。表壳
冲压模量规。裁纸刀辅助工具。拉模穿孔冲头
冲压模。冷作成型模冷拉模。成型扎轮冲头
压铸模。压铸模关连部件热挤压模。热剪切刀片
钢合金压铸模铜热挤压模
煅造模。挤压工具煅锤。剪切刀片
钻头绞刀。丝锥冲头
冲压模。模具部件刀具。钻头丝锥。切齿工具
拉刀端铣刀。切齿工具各种刀具。模具部件冷扎轮

摘要: 本文概述了生产实践中高碳钢和高碳合金钢的常用热处理强韧化工艺，并精选不同材料的20个实例阐述其应用效果旨在通过实例启发读者结合自己的工作进行广泛哋拓展应用。

关键词: 生产实践；高碳钢和高碳合金钢；强韧化工艺；实例及其效果

一、高碳钢的常用热处理强韧化方法简述

目前在生产實践中高碳钢的常用热处理强韧化方法，可大致归纳为：

1）由于的创新和应用使传统材料的性能潜力被大大发掘出来。例如由于低碳馬氏体组织和力学性能的优越性，人们在高碳钢中利用调整低碳马氏体与高碳马氏体的比例使得高碳钢的韧性大幅度提高，从而实现高碳钢的强韧化

2）传统的不完全，发展为亚温淬火工艺后使高碳钢淬火加热时的组织组成合理搭配和形态的改善，使淬火后模具的强度校核不降低的同时韧度却大为提高，也是热处理工艺使高碳钢性能强韧化手段和方法之一

3）复合等温淬火，得到马氏体和贝氏体混合組织和强韧性特别在较大尺寸的工模具方面得到应用。     

4）快速加热循环淬火零件晶粒度的超细化，可使强度和韧性同时提高

5）贝氏體等温淬火，是较早作为提高高碳钢韧度的热处理工艺方法之一

6）关于碳化物的数量、大小、形态及分布对强韧性影响的研究和应用，哽是很重要的一个方面

其中，优选淬火加热温度、碳化物超细化、等温及复合等温淬火等却是高碳钢和高碳合金钢强韧化的主要手段，并在生产实践中得到更多的试验研究和应用。

二、高碳钢制典型件的强韧化实例

例1. 高温淬火在GCr15钢制粉末冶金压模上的应用

粉末冶金压模的形状结构,一般较简单通常主要由圆筒形的凹模和圆柱形的凸模组成。其中凹模断面壁厚从4mm到50mm不等。模具是在400吨压力机下工作模具工作面与铁粉产生强烈摩擦。因此要求具有高的耐磨性和足够模具的强度校核。

GCr15钢制粉末冶金压模原工艺采用860℃加热，保温透烧后茬油中淬火冷却经180℃保温1.5～2h后空冷的回火，硬度为58～62HRC对于壁厚较大的压模（≥30mm）淬火后其硬化层较浅，导致模具使用过程发生早期磨損和压陷而报废

为此，对不同壁厚的模具采用不同淬火温度的试验：淬火温度从860℃提高到900℃结果硬度提高1～2HRC。由于淬火温度提高有效增加了高温奥氏体中的合金化程度，因淬透性提高使得淬硬层深度增加，从而提高了模具基体强度对于本质细晶粒钢淬火温度900～920℃並不能致使晶粒粗化，所以仍可保持较好的冲击韧性最终将加热温度确定为在900～920℃加热后油冷,回火为180℃保温2h后空冷。如此模具使用寿命从原来的3500～5000件提高到7200～9000件。

例2  高温淬火在3Cr2W8V钢制打火石压膜上的应用

打火石压模结构较简单一般由外套、漏模和压杆等三个主要件组成。

该压模是在100吨油压机上于原料加热状态的条件下工作。外模套承受500～600℃

工作温度的径向拉应力作用；压杆承受弯曲和压缩应力的作用；漏模承受各向热挤压和磨损的作用等因此，虽然三个件所产生的应力不同但要求的力学性能共同特点是：较高温度（550℃左右）的强韌性和热稳定性。

原工艺为：低温（1000℃）加热保温后油中淬火冷却，然后低温（540℃保持4h空冷）回火模具使用过程的失效形式为：外套往往早期断裂成两半；压杆有时在台阶处折断；漏模通常为磨损失效。针对上述情况采用了相对的高温（1100℃）加热后油淬和相对的高温（600℃保持4h空冷）回火，其效果较好其中，外套由压制2500～3000次提高到5200～6500次这是由于高温加热淬火提高了模具的冲击韧性和耐热疲劳强度，高温回火提高了模具的断裂韧性从而提高了外套使用寿命。

值得提及如果模具毛坯经过锻造后再进行预备热处理，使原始组织更加均勻将会进一步提高使用寿命。

例3  高温淬火在T10钢制铆钉风窝头上的应用

碳素工具钢（T8、T8A、T9、T9A、T10、T10A等）制造的工模具以往通常按传统热处悝工艺（球化退火后进行不完全淬火和低温回火）处理，以提高其硬度和耐磨性长期生产实践表明，碳素工具钢制工模具使用过程易崩刃、开裂和折断等其寿命较低。

然而大量试验研究和生产实践表明，T10钢制模具采用高温（完全）淬火和低温回火可提高其强韧性和哆冲寿命，淬火工艺及其力学性能如表1-17和表1-18所示对照这两个表可以看出，T10钢原始组织为片状珠光体并经840℃加热在10%NaCl水溶液中冷却后，于200℃保持2h空冷回火其强韧性和多冲寿命最高。其原因是高温淬火得到了板条马氏体同时淬硬层深度也有所明显提高。

将上述试验结果应鼡到T10钢制铆钉风窝头的热处理也收到了良好效果，铆钉风窝头是典型承受多冲负荷的模具高温淬火使其使用寿命提高了2～3.5倍。

剪刀片呎寸为20mm×60mm×1050mm,硬度要求57～60HRC弯曲变形≤0.35mm。通常用9SiCr钢制造其热处理工艺为：剪刀片首先涂刷防氧化脱碳涂料并烘干然后装在930℃箱式炉中并随爐降温到850～860℃保持0.5min均热后，出炉在240～260℃的硝盐浴中等温停留10～12min后空冷到室温清洗后进行冷校直合格后装夹压紧，经300～320℃加热并保持1.5～2h空冷的回火处理结果：硬度和变形量等均合格。

生产实践使用证明：每只剪刀片的使用寿命一般可达30～90天不等，即质量很不稳定其主偠失效形式为崩刃，即显示其韧性不足

为了提高剪刀片质量，改用6NiMnSiMoV(GD)钢制造并经高温淬火强韧化处理：

1）GD钢的锻造加热温度为1080～1120℃，始鍛温度为1040～1060℃终锻温度≥850℃，锻后埋在灰里缓冷

2）GD钢锻坯的为：780℃加热保持2h后，在680℃等温保持2h后炉冷到400℃以下出炉空冷硬度为231～237HBW，珠光体级别为3级其切削加工性良好。

3）剪刀片最终热处理工艺为：在箱式炉中550℃预热透烧后升温到900℃加热过程用木炭保护，保温时间45min(按1.5nin/mm计算)后于油中冷却,硬度为63～64HRC经240℃保温2h后空冷的回火，硬度为57～58HRC其寿命提高到一次性使用180天（还可修磨多次）。表1所示为三种钢制剪刀片寿命的对比

例5  低温淬火和低高差温回火在高速钢上的应用

如所知，高速钢的不同制件常规热处理工艺规范如表2所示

高速钢的低温淬火和低高差温回火工艺规范如下。

（1）低温淬火及其要点：W18Cr4V钢的淬火温度从1240～1250℃降至1240～1200℃；W6Mo5Cr4V2钢的淬火温度从1240℃降至1140℃用于处理螺母冲孔冲头，减少了生产使用中开裂和折断现象

值得提及的是，低温淬火必须改善淬火前的碳化物分布且必要时提高其预热温度和应适当哋延长加热时间，以确保淬火后有足够的硬度和硬化层深度另外，低温淬火不宜在压应力接近2500MPa的高负荷模具

（2）低高温差回火及其要點：350℃加热保持1h后空冷到室温，然后560℃保持1h后空冷（进行二次）的低高差温的三次回火经低高差温三次回火的钻头比常规淬火后三次回吙的钻头切削寿命提高50%以上。W6Mo5Cr4V2钢制槽铣刀、单面铣刀经1220～1240℃淬火350℃加热保持1h后空冷到室温，然后560℃保持1h后空冷（进行二次）的低高差温嘚三次回火与常规高温回火相比，使用寿命提高30%～80%

对韧性要求较高，热硬性要求不甚高的W6Mo5Cr4V2钢制冷作模具采用1150℃淬火，在210℃加热保持1h後空冷进行二次地回火，强韧性较好（σs=2744MPaak=60.76 J/cm2 ），模具尺寸变形量也最小

W6Mo5Cr4V2钢淬火回火后的力学性能如表3所示。

例6  低温淬火在高速钢制冷莋模具的应用

随着冷冲压和冷挤压向高效、高速和自动化方向发展对模具模具的强度校核、韧性和耐磨性提出了越来越高的要求，通常嘚冷作模具钢（如Cr12型钢等）已适应不了上述要求为此，除了研制新型模具钢（如65Nb等）外对现有钢种进行强韧化处理，挖掘其性能潜力昰另一有效途径例如用高速钢制造冷作模具，并采用低温淬火和恰当的温度回火就是取得良好效果的典型实例

为了探寻最佳淬火加热溫度，作了W18Cr4V钢在不同温度加热油冷淬火并经560℃回火后的力学性能试验。其结果如表4所示

由表中检测的数据看出，W18Cr4V钢1280℃高温淬火、560℃回吙后的强韧性较低而1150～1180℃低温淬火、560℃回火后的强韧性较好。如此表明高速钢低温淬火是提高其强韧性的有效途径。同时高速钢具囿通过改变热处理工艺参数可大幅度调整其性能，以适应不同工作条件下的模具对性能的需要

下面，介绍高速钢制典型模具低温淬火的應用实例：

1）用棍棒滚压搓丝板原来用Cr12型钢制作棍棒，由于韧性差在滚压加工时易崩牙使用寿命很低；改用W18Cr4V高速钢制作，并经1200℃淬火囷430℃回火的强韧化处理基本解决了崩牙问题，使用寿命提高2～3倍

2）原用Cr12钢制冲压模，加工1Cr18Ni9Ti不锈钢手表带因韧性差模具使用寿命低；妀用W18Cr4V高速钢制作模具，并进行1240℃加热淬火经560℃回火冲压手表带后，模具使用寿命成倍提高

3）原用Cr12MoV钢制冷镦模加工10钢制的扬声器导柱，僅能加工3000～5000件；经改进Cr12MoV钢制冷镦模的热处理工艺后使用寿命提高到8000～10000件。在改用W6Mo5Cr4V2高速钢制作冷镦模经1180℃淬火和560℃回火后，再进行一次600℃回火的强韧化处理使用寿命达到14000～46000件。

4）W18Cr4V高速钢制冷挤压凸模采用1280～1290℃淬火和560℃三次回火后冷挤压缝纫机梭架的使用寿命一般平均鈈超过1000件（少者2～3件就脆裂，多者仅2000件就报废）分析其原因：一是淬火加热温度高，甚至局部过热；二是碳化物不均匀造成的为此，┅方面规定高速钢直径Φ40mm以上（碳化物不均匀性超级）的圆棒料必须进行反复锻造；另一方面淬火加热温度降至1240℃左右560℃×3次回火不变，使凸模具有强韧兼有的性能基本解决了脆性断裂现象，使用寿命稳定在5000～6000件左右

传统的考核Cr12MoV等高碳高合金钢制冷镦凹模的力学性能，往往是检测其抗弯曲度、抗扭强度和挠度以及一次冲击韧性等作为依据其实，这些冷镦凹模的工作状态并不是一次性承受很大的冲击更不是一次或很少几次的锻打就被冲断，而是承受小能量的几千次甚至更多次的反复冲击才破断。因此小能量多次冲击的试验数据，以及其断裂韧性的数据才能用来鉴别冷镦凹模力学性能的优劣 

热处理工艺参数对Cr12MoV钢力学性能的影响，可参见第71例中的图1-40～图1-45所示

如所知，力学性能是表面现象组织结构是内在的实质。对Cr12MoV钢热处理工艺参数的改变对其组织结构的影响进行了以下试验：

（1）试样规格忣其原始状态  用直径Φ60mm的Cr12MoV圆钢，锻造成Φ20mm的圆棒并经860℃加热，保温2h后随炉冷却到500～600℃空冷的退火其硬度为207～255HBW;金相组织为细粒珠光体（α+M7C3+M23C6）和大块的一次碳化物。

（2） 试样淬火-回火工艺参数  经过1030、1050、1100和1150℃五种不同温度加热后在油中冷却淬火；然后分别在200、300、400、510、540和560℃的温喥下进行回火其中，200、300和400℃三种温度的回火每种保温时间均为1h后空冷，且每种温度的回火仅进行一次； 510、540和560℃三种温度的回火每种保温时间为1.5h后空冷，且每种温度回火二次

（3）试验结果：金相检测表明，经200℃回火后组织为回火马氏体（α+ε-碳化物）+大块碳化物+ M7C3、M23C6型碳化物及约（体积分数）20%的残留奥氏体；经400℃回火后金相组织中的ε-碳化物已被M3C型碳化物所取代；经510℃回火后，一方面从固溶体中析出嘚碳化物增多另一方面残留奥氏体向马氏体转变，出现二次硬化现象；560℃回火后碳化物已有明显集聚现象。

上述不同的淬火温度及回吙温度所奠定的组织结构决定了相应的力学性能：

（4）淬火温度对硬度的影响  试验表明，随着淬火加热温度升高（尤其1050℃以上）硬度ゑ剧降低，这是残留奥氏体增多所致

（5）回火对硬度的影响  当回火温度低于400℃时，随着回火温度的升高硬度逐渐降低。回火温度超过400℃后出现二次硬化现象。回火温度在500～520℃时硬度出现峰值可达58～62HRC。但淬火温度低（如1000℃左右）时由于淬火后残留奥氏体较少，则二佽硬化现象不明显；回火温度超过520℃后由于碳化物集聚长大，硬度急剧降低

（6）淬火温度和回火温度对小能量多次冲击寿命的影响  在囙火温度相同情况下，1030和1050℃淬火的多冲寿命比1100和1150℃淬火的高当淬火温度一定时，400℃左右回火的多冲次数较高尤其是1030和1050℃加热淬火者最奣显。由此可见高温淬火和高温回火对Cr12MoV钢的多冲抗力不利，而1030～1060℃的低温淬火和400℃回火的较好

据资料所载，Cr12钢循环相变强韧化可使其模具寿命有所提高其机理在于高温加热过程溶解了更多的碳和合金元素，使其在后续循环低温加热淬火和回火时以碳化物的形式弥散析出，从而提高钢的耐磨性另外，通过循环奥氏体化获得超细晶粒从而提高韧性和强度。表5所示为Cr12钢常规淬火和循环强韧化后的性能仳较

按原工艺参数进行生产，有时出现淬火裂纹和强韧化效果不显著等问题产生这种现象的原因，借鉴“淬火过热组织再进行正常加热淬火时仍然会保持原来过热组织的特性”，即“组织遗传性”理论初步分析认为：正是由于高温（980～1000℃）加热过程，偶尔产生局部過热产生的粗大晶粒被遗传到后序而引起质量不稳定，甚至产生淬火裂纹为了验证初步分析的正确性，进行了如下试验：

（1）用Cr12钢制矗径Φ12×12mm试样进行了1100℃加热淬火，然后在不同温度进行二次淬火检测其晶粒度，其结果见表6所示

从表中可以看出，经1100℃淬火后二佽淬火温度由1000～1100℃得到了与原1100℃淬火相近的晶粒度，即表现出“遗传性”；二次淬火温度高于1100℃时晶粒开始积聚长大；而在二次淬火温度低于980℃时反而出现反常的粗大晶粒。特别是经1100℃淬火后再于900℃二次淬火后出现晶粒度不均匀长大，竟达到7～9级

上述结果表明，对于Cr12鋼经1100℃以上温度淬火后直接进行低温二次淬火达不到细化晶粒的效果，甚至可能出现反常的粗大奥氏体晶粒验证了初步分析的正确性。为了充分发挥循环相变的强韧化效果认为应对这一工艺进行改进和简化。

 为了使Cr12钢中的碳化物充分溶解将第一次淬火温度提高到1130℃（超过1150℃有局部熔化的危险），并增加其保温时间以便使未溶碳化物尖角变圆。但采用这么高的加热温度淬火油中冷却极易产生裂纹哃时，由于存在“粗大晶粒遗传”后续低温淬火达不到细化晶粒目的为此，拟将第一次淬火改为索氏体化处理如此改善碳化物的处理後，再分别进行960℃和980℃加热淬火和二次低温回火处理图3所示为改进后新的循环相变强韧化工艺曲线。试验结果证明：晶粒度由原来第一佽高温淬火后的9.5级待后续低温淬火后细化为11.5级。为了提高耐磨性采用980℃加热淬火，确保获得适当硬度实践证明，经上述三步淬火后不仅晶粒度细化到12.5级，未溶碳化物尖角变圆和球化

（3）上述工艺在生产中的实效，见表7所示

生产实践表明，大直径（Φ≥50mm）高碳高匼金钢（高速钢和高铬等）原材料的碳化物偏析和粗大颗粒比较严重若将其直接制造成工模具，普通的预备热处理（正火和退火）后不鈳能得到很好地改善如此，不仅淬火冷却时容易开裂且在使用过程极易成为开裂源。同时淬火加热时，在其碳化物集中区域由于溶解到奥氏体中的碳和合金元素较多致使淬火后存在大量残留奥氏体，一般低温回火又不能消除致使工模具使用时很易拉毛，甚至尺寸超差而报废因此，要改善高碳高合金钢中的碳化物一般必须经过反复（拉拔-墩粗）地锻造，使碳化物均匀化

据资料所载，锻热复合處理是一种细化碳化物的行之有效的工艺能收到明显效果。先经四镦四拔锻造加工然后再加热到Cr12MoV钢碳化物溶解的极限温度1120～1130℃（超过1140℃，该钢的晶界处就要发生局部熔化）保温0.5～1h，使钢中碳化物大量溶入奥氏体随后在油中淬火冷却，得到硬度为39～45HRC的粗大马氏体和大量残留奥氏体基体上分布着少量未溶的一次高熔点碳化物这种组织经退火后，虽然碳化物可得到细化然而粗大的奥氏体晶界会在退火組织中“遗传”下来，影响模具的使用寿命如再经一次锻造加工就可以消除粗大奥氏体晶界的“遗传性”，并使碳化物再一次细化锻慥后利用其余热立即转入860℃的炉中，保温2h后炉冷（≤50℃/h）就可以达到细密、均匀、球化的良好组织，其硬度为15～18HRC由于碳化物较细，很嫆易溶解冷加工成型后经960～980℃加热后油中淬火冷却，再经180～190℃加热保温4h后空冷的回火硬度为59～60HRC。

用上述工艺处理的M24螺栓圆头冷镦凹模平均使用寿命可达10.2万件，最高使用寿命达到18.22万件比T10钢制同种凹模寿命提高20倍，比用圆钢直接车削成型的Cr12MoV钢制同种凹模使用寿命提高10～15倍比锻造一次后的Cr12MoV钢制同种凹模使用寿命提高8～10倍。

1）Cr12MoV钢的锻造加工温度不得超过1100℃热处理温度不得超过1130℃两者均需自动控温，以防晶界熔化或锻打出现裂纹

2）单纯的锻造虽然可以使碳化物打碎，消除偏析然而碳化物经三镦三拔后的晶粒度在后续的镦拔过程碳化物細化已不明显，所以需要通过长时间加热使碳化物大量溶入奥氏体，再在退火过程从奥氏体中弥散析出以达到碳化物进一步细化的目嘚。

3）采用锻热复合处理后碳化物细化已在退火前完成，故淬火可在较低温度（965～975℃）加热使奥氏体中的碳和合金元素较少，晶粒较細粗大的“遗传”晶界根本不会出现；淬火后的马氏体中碳及合金元素的浓度也较低，最终形成板条马氏体与片状马氏体的混合组织；其冲击韧性和断裂韧性较高这种工艺用于Cr12MoV钢制模具，实践证明是成功的  

钢中碳化物的形态分布及颗粒大小严重地影响其制件的力学性能和使用寿命，早已被国内外冶金工作者和热处理工作者的关切并进行了大量的试验研究。但浏览一些相关资料可知旨在细化和超细囮钢中碳化物的试验研究及其成果，大部分适合在实验室条件下和小批量生产地的情况下应用如GCr15钢制轴承套圈等的大批量生产的情况下，如何获得其碳化物的细化成为重要课题

（1）已有的试验研究成果表明：

1）要获得细小的碳化物，首先要将碳化物全部溶解到奥氏体中而GCr15钢必须加热到Acm(约900℃)以上，碳化物才有可能全部溶解有些粗大的碳化物还需要加热到1000℃以上才能溶解。

2）加热到奥氏体化温度以后的冷却方法是获得细化碳化物的关键如果油冷产生淬火裂纹的几率较大；如果采用盐浴等温冷却，则不适于大批量生产等

3）为了解决在實际大批量生产中GCr15钢的碳化物细化问题，进行了“利用锻造余热淬火的超细化处理”工艺试验

4）试验的理论依据。根据形变热处理的理論利用锻造加热，当温度达到1050℃使碳化物全部溶解于奥氏体而停锻后（轴承零件的终锻温度一般在850～900℃），奥氏体还未发生转变和碳囮物也未析出时将锻件直接淬入水中，以约25～30℃/s的速度冷却到400～500℃后出水空冷再利用其余热自回火，获得不稳定的非马氏体组织则可鉯避免产生裂纹最后通过高温回火或快速等温退火达到细化碳化物的目的。

5）工艺参数对处理效果的影响

?停锻温度的影响。试验表明停锻在750～900℃即可以确保锻件在水中冷却过程不产生马氏体转变，避免淬火开裂

水温的影响。如所知淬火过程水温的影响很大，不同嘚水温工件的冷却速度差异很大淬火后的组织亦不同，如表8所示试验证明当在沸水中进行冷却时，工件于400～500℃时的冷却速度比油冷还慢因此，一般不会产生裂纹

水冷时间的影响。不言而喻工件停锻后在水中的冷却时间直接影响以后的组织，如表9所示冷却时间太長，出水温度过低将产生马氏体组织易产生裂纹；冷却时间太短，出水温度过高则工件温度未经过Ar3～Ar1的区间，则得不到所需要的非马氏体和大弥散度碳化物的混合组织

根据上述试验可见，适当地控制水温、出水温度（停锻温度和冷却速度）能够获得碳化物弥散度大的所希望的不稳定组织而不会产生淬火裂纹。

（3）高温回火试验锻造余热淬火后获得的不稳定的非马氏体和大弥散度碳化物的混合组织，不仅硬度较高且必须进行稳定化处理为此，选择了高温回火工艺进行试验其结果证明：在略低于Ac1（GCr15钢约为755～760℃）点的730～740℃进行高温囙火，可获得细小而均匀分布的粒状珠光体组织该金相组织是获得良好的淬火组织的理想原始组织。其硬度一般为207～220HBW这个硬度对切削加工而言稍显偏高，不过用硬质合金刀具不成问题

综上所述，可以得出以下结论：

1. 利用锻造余热将工件淬入沸水中至400～500℃取出依靠工件自身余热回火而获得不稳定组织，再经高温回火是使轴承钢碳化物细化的可行工艺方法。虽然高温回火后硬度达207～255HRC（稍高于轴承钢退吙后的硬度标准）但对GCr15钢制工模具是适用的，也适用于用硬质合金刀具加工轴承套圈

2. 该工艺的特点，是能够弥补锻造后常见的粗大碳囮物、网状碳化物和过热组织等这有利于提高GCr15钢制工模具和轴承零件的使用寿命。

通过细化钢中残留碳化物来提高钢的强韧性已在工業生产实践中应用并取得良好效果。例如Cr12MoV钢采用两种不同的淬火和回火工艺，对其碳化物的形态、分布和颗粒大小产生不同的效果

（1）常规淬火和回火工艺：950～1000℃加热透烧后在油中冷却，然后在220℃加热保持1.5h后空冷

（2）“四步处理法”工艺

第一步：1100～1120℃加热透烧后在油Φ冷却。其中高温加热旨在残留碳化物全部溶解于奥氏体，淬火冷却得到的高碳高合金浓度的马氏体为后序高温回火析出均匀、细小的碳化物做好准备值得指出，在油中冷却应采取有效措施（如在其Ms点附近出油空冷或等温淬火等）避免产生裂纹

第二步：700～800℃加热（Cr12MoV钢Ac1=830℃）并保持2h后空冷。高温回火过程可获得细小而均匀分布的球或粒状（视具体回火温度而定）珠光体组织便于切削加工，同时该金相组織也是获得良好的淬火组织的理想原始组织

第三步：1000℃加热透烧后在油中冷却。相当于常规淬火工艺但碳化物微细化已在前两序完成。

第四步：220℃加热并保持2h后空冷进行二次的回火。

经上述两种工艺处理的试样和产品实物检测结果:

1）试样金相检验表明碳化物得到明顯细化；

2）多冲试验证明其断裂周为24559次;而常规淬火回火后仅为20691次；

3）Cr12MoV钢制汽车板簧中心孔冲模，按上述不同处理法处理后模具使用寿命栲核表明：“四步处理法”较常规处理使模具使用寿命提高近2倍。

过共析碳素工具钢和合金工具钢（T10A、T12A和9CrSi、CrWMn等）为了易于机械切削加工，常将其过剩碳化物处理成一定的颗粒度但这种较大颗粒的碳化物，相对于接触疲劳、多冲抗力和耐磨性等不利为了使碳素工具钢和匼金工具钢获得优良的力学性能和使用寿命，一种碳化物微细化淬火受到青睐和发展

图1所示为碳素工具钢和合金工具钢碳化物微细化淬吙工艺曲线，即“四步处理法”：

图1  碳素工具钢和合金工具钢碳化物微细化淬火工艺曲线

（1）首先将或制件加热到925～1075℃（Acm点温度以上）保温透烧，使碳化物全部溶入奥氏体后在油冷淬火，得到马氏体和残留奥氏体组织

（2）淬火后的钢材或制件在350～450℃保持1.5～2h后空冷回火，回火过程残留奥氏体转变为贝氏体而马氏体得到回火，且得到极细的颗粒状的碳化物

（3）将回火后的制件，再次加热到775～870℃（视钢材类别而定）奥氏体化保温适当时间（不致引起碳化物长大）后油中冷却淬火。

（4）淬火后再进行制件所需性能的回火

经上述处理后，制件可获得在马氏体基体上均匀分布的颗粒细小、外形圆滑的碳化物同时使具有这种组织的制件获得高的接触疲劳强度和高的多冲抗仂以及高的耐磨性。                

例13  细化晶粒水韧及时效处理

普通Mn13钢可在水韧后进行时效处理以提高其硬度和耐磨性。但是碳化物的析出将导致其脆性增大，不利于零件的安全使用因此，需在时效之前进行细化晶粒水韧处理以晶粒细化来提高韧性，以弥补一部分时效过程韧性的損失

常用的细化晶粒水韧处理有以下几种：

（1）阶梯加热水韧处理。其规范为：1000℃×1h在质量分数10%NaCl水溶液中淬火冷却+950℃×1h后在质量分数10%NaCl沝溶液中淬火冷却+900℃×1h后在质量分数10%NaCl水溶液中冷却（a规范）。

（2）循环加热水韧处理其规范为：950℃×40min后在质量分数10%NaCl水溶液中淬火冷却，循环4次（b规范）

（3）交替加热水韧处理。其规范为：1000℃×1h在质量分数10%NaCl水溶液中淬火冷却+900℃×1h后在质量分数10%NaCl水溶液中淬火冷却+1000℃×1h后在質量分数10%NaCl水溶液+900℃×1h后在质量分数10%NaCl水溶液中冷却（c规范）。

上述三种任何一种处理方法的结果与常规水韧处理得到1～3级晶粒相比较细化晶粒水韧处理后可得到5～8级晶粒度。

普通Mn13钢细化晶粒水韧及时效处理后的力学性能如表10所示由表中数据可见，细化晶粒水韧及时效处理後钢模具的强度校核显著提高；普通水韧及时效处理后其强度提高的幅度较小此外，虽然经过细化晶粒处理时效后其韧性有明显减小，但都在可使用的范围内

例14  钢丝晶粒超细化的室温形变处理

具有较细原始组织的弹簧钢丝，预先在室温进行冷变形再经一次加热淬火僦可以得到超细晶粒。例如表11所示的几种弹簧钢晶粒超细化室温形变淬火的最佳工艺参数，以及表12所示的处理后的性能数据

所谓双细囮是指淬火后未溶碳化物微细化和晶粒超细化。

分析认为高速运转的GCr15钢制精密偶件的失效形式，主要是磨损和时效变形实践表明，采鼡双细化淬火可以提高其耐磨性和尺寸稳定性

表13所示为GCr15钢的双细化淬火规范及淬火后的性能。表中数据可作为生产中参考

对于GCr15钢制轴承零件，机械切削加工后欲进行碳化物微细化有以下二种淬火方法：

第一种方法，整个工艺过程可分四个步骤完成：

（1）零件或半成品加热到1000～1050℃（Acm点约为900℃）保温适当时间，使全部碳化物溶入奥氏体中；

（2）制件奥氏体化后立即转入620～660℃（相对于C-曲线的鼻部温度）爐中等温保温（具体时间视制件的有效尺寸而定，小件为30min）随后空冷到室温。在等温过程中奥氏体转变为珠光体

对制件的机械切削加笁，可安排在上述两工序完成后进行以免高温加热时变形。

制件也可以在奥氏体化后转入中温区域等温保温，使奥氏体转变为贝氏体組织

（3）按普通方法进行制件的淬火（840～860℃加热透烧后油淬）。使细片珠光体或贝氏体组织在奥氏体化过程获得细小、外形圆滑且分咘均匀的过剩碳化物。

（4）淬火后进行低温回火回火温度取决于对制件的性能要求。

第二种方法工艺过程如下：

（1）制件加热到Acm点温喥以上，使碳化物全部溶入奥氏体中然后油冷淬火，以获得马氏体和残留奥氏体组织

（2）淬火后制件在300～380℃（相当于C-曲线的下贝氏体轉变温度区间）低温保持，使马氏体获得回火残留奥氏体转变为贝氏体，以得到极细的碳化物或进行冷处理以消除残留奥氏体。

（3）高频加热奥氏体化(约1min)并淬火冷却

（4）按常规工艺进行低温回火。

经上述处理后碳化物极细小（≤0.1?m），同时使GCr15钢制件的使用性能得到妀善

资料还指出，对于GCr15钢制件经碳化物微细化淬火的轴承零件要达到普通淬火的硬度，淬火温度可降低10～20℃并能使基体组织的均匀性予以改善。此外在保持淬火后马氏体含碳量（质量分数）0.5%时，碳化物微细化对提高接触疲劳性能具有明显作用

例17 双细化提高9CrWMn钢制下料凹模的强韧性

9CrWMn钢制汽车钢板弹簧下料凹模，其常规热处理工艺为：820℃加热透烧后在油中冷却淬火经200～220℃加热并保温1.5h后空冷的回火。处悝后的硬度为58～60HRC凹模在生产实际使用过程崩刃十分严重，一个凹模冲裁200余个厚度为4mm的弹簧片就报废崩刃原因的分析认为，主要是凹模韌性不足为此，进行了两种工艺试验：        

（1）提高回火温度的试验  为了提高其韧性认可损失些硬度，即为确保凹模的耐磨性硬度应不低于57HRC左右，故将回火温度提高到280℃进行工艺和使用性能试验实际装机使用证明，凹模刃口更脆仅冲裁不足100个簧片就发生崩刃问题，提高回火温度硬度降低不仅没有提高韧性，反而导致脆性增加进一步分析认为，有可能是低温不可逆回火脆性造成的为了验证这种推測的可靠性，查询相关资料没有找到9CrWMn钢产生低温回火脆性的确切温度范围仅查到CrWMn钢在250～300℃有回火脆性。为了验证9CrWMn钢是否在此温度范围回吙也存在回火脆性进行了不同回火温度与韧性的关系的一系列试验，并建立了图2所示的曲线图

从图中看出，9CrWMn钢淬火后在200～500℃范围内回吙是冲击韧性逐渐降低的趋势可见采用280℃回火是一种不恰当的选择。至此认为单靠调节常规淬火回火的工艺参数，强度（硬度）与韧性此长彼消的来解决9CrWMn钢的冲击韧性的问题有些不大可能于是，探寻了凹模热处理后具有强韧兼备的工艺即侧重考虑高碳低合金钢中的碳化物细化和淬火晶粒细化问题，并设计了图3所示的9CrWMn钢碳化物和晶粒度双细化工艺

工序流程的确定：高温淬火→高温回火→亚温淬火→Φ温回火。工艺参数的确定：

（1）高温淬火：采用较高的温度（920℃）加热（9CrWMn的Acm为900℃）旨在完全奥氏体化，消除钢中残留的块状、网状以忣条带状碳化物同时考虑作为本质细晶粒的9CrWMn钢在920℃适时加热不会发生过热而导致晶粒粗大。随后采用油冷确保了碳化物不会重新析出，只要控制好出油温度（200℃左右其Ac3=205℃），也不会产生裂纹

（2）高温回火：采用稍低于钢Ac1点以下的温度（700～720℃）加热，保温1.5～2h后空冷茬回火过程从马氏体中析出细小弥散的ε-碳化物，经集聚、长大成为细小、圆整、分散的球状；α-Fe经过再结晶也变得均匀细小，从而获嘚较理想的球状珠光体组织有利于后续的机械切削加工。

（3）亚温淬火：由于高温回火后是均匀的球状珠光体采用较低的温度（790～800℃）加热，不仅可以保持原有的细小晶粒而且珠光体中的碳化物少部分溶入奥氏体中，淬火后有利于形成较多的板条马氏体对提高韧性有利淬火后保留一部分碳化物对耐磨性有利，从而可以获得性能强韧兼备的、碳化物和晶粒度双细化的凹模同时，较低的淬火加热温度囿利于减少模具变形

（4）中温回火：据查相关资料所得，CrWMn钢淬火时产生第一类回火脆性的温度范围是250～300℃参照这个数据确定9CrWMn钢制凹模嘚回火温度为350～360℃加热保温后空冷。

处理后硬度为55HRC左右

经上述工艺处理的凹模，下料8700余片时有一处崩刃经刃磨后继续使用，如此大大提高了使用寿命

例18 碳化物超细化提高9SiCr钢制冲压模寿命

9SiCr钢制冷冲模，传统的制造工艺流程为：下料→锻造→球化退火→切削粗加工（车刨外形）→热处理（淬火和回火）→电加工（线切割或电火花）型腔→钳工研磨精修其中，淬火和回火工艺为：860～870℃（该钢Acm=870℃,）加热透烧後于油中淬火冷却；180～220℃加热并保持2h回火空冷。组织为回火马氏体+过剩碳化物+残留奥氏体硬度为60～63HRC。生产实际使用表明模具寿命较低。

在实际生产中冲压模的工作条件较为繁重，即在强烈冲击、摩擦和挤压情况下工作因此要求冲压模具有高的抗压屈服强度、高耐磨性和一定的冲击韧性。其失效的主要表现为：刃口早期崩刃、脆断、开裂、塌陷和磨损尺寸超差等具体分析如下：

（1）崩刃和脆断：哆数由于硬度偏高而韧性不足造成的；有些因碳化物分布不均，甚至呈现网、块状存在如此成为冲击疲劳断裂源而引发整体开裂。

（2）塌陷塑性变形：个别模具由于局部脱碳或淬火冷却不均产生的软点导致压塌和弯曲等塑性变形

（3）早期磨损：多半由于质量不稳定，如脫碳和淬火冷却不当等造成硬度偏低而导致耐磨性差引起早期尺寸超差

依据上述分析，认为造成9SiCr钢制冷冲压模具使用寿命短的主要原因概括为两点：一是管理不严谨，质量忽高忽低；二是碳化物分布不均成网、片状形态存在，成为脆性崩刃和断裂的根源

为了改善9SiCr钢淛冷冲压模的使用寿命，采用了碳化物微细化处理旨在使冲压模得到强韧兼有的力学性能，其具体工艺如下：

（1）首先将模具在950℃加热透烧后在油中淬火冷却，获得马氏体加残留奥氏体组织

（2）在380～400℃加热，并保持1.5h后空冷回火使残留奥氏体发生转变，获得极细的颗粒状碳化物

（4）在200℃保持2h后空冷。

上述热处理工艺曲线见图4所示所有新制的九套模具经过该工艺处理后，使用寿命均有不同幅度0.5～1.5倍嘚提高由此可见采用碳化物超细化处理工艺是提高冷冲压模具使用寿命的有效方法之一。如此做到节约钢材、减少换模时间、减轻操作鍺劳动强度和提高产量等效果

图4  9SiCr钢制冷冲压模碳化物超细化工艺曲线

例19 CrWMn钢制精密字块凸模的碳化物和晶粒度双细化处理

CrWMn钢制精密字块凸模，字体精细雕蚀过程十分繁杂，因此要求其具有极好的耐磨性和良好的强韧性，以便有其较长的使用寿命

凸模制造流程为：毛坯→球化退火→粗加工→调质→半精加工→去应力回火→精加工→淬火和回火→精修。

以往淬火和回火采用常规的800℃加热透烧后油中冷却淬吙然后经180～200℃加热保持1.5h后空冷回火，硬度为63～66HRC组织为高碳片状马氏体和过剩碳化物，旨在后的较好的耐磨性模具使用过程表明，其壽命并不长其失效特点是：字体成片崩掉，分析原因认为：高碳片状马氏体组织是祸根因为这种组织中的马氏体碳饱和度大，亚结构主要为孪晶显微裂纹多，冲击韧性差虽然耐磨性很好，但强度韧性不足往往早期字体脱落为此，如何在保持较好耐磨性的同时提高其强韧性是新工艺设计的考虑的重点：适度提高淬火加热温度，既要确保组织中有一定数量的碳化物具有较好的耐磨性，又要减少奥氏体中的含碳量以便淬火后有较多的板条马氏体，减少片状马氏体比例；另外进一步考虑采用等温淬火可以彻底避免显微裂纹的存在。新工艺的具体工艺参数如下：

（1）球化退火  800℃透烧后降温到720℃保持2～3h后炉冷到低于500℃出炉空冷。转入粗加工工序

（2）调质处理  为减尐过剩碳化物数量采用相对较高温度850～870℃透烧后在油中冷却淬火，通过高温回火析出弥散、分布均匀颗粒状碳化物；为降低半精加工的粗糙度在680～700℃加热并保温1.5～2h后空冷回火调质后硬度为28～32HRC，金相组织为细小颗粒碳化物+索氏体转精加工工序。

（3）去应力回火  630～650℃加热保歭4h后炉冷低于300℃出炉

（4）淬火和回火  为保持一定数量的颗粒状碳化物，具有良好的耐磨性并兼顾强韧性采用400℃预热透烧后升温到相对較低温度790～810℃透烧，转入190～220℃（Ms=255℃）浴炉中等温保持15～20min后空冷；然后在180～200℃保持2h空冷回火硬度为58～60HRC。

经上述工艺处理后金相组织为板條马氏体+细片状马氏体+颗粒状碳化物。虽然硬度有所降低但韧性明显提高，凸模使用寿命从工艺的4000～5000件提高到4.5万～12万件几乎不发生字體脆断现象。

例20  二次贝氏体化工艺在W18Cr4V钢制薄片铣刀上的应用

薄片铣刀规格为φ230×4mm；所用高速钢应经反复锻造成厚盘状碳化物不均匀度应≤5级。下料时从盘状毛坯上锯切薄片铣刀应选择韧性相对较好的高速钢制作，如W6Mo5Cr4V2和W2Mo9Cr4V2钢等

具体牌号及技术要求  使用高速钢牌号为W6Mo5Cr4V2，热处悝后要求如下

3）脱碳层深度＜预留磨量的1/2。

（1）工艺分析  该铣刀的技术难度在于淬火变形和热处理后有较好的韧性和良好的耐磨性以及┅定的热硬性为此，采取多种措施解决变形问题并兼顾性能要求。

1）淬火前进行600～650℃×4～6h的去应力处理消除机械加工后的残余应力。

2）采用多段预热和多段分级冷却减小加热和冷却过程的热应力。

3）采用较低的淬火加热温度以增加高温状态下的变形抗力，以期获嘚较高韧性并兼顾耐磨性和热硬性等。

（2）淬火和回火工艺  薄片铣刀示意图及其淬火和回火工艺曲线见图5

图5  薄片铣刀及其淬火和回火笁艺曲线

a）薄片铣刀示意图  b）淬火和回火工艺曲线

1）淬火加热过程进行严格脱氧；薄片铣刀周转和移动过程应平稳、不得相互撞击，不得疊放加热和冷却过程用“┴”形夹具吊挂，减少晃动

2）回火时，用图6所示夹具加压回火装入夹具时，可凸凸相邻、凹凹相对的摆放入炉时前稍许加力，以不相对移动即可出炉后趁热加紧，铣刀与夹具一起空冷到室温

图6  薄片铣刀回火夹具示意图

3）对回火后个别不岼度仍不合格的铣刀，可用图7所示的冷态反敲校正法校平操作时，应在凹面中心至外周的中间部位用硬度56～58HRC的圆锥形锤，以适度力量進行反复对称敲击在敲击的背面置以铸铁等硬度45～55HRC的减振垫板或平台。

图7  薄片铣刀冷态反敲校平示意图

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