【正文】 第 3章 模具的選材及熱處理 模具的選材及熱處理是影響模具的承載能力、工作壽命、制造精度、制造成本和合格品率的關(guān)鍵因素，合理選材并實施正確的熱處理是保證模具的短時承載能力和長期使用壽命的基礎(chǔ)。 不同種類的模具，其工作條件及特點不同。同類模具中，各套模具的加工對象，生產(chǎn)批量、載荷的性質(zhì)和大小也各不相同。因而，模具的選材范圍很寬，其中包括滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、各種工具鋼和特殊性能鋼，還包括非鐵合金、硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金。在這些材料中，有不少是借用的鋼種和傳統(tǒng)的模具鋼。隨著國內(nèi)外對模具材料研究的進展，一批新型模具鋼種已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中得到檢驗并趨于成熟。盡管推廣使用新材料有一個過程，但新材料必將逐漸替代傳統(tǒng)的老鋼種。 本章將根據(jù)模具的具體工作條件、失效特點及其對材料主要性能的要求，較為系統(tǒng)地介紹傳統(tǒng)的和新近研制的主要模具材料，包括它們的化學成分、組織狀態(tài)、性能特點、應用范圍及熱處理方法，以期對模具選材及熱處理提供基本的依據(jù)或參考。 3． 2 熱作模具的選材及熱處理 根據(jù)熱作模具的工作條件和失效特點，可以對熱作模具材料提出以下幾方面性能要求。 （ 1） 室溫及高溫下的硬度，以評價其耐磨性和塑變抗力。 （ 2） 室溫及高溫下的抗拉強度，以評價其靜載斷裂抗力。 （ 3） 室溫及高溫下的沖擊韌度，以評價其沖擊載荷下的斷裂抗力。 （ 4） 熱疲勞抗力、疲勞裂紋擴展抗力、斷裂韌度，以評價其在交變熱負荷和交變機械負荷共同作用下的斷裂抗力。 不同的熱作模具又各有不同的工作條件和不同的主要失效形式（見表 311），因而它們對模具材料的性能要求也各有側(cè)重。如有些模具著重要求高的熱強性和耐磨性，有些模具著重要求熱疲勞抗力和斷裂抗力等。由此，可將常用的熱作模具材料按照其用途、性能、合金化特點等進行大致地分類，如表 312所示。應該注意，不同模具所用的材料是相互交叉的，并沒有嚴格的界限，選用什么材料主要根據(jù)模具的具體情況而定。如大型機鍛模的主要失效形式與錘鍛模類似，中小型機鍛模的主要失效形式與熱擠壓模類似，它們的選材就分別與錘鍛模用鋼和熱擠壓模用鋼相交叉。 3． 2． 1 錘鍛模材料及熱處理 3． 2． 1． 1 對錘鍛模材料的性能要求 根據(jù)錘鍛模的工作條件和失效特點，它所用的材料應具備以下主要性能。 （ 1） 高的沖擊韌度和斷裂韌度。材料在室溫下的 ak值應不低于 30J／ cm2，最好高于 50J／ cm2，在 300~650℃ 溫度下，要求 ak≥70J／ cm2，以保證它在沖擊載荷作用下有高的斷裂抗力。為了延緩熱疲勞裂紋的擴展，材料還應具有高的斷裂韌度。 （ 2） 高的回火穩(wěn)定性和高溫強度。材料淬火后經(jīng)640℃ 4h回火，要求硬度 ≥35HRC，且在 650℃ 溫度下，要求屈服強度 ≥400MPa，以防止模具早期塑性變形和磨損，并提高其使用壽命。 （ 3） 高的熱疲勞抗力，導熱性好，熱膨脹系數(shù)小，以推遲熱疲勞裂紋的產(chǎn)生。 （ 4） 高的淬透性，能使尺寸很大的錘鍛模在整個截面上性能均勻一致。 3． 2． 1． 2 錘鍛模用鋼 錘鍛模最危險的失效形式是斷裂，為了保證其韌性，模具材料主要是采用中碳、多元低合金的熱模鋼。其中最常用的傳統(tǒng)鋼種是 5CrNiMo和 5CrMnMo，后來新開發(fā)的鋼種有 5CrNiW、 5CrNiTi、 5CrMnMoSiV、 4CrMnSiMoV、3Cr2MoWVNi等。 5CrNiMo是世界通用的傳統(tǒng)鋼種，它有優(yōu)良的綜合力學性能，沖擊韌度好，淬透性高，且對第二類回火脆性不敏感。它主要用于大型、特大型錘鍛模及大批量生產(chǎn)用中小型復雜錘鍛模。 5CrMnMo鋼的硬度、強度與 5CrNiMo鋼相當，但沖擊韌度和淬透性較低，且有過熱傾向，只適用于制造中小型、形狀簡單、載荷不很大的錘鍛模。 5CrNiW鋼的力學性能與 5CrNiMo鋼相差不多，5CrNiTi鋼的硬度、強度較低而塑性、韌性較高。它們都可用來制造大型、特大型錘鍛模。 4CrMnSiMoV鋼和 5CrMnMoSiV鋼的強度、熱穩(wěn)定性、淬透性均高于 5CrNiMo鋼，但沖擊韌度稍低，是5CrNiMo鋼的代用鋼種。 在鍛造加工高合金鋼、不銹鋼及耐熱鋼時，由于坯料的塑變抗力大，要求模具有更高的高溫硬度和耐磨性。這時，可選用中碳中合金熱模鋼 3Cr2MoWVNi、4Cr5MoSiV、 4Cr5MoSiV 2Cr3Mo3VNb等。由于這些鋼種的熱穩(wěn)定性較高，還常用于制造壓力機鍛模。 3． 2． 1． 3 錘鍛模的熱處理特點 錘鍛模的熱處理特點是淬火后高中溫回火。具體淬火溫度和回火溫度的選擇，視模具的尺寸、工作條件及失效形式而定。如果模具以脆斷失效，則熱處理工藝參數(shù)的選擇應以提高材料的強韌性為目標；如果模具以磨損或變形失效，應設法通過熱處理提高其熱硬性和熱強性。 在通常情況下，模具采用常規(guī)溫度淬火，回火溫度根據(jù)硬度要求而定。隨著硬度的提高，模具的耐磨性和塑變抗力提高，而沖擊韌度和斷裂韌度降低。實踐表明，錘鍛模在服役過程中只要不發(fā)生早期脆斷，就能獲得一定的壽命。因而模具的最佳硬度值就是保證不發(fā)生早期脆斷失效的最高硬度值。這個硬度值隨著模具的種類、形狀、尺寸、模具材料等的不同而有所不同，表 313列出了用傳統(tǒng)鋼種制造的不同尺寸錘鍛模的硬度選擇范圍。其中，模具燕尾部分應力集中嚴重，易于產(chǎn)生開裂，其硬度應低于模腔部分的硬度。 為了進一步提高錘鍛模的壽命，其熱處理工藝也在不斷改進，新的工藝方法包括以下幾個方面。 （ 1）提高淬火加熱溫度 對于以磨損、堆塌、熱疲勞而失效的模具，提高淬火溫度有利于延長其使用壽命。當 5CrNiMo、 5CrMnMo鋼的淬火溫度高于 880℃ ，淬火組織以板條馬氏體為主，并使殘留奧氏體量增加。經(jīng)過回火后，鋼的斷裂韌度、熱穩(wěn)定性、抗回火軟化能力均有所提高，還能推遲熱疲勞裂紋的產(chǎn)生。但不足之處是，鋼的奧氏體晶粒長大，尤其是5CrMnMo鋼的晶粒更大，從而使鋼的沖擊韌度降低。目前的研究認為， 5CrNiMo鋼的淬火溫度可提高到 950℃ ，5CrMnMo鋼的淬火溫度可提高到 890℃ 。由于高溫淬火后殘留奧氏體較多，模具可進行 2次回火。 （ 2）等溫淬火的應用 截面尺寸較小的錘鍛模淬火加熱后采用 300℃ 2h等溫冷卻，以獲得高強韌的下貝氏體組織，再經(jīng)一定的溫度回火，可使模具的壽命明顯提高。 5CrNiMo鋼等溫淬火后的回火溫度為 490～ 510℃ ， 5CrMnMo鋼為 510～ 530℃ 。 模具經(jīng)高溫加熱后，先在油中冷卻，使表面層冷至180～ 200℃ ，以獲得以板條狀馬氏體為主的淬火組織；隨后立即進行 230～ 280℃ 6h等溫淬火，使心部獲得下貝氏體組織；最后進行 470℃ 5h回火。這種高溫加熱、預先淬火、等溫淬火工藝，同樣可以提高模具的強韌性及其使用壽命。 為了提高錘鍛模燕尾的疲勞抗力，可對蒸尾部分進行粒狀貝氏體淬火工藝。其方法是，將模具加熱油淬，在油中冷卻 6～ 7min后將燕尾提出油面保持 1h，使模面部分完成淬火，燕尾部分向空氣散熱并從模具心部吸熱達成平衡，保持 450℃ 左右，再立即轉(zhuǎn)入爐內(nèi) 450℃ 6h等溫