3.5.1模具零件熱處理特點(diǎn)

通常所謂葛利茲模具熱處理實(shí)際上是指模具零件的熱處理。模具結(jié)構(gòu)零件的熱處理與普通機(jī)械零件無(wú)異。下面介紹的是模具中受力復(fù)雜、服役條件惡劣，熱處理

技術(shù)要求高、難度大的工作零件或成形部分零件。如沖頭、凸模、凹模、型腔、型芯、刀片等。對(duì)于一個(gè)具體零件而言，除了選用的材質(zhì)外，還有它的特有的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸、技術(shù)要求；熱處理前后工序的配合和要求；熱處理時(shí)選用的設(shè)備和工裝、裝爐量及裝爐方式；生產(chǎn)組織及操作者的水平等，這些因素都有重大影響而應(yīng)予考慮。所以即使是同一材料的模具零件，在不同的生產(chǎn)條件下，工藝也會(huì)有所差異。

零件所選用的材料的品種（材料的熱處理特性）和技術(shù)要求是熱處理工藝制訂的最主要依據(jù)，而材料的品質(zhì)和熱處理前的冷熱加工質(zhì)量是熱處理質(zhì)量?jī)?yōu)劣的基礎(chǔ)。不管熱處理生產(chǎn)條件有何不同，在整個(gè)熱處理工藝過(guò)程中，都應(yīng)遵照有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝文件規(guī)定嚴(yán)加控制。

對(duì)于原材料或毛坯，在性能和金相組織上有證明已達(dá)到要求時(shí)，制造者就不必再進(jìn)行預(yù)先熱處理。多余的重復(fù)的熱處理不僅是浪費(fèi)而且有害無(wú)益。采用預(yù)硬化鋼的零件也同樣。

熱處理變形是模具零件熱處理的關(guān)鍵問(wèn)題之一。要解決需從多方面著手。首先是葛利茲模具設(shè)計(jì)。要使零件結(jié)構(gòu)工藝性良好；選材要講究?jī)r(jià)廉物美用其所長(zhǎng)。價(jià)廉不單純是材料成本價(jià)格，物美是有良好的使用性能和工藝性能；零件的熱處理技術(shù)要求應(yīng)科學(xué)合理，既要滿足零件的服役性能要求，又不增加熱處理的難度。第二是盡可能采用葛利茲預(yù)硬型鋼、微合金非調(diào)質(zhì)鋼、時(shí)效硬化鋼、微變形鋼、易切削鋼。這些鋼種就是為減少零件熱處理變形而開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用的。采用微變形的熱處理工藝，如滲氮、等溫淬火、分級(jí)淬火等。

利用高科技控制裝置和儀器1儀表檢測(cè)的熱處理裝備，使熱處理工藝的全過(guò)程控制達(dá)到智能化、人性化和網(wǎng)絡(luò)化。采用先進(jìn)的熱處理設(shè)備和工裝來(lái)保證工藝的貫徹和質(zhì)量控制是模具熱處理的發(fā)展方向，在現(xiàn)階段已成為可能和必要，以往在熱處理生產(chǎn)中主要依靠操作工人的經(jīng)驗(yàn)和技巧已難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求了。

模具零件熱處理實(shí)例從某一角度說(shuō)明了葛利茲模具零件熱處理工藝的多樣性，最佳工藝的相對(duì)性。但是熱處理的基本原理和準(zhǔn)則是不可違背的。下面介紹的一些實(shí)例是生產(chǎn)實(shí)踐的總結(jié)。經(jīng)驗(yàn)往往滯后于先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和帶有一定的局限性，但它可以給人以啟迪和借鑒。參考時(shí)應(yīng)結(jié)合自身的實(shí)際條件，舉一反三，觸類旁通。

3.5.2模具零件熱處理實(shí)例

例1 碳工鋼T10A高溫淬火

T10A鋼制作的鉚釘機(jī)風(fēng)窩頭，技術(shù)要求59-62HRC。原工藝是780℃奧氏體化，堿液淬火，180-200℃回火。現(xiàn)將奧氏體化溫度改為840℃,用水淬油冷雙液淬火，200℃回火2h,同樣達(dá)到硬度要求，但用改進(jìn)工藝處理的風(fēng)窩頭使用壽命，為原來(lái)的2-3倍。

此例說(shuō)明最終熱處理與預(yù)先熱處理要匹配。表面上看本工藝僅采用了較高的奧氏體化溫度和快冷。其實(shí)此例鋼的預(yù)先熱處理（退火）是840℃完全退火，獲得的組織是片狀珠光體，硬度185HBS。因此在片狀珠光體原始組織條件下采用840℃淬火和低溫回火使風(fēng)窩頭的抗壓強(qiáng)度、斷裂韌度提高，提高了葛利茲模具壽命。實(shí)踐證明此工藝適用于M22鉚釘機(jī)風(fēng)窩頭，加工φ16-22mm的Q235鋼鉚釘和Z47-12型多工位聯(lián)合冷鍛機(jī)工序沖模。

水油雙液淬火方法在操作上是比較難控制的，對(duì)于操作水平低或形狀復(fù)雜、尺寸較大的模具零件不太適宜。

例2 3Cr3Mo3W2V鋼的精鍛噴管模，采用高溫正火，改善碳化物形態(tài)

3Cr3MO3W2V鋼是納標(biāo)的新型熱作模具鋼。這一類鋼（尤其是較大截面時(shí)）在鍛后緩冷過(guò)程中碳化物易形成鏈狀或網(wǎng)狀，在以后的正常退火時(shí)難以改善或消除。具有這種組織的模具零件毛坯在以后的淬火回火處理時(shí)，雖然也能達(dá)到規(guī)定的硬度要求，但使用中模具仍有早期失效（脆斷）。正確的工藝過(guò)程是在退火前先進(jìn)行高溫正火，稱“組織預(yù)處理”或“組織處理”，是簡(jiǎn)單易行的有效方法。類似服役條件的模具如輯鍛成形模、C型軸承環(huán)成形模等也見(jiàn)效。

3Cr3Mo3W2V鋼精鍛噴管模的熱處理工藝過(guò)程如下：鍛后高溫正火（1130℃,空冷）一球化退火一淬火（1060-1130℃,油冷）一回火（600-680℃，兩次回火，每次1-2h，回火溫度和時(shí)間對(duì)不同對(duì)象可作調(diào)整)，硬度38-52HRC。

模具零件圖樣上，一般只標(biāo)出硬度要求。根據(jù)質(zhì)量定義：反映實(shí)體滿足明確和隱含需要的能力的總和。此例說(shuō)明：金相組織是模具零件熱處理質(zhì)量的隱含要求，是不能忽視的。

例3 CrWMn鋼冷沖模凸模低溫淬火

沖壓高硬度帶鋼（硬度≤240HV)的冷沖模。常規(guī)工藝和降低溫度淬火效果比較見(jiàn)表3-16。

表3-16CrWMn鋼冷沖模不同熱處理工藝的使用壽命

其他條件不變，僅把淬火溫度降低約30℃，就能取得很好的效果，因此在制訂工藝時(shí)針對(duì)零件特點(diǎn)是是重要的。

例4 20鋼齒模（鋸齒鎖緊墊圈沖模）

該沖模沖壓65Mn鋼鋼帶（硬度179-217HBS)。三種材料，六種工藝，有著不同的使用效果見(jiàn)表3-17。

表3-17齒模使用壽命比較

此例表明，采用價(jià)廉易得的20鋼只要有合適的熱處理工藝配合，也可獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。Cd2MOV、TlOA鋼都是制造各類沖模的優(yōu)良原材料，但工藝不當(dāng)，效果就不好。可見(jiàn)模具的選材和熱處理有多種途徑。在葛利茲模具零件熱處理中異途同歸也是常見(jiàn)的。

例5 Cr12MoV鋼滾絲模

表3-18三種工藝，硬度都符合圖樣的熱處理技術(shù)要求，都是合格品，但使用壽命相差較大，其中等溫淬火最好，因等溫淬火獲得下貝氏體組織，有較好的強(qiáng)初性，由此可見(jiàn)，只符合硬度指標(biāo)是不夠的。

表3-18是Cr12MOV鋼滾絲模的3種熱處理工藝及使用壽命的比較

例6 大型拉延模氣體氮碳共滲

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼拉延模，尺寸較大（1600mmX760mmX480mm),材料為球鐵QT600—3,通常采用火焰表面淬火。然后再滲氮，硬度要求≤420HV。工藝為：預(yù)先熱處理：900℃X31i正火（風(fēng)冷)，600℃X21i回火。半精加工或精加工后，6{KTCX3h去應(yīng)力退火，火焰表面淬火，42-48HRC，最后滲氮，硬度≤420HV10。由于火焰淬火是手工操作，不僅變形大而且硬度不均勻，有軟帶或軟點(diǎn)，成為早期失效（磨損）的主要原因。

工藝改進(jìn)是把最終熱處理的火焰表面淬火和滲氮改為氣體氮碳共滲（軟氮化)。結(jié)果變形減少。符合工藝要求。表面硬度（見(jiàn)證試樣）433-464HV10,共滲層0.25mm。工藝為：580℃X(5-6)h,NH3+CO+N2混合氣體中共滲處理。共滲時(shí)升溫速度宜緩慢，以減少熱應(yīng)力。

經(jīng)氣體氮碳共滲的拉延模，使用壽命比火焰淬火的大為提高。

此例是利用了球鐵對(duì)氣體氮碳共滲工藝的適應(yīng)性，而且生產(chǎn)單位具有大型的氮碳共滲爐子，因地制宜地利用了原有的生產(chǎn)條件。如果要新添大型設(shè)備和工作場(chǎng)地，則經(jīng)濟(jì)上就不一定有利了。再則，滲氮前采用火焰淬火是多余的。

例7 裝載機(jī)齒輪坯熱鍛模

雙聯(lián)齒輪齒坯熱鍛模用5CrNiMo鋼制造。加工工藝路線為：下料一鍛造一退火一機(jī)加工一淬火回火一機(jī)加工一成品。熱處理技術(shù)要求，硬度41-45HRC。為防止加熱時(shí)氧化脫碳，加熱在RJJ-90井式氣體滲碳爐中進(jìn)行。

曾用兩種工藝如圖3-26。在其他條件都相同的情況下，采用圖3-26b工藝的熱鍛模，使用壽命為圖3-26a工藝的高4倍。此例說(shuō)明熱處理工藝的多樣性。

采用不同工藝都可達(dá)到圖樣或工藝文件所規(guī)定的要求。同時(shí)也說(shuō)明最佳工藝的相對(duì)性。經(jīng)調(diào)查分析，圖3-26a工藝的缺點(diǎn)是由于淬火冷卻不足，淬火時(shí)為了防止開(kāi)裂，洋油時(shí)只估計(jì)表面達(dá)到150℃時(shí)，急于取出進(jìn)行回火，其實(shí)心部溫度還高，沒(méi)有完成馬氏體轉(zhuǎn)變，心部是淬火索氏體組織，強(qiáng)度不足，造成早期失效。所以在進(jìn)行比較時(shí)，不能與錯(cuò)誤的工藝或有缺陷的工藝對(duì)比來(lái)說(shuō)明其優(yōu)秀或準(zhǔn)確。這樣對(duì)比是沒(méi)有意義的。

例8 6Cr4W3Mo2VNb鋼冷沖模

6Cr4W3MO2VNb鋼是我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的新葛利茲鋼種，現(xiàn)已納標(biāo)，俗稱65Nb。其性能優(yōu)于一般的冷沖模鋼。制造多工位冷鐓機(jī)用螺栓壓角凸凹模，熱處理工藝為1120℃油淬，560℃回火2h兩次，硬度57-59HRC。其使用壽命，比Cr12MoV鋼制造的凸凹模（淬火回火并經(jīng)氣體氮碳共滲處理）的壽命高出3-4倍。

但是，6Cr4W3MO2VNb鋼制造十字槽螺釘平圓頭沖模，用類似上述熱處理工藝、效果并不理想，主要是質(zhì)量不穩(wěn)定，部分出現(xiàn)早期失效。改用二次淬火，第一次1200℃油淬，第二次用低溫90(TC油淬，然后經(jīng)450℃—次回火，效果較好，使用壽命提高，且質(zhì)量穩(wěn)定。

6Cr4W3Mo2VNb鋼作203軸承套圈溫鍛模凸模，同樣條件下與3Cr2W8V、W18Q4V和H13三種鋼作對(duì)比，使用壽命6Cr4W3Mo2VNb鋼最好。見(jiàn)表3-19。

表3-19幾種鋼的性能對(duì)比

此例特點(diǎn)是高溫加熱淬火（比正常淬火溫度高20-120℃)多一次200℃低溫回火，凸模尾部軟化。

6Cr4W3MO2VNb鋼在多種熱處理工藝作比較，獲得較高強(qiáng)籾性的工藝是1120℃加熱淬油，560℃Xl.〇h回火三次。抗拉強(qiáng)度4800MPa，沖擊初度108J/cm2。

6Cr4W3Mo2VNb是新鋼種，研究資料少和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足是正常現(xiàn)象，需要通過(guò)長(zhǎng)期的、多方面的實(shí)踐考驗(yàn)，所以工藝不成熟或多樣性不足為怪，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累會(huì)逐漸成熟。對(duì)于其他新鋼種也是這樣。

例9 Cr12MoV鋼拉深模離子滲氮

蝸殼拉深成形模的凹模，熱處理工藝：

1)球化退火：860℃加熱，\保溫3h;740℃等溫，4h，爐冷到<500℃空冷；

2) 淬火回火：550℃預(yù)熱，1030℃奧氏體化，淬油：200℃回火，lh;硬度61HRC。

3) 離子滲氮：LD-60型離子滲氮爐，通入氨分解氣（爐外裂化)，爐壓保持在5X102-8X102Pa，電壓500-600V，電流密度1mA/cm2 。滲氮溫度500℃,時(shí)間5h。滲氮層總深度0.12mm,白亮層0.015mm,表面硬度1200HV。

與未經(jīng)滲氮的同樣凹模相比，使用壽命提高2.5倍。此例說(shuō)明表面強(qiáng)化處理有良好的作用。

例10 沖模滲硼

沖壓0.5厚硅鋼片的凸模，三種工藝情況見(jiàn)表3-20。

滲硼工藝：860℃X5h滲硼，760℃淬火（水冷)，250℃回火。

滲硼劑：B4C2%+KBF47%+木炭6%+SiC85%。

此例再一次表明模具零件選材和熱處理工藝有多樣性。某一工藝有其最佳的適合對(duì)象。絕對(duì)沒(méi)有一種“萬(wàn)能”的工藝適合于所有的模具和任何一種鋼種。只有在科學(xué)理論指導(dǎo)下通過(guò)實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證合適的最佳工藝。

表3-20不同材料工藝的沖模使用壽命

例11 大型冷作模具成形零件等離子體滲氮

汽車(chē)覆蓋件拉延模，付車(chē)架、前后梁成形模，翻邊模，整形模等大型模具零件或鑲塊等，材料為鑄鐵（球鐵或CrMo合金鑄鐵)、鋼Cr12Mo1V1(D2)、經(jīng)離子滲氮后提高模具質(zhì)量和使用壽命十分明顯。未經(jīng)滲氮處理的在使用時(shí)（彎曲，拉延）經(jīng)常發(fā)生制件嚴(yán)重拉毛現(xiàn)象，需要經(jīng)常對(duì)型腔拋光，影響生產(chǎn)率和生產(chǎn)進(jìn)度。經(jīng)滲氮的模具零件，制品沒(méi)有這種現(xiàn)象且制品表面光潔。上海熱處理廠接受幾十副模具零件滲氮，都取得了很好的效果和經(jīng)濟(jì)效益。滲氮在特制的LD-2000型離子滲氮爐中進(jìn)行，采用常規(guī)離子滲氮工藝（對(duì)于不同材質(zhì)、原始組織和技術(shù)要求，工藝參數(shù)要作適當(dāng)調(diào)整)。對(duì)修復(fù)模具零件效果更顯著。

表3-21是我國(guó)近年來(lái)研制的新模具鋼用于多種模具零件及相應(yīng)的熱處理工藝以及應(yīng)用的效果，這些鋼種大部分目前雖然尚未納，但應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效果很好，值得推廣。

表3-21新葛利茲模具鋼的應(yīng)用及效果示例

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