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模具熱處理包括鍛造后的退火，粗加工以后高溫回火或低溫回火，精加工后的淬火與回火，電火花、線切割以后的去應力低溫回火。只有冷熱加工很好相互配合，才能保證良好的模具壽命。
模具型腔大而壁薄時需要采用正常淬火溫度的上限，以使殘留奧氏體量增加，使模具不致脹大。快速加熱法由于加熱時間短，氧化脫碳傾向減少，晶粒細小，對碳素工具鋼大型模具淬火變形小。對高速鋼采用低淬、高回工藝比較好，淬火溫度低，回火溫度偏高，可大大提高韌性，盡管硬度有所降低，但對提高因折斷或疲勞破壞的模具壽命極為有效。通常Cr12MoV鋼淬火加熱溫度為1000℃，油冷，然后220℃回火。如能在這種熱處理以前先行熱處理一次，即加熱至1100℃保溫，油冷，700℃高溫回火，則模具壽命能大幅度提高。我們在70年代初期對3Cr2W8V鋼施行高淬、高回工藝熱處理鋼絲鉗熱鍛模具也取得良好效果，壽命提高2倍多。采用低溫氮碳共滲工藝，表面硬度可達1200HV，也能大大提高模具壽命。
低溫電解滲硫可降低金屬變形時的摩擦力，提高抗咬粘性能。使用6W6Mo5Cr4V鋼制作冷擠壓凸模，經低溫氮碳共滲后，使用壽命平均提高1倍以上，再經低溫電解滲硫處理可以進一步提高壽命50%。模具淬火后存在很大的殘留應力，它往往引起模具變形甚至開裂。為了減少殘留應力，模具淬火后應趁熱進行回火，回火應充分，回火不充分易產生磨前裂紋。對碳素工具鋼，200℃回火1h，殘留應力能消除約50%，回火2h殘留應力能消除約75%～80%，而如果500～600℃回火1h，則殘留應力能消除達90%。
某廠CrWMn鋼制凸模淬火后回火1h，使用不久便斷裂，而當回火2.5h，使用中未發現斷裂現象。這說明回火不均勻，雖然表面硬度達到要求，但工作內部組織不均勻，殘留應力消除不充分，模具易早期破裂失效。
回火后一般為空冷，在回火冷卻過程中，材料內部可能會出現新的拉應力，應緩冷到100～120℃以后再出爐，或在高溫回火后再加一次低溫回火。表面覆層硬化技術中的PVD、CVD近年來獲得較大的進展，在PVD中常用的真空蒸鍍、真空濺射鍍和離子鍍，其中離子鍍層具有附著力強、澆鍍性好，沉積速度快，無公害等優點。離子鍍工藝可在模具表面鍍上TiC、TiN，其使用壽命可延長幾倍到幾十倍。離子鍍是真空蒸膜與氣體放電相結合的一種沉積技術。空心陰極放電法(HCD法)是先用真空泵抽真空，再向真空泵通入反應氣體，并使真空度保持在10-5～10-2Pa范圍內，利用低壓大電流HCD電子槍使蒸發的金屬或化合物離子化，從而在工作表面堆積成一層防護膜。為提高鍍敷效率，一般在工件上施加負電壓。
鍛模的表面處理技術國內應用不太多，這一領域大有開發的必要。整體模腔的滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲以及模腔局部的噴涂、刷鍍和堆焊等表面硬化支持都是很有發展前途的，突破這一領域將使我國制模技術得到很大提高。模具失效以后的焊補技術，國內90年代初期就有工廠進行研究和應用，如青海鍛造廠，焊補后的鍛模壽命可提高1倍。
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