低碳馬氏體在模具生產中的應用16例■趙步青  摘要：介紹近年來低碳馬氏體在模具生產中的應用案例，認為使模具的淬火組織得到更多甚至全部低碳馬氏體，是提高模具的強韌性、延長使用壽命的關鍵。 關鍵詞：模具；低碳馬氏體；強韌性；使用壽命 模具用鋼大多采用合金工具鋼和高速工具鋼，用碳素工具鋼日漸減少。合金工具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，鋼中不可避免地會存在網狀、帶狀和鏈狀的碳化物，往往會導致模具在使用中脆斷或早期失效。 由于亞結構是位錯的低碳馬氏體（也稱板條馬氏體）具有相當高的強度，很好的塑性和韌性，良好的切削加工性、焊接性，以及熱處理畸變小等一系列優點，所以在模具工業中得到廣泛的應用。以下以實例展現給讀者，僅供參考。 1. 3Cr2W8V鋼制螺栓熱鍛模高溫淬火該鋼用1050～1100℃常規淬火后，有約8%的未溶碳化物，馬氏體的合金度較低，其穩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%（體積分數）以上的板條馬氏體組織，580℃×4h×2次回火，使模具壽命由常規處理的3000～5000件提高到5萬～6萬件[1]。 該鋼用1180℃高溫淬火制造的望遠鏡壓鑄模，模具壽命超過10萬件。 2. 5CrMnMo鋼制冷擠壓模高溫淬火用于擠壓H 6 2黃銅的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840℃淬火的模具壽命提高兩倍多。 用該鋼制螺母冷鐓模，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。 3. 5CrNiMo鋼制錘鍛模高溫淬火5C r N i M o鋼制480m m× 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，鍛模便發生塑性變形；現將淬火溫度提高到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件仍可繼續使用。國內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處理提高2.5倍[2]。 4. 45Cr2NiMoVSi鋼大齒輪熱鍛模高溫淬火45Cr2NiMoVSi鋼制10t錘熱鍛模，鍛打75型拖拉機大齒輪，高溫鹽浴加熱，1000～1050℃加熱，淬火冷卻介質為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口的55CrNiMoV6鋼（相當于5CrNiMo）模具提高50%。 5. 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，模具的壽命達到18000～20000件。淬火加熱溫度由常規1020～1030℃提高到1080℃，560℃鹽浴分級后進油中續冷，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，其疲勞強度比常規處理的提高25%，壽命提高2～3倍。 6. 20Cr鋼低碳馬氏體強烈淬火20Cr制斜拉橋索節扣體熱鍛模，奧氏體化溫度920～930℃，淬入10%NaCl（質量分數）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例還有很多，不再贅述。 7. 60Si2MnA鋼制冷鐓模高溫淬火用該鋼制冷鐓螺母四序沖模920～950℃高溫淬火，得到幾乎是單一的低碳馬氏體組織，有較高的斷裂韌度、沖擊韌度和優良的耐磨性，使用壽命比常規淬火模具提高兩倍多[2]。 8. 5CrW2Si鋼制冷剪刀強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烈的振動擠壓，常發生壓塌、崩刃和剝落，使用壽命較短。為此對原工藝進行了大膽改革，采用高溫淬火，使用壽命提高2～3倍。 9 2 0～9 5 0℃加熱油淬，250℃回火，得到以板條馬氏體為主的金相組織，其強度和韌性均較好，沖擊韌度比常規淬火提高53%[3]。 9. CrWMn鋼制手表凸模低溫淬火CrWMn鋼制手表凸模按830～850℃常規淬火，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1萬～2萬次，總壽命達10萬～20萬次，并且使用中不易發生崩刃及斷裂現象，顯示出極高的斷裂抗力[4]。 10. 7Cr7Mo3V2Si（LD）制冷擠壓模低溫淬火LD鋼制冷擠凸模按1120～1150℃常規淬火，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[3]。 11. Cr12MoV鋼制模低溫淬火對于沒有提高加熱設備和因強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，淬火晶粒細小，因而明顯提高了強韌性。 C r12M o V鋼制下殼模，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，壽命比常規淬火高得多。 1 2. 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展的能力，其耐磨性能和韌性具有最佳的匹配，韌性和強度均優于Cr12型鋼和高速工具鋼，是制作滾絲模的理想材料。常規處理的滾絲模適合加工調質件，如果加工件為退火件，采用低溫淬火是很經濟實惠的工藝，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，使用壽命較9SiCr、Cr12MoV、M2鋼滾絲模壽命提高2倍左右。 13. 20Cr鋼塑料模低碳馬氏體強化處理一些形狀簡單、變形要求不嚴格的20Cr鋼塑料模，運用低碳馬氏體強化處理，可得到滿意的效果，處理工藝為880～900℃加熱，淬鹽水，150～180℃回火后硬度38～45HRC。 14. 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用比較廣泛，效果也比較明顯。此類鋼制成模具后，先進行表面滲碳，再進行淬火和低溫回火，使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的強韌性。實踐證明，此工藝適用于制造各種耐磨性良好、形狀復雜、承受載荷較高的塑料模具。 15. 低碳馬氏體鋼強韌性塑料模具鋼含碳量在0.15%～0.25%（質量分數）的碳素鋼和合金鋼，可直接進行低碳馬氏體強韌化處理，能夠獲得幾乎是強韌性高的低碳馬氏體組織。如果處理得當，可代替中碳鋼調質處理、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，降低了模具制造成本，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用。 16. 低碳馬氏體時效硬化塑料模具鋼這類鋼分為低碳馬氏體時效硬化鋼和低碳馬氏體析出硬化鋼兩大類。低碳馬氏體時效硬化鋼有很高的屈強比、良好的切削加工性和焊接性能、熱處理簡單等優點。典型的鋼種是超低碳18Ni鋼系列，但由于18Ni價格昂貴，國內很少應用。 國內開發的06Ni6CrMoVTiAl（簡稱06Ni鋼），wC≤0.06%低碳低鎳馬氏體時效鋼，850～880℃固溶后水冷或油冷，500～540℃×4～8h時效。時效后的組織為低碳馬氏體+析出強化相Ni3Al、Ni3Ti、TiC、TiN，硬度為42～45HRC，屈服強度達到1100～1400MPa[5]。 用06鋼制作的收錄機磁帶盒模具，平均壽命達到110萬次以上，是很有發展前途的鋼種。 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870℃固溶處理，510℃×4h時效處理，硬度40～4 3 H R C，抗拉強度1 0 0 0～1300MPa[6]，金相組織為低碳馬氏體基體分布著細小碳化物。 25CrNi3MoAl鋼經830℃固溶處理，硬度可達50HRC，再經540℃×4h時效處理，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例，不逐一列舉。從失效分析可知，好多模具往往是由于韌性不足而斷裂，所以增強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確為切實可行的一種手段，應大力推廣。 參考文獻： [1] 趙步青.模具熱處理工藝500例[M].北京：機械工業出版社，2008：85-86. [2] 雷廷權，傅家騏.熱處理工藝方法500種[M].北京：機械工業出版社，2006：178-179. [3] 李泉華.熱處理技術400問解析[M].北京：機械工業出版社，2002：412，373. [4] 王德文.模具實用技術200例[M].北京：冶金工業出版社，1990：135. [5] 許發樾.模具材料與使用壽命[M].北京：機械工業出版社，2000：183-184. [6] 徐進.模具材料應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2001：100-101. 作者簡介：趙步青，男，1943年12月生，江蘇阜寧縣人，高級工程師，安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司，已發表論文及實用文章230多篇，出版熱處理專著4部，協編圖書兩部。研究方向：工模具熱處理工藝。 |
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