常用模具材料及其热处理工艺
常用模具材料及其热处理工艺【1】
【摘要】随着经济的发展、社会的进步，在现代工业中装备制造业的作用越来越重要，作为装备制造业的基础，模具制造业对我国装备制造业的发展水平具有很大的影响。
装备制造业具有其独特性，因此其更加注重依靠于高精度技术。
目前，热处理工艺和模具材料等在技术上支持模具制造业。
本文围绕着常用模具材料及其热处理工艺这一主题展开了讨论。
【关键词】模具材料 热处理 合理选择
目前的社会中工业得到了极大的发展，在工业生产的发展过程中，模具开始出现。
在工业中广泛应用模具，能够促进产量进行大幅度的提高，使人们的需求能够得到更好地满足。
随着经济的发展、社会的进步，在人们的生活中模具越来越受到人们的关注，其应用范围也越来越广泛，模具也因此得到了发展，进一步促进经济发展。
在模具制造中模具材料是其进行的基础，模具包括塑料模具钢、热作模具钢和冷作模具钢三类[1]。
一、常用的模具材料
(一)高速钢
由于具有较高的韧性和热塑性，钼系高速钢能够应用的更加广泛，对于精度以及大批量生产冷作模具来说非常重要。
(二)碳素工具钢
在我国已经大量使用、生产碳素工具钢，碳素工具钢具有价格便宜、切削加工性好，退火易软化、锻造性好的优点，其缺点在于需要用水作冷却介质，具有较低的淬透性，因此碳素工具钢容易断裂或变形。
结合碳素工具钢的优点和缺点，也以得出其不适合当大型模具的结论，在进行模具制作时，可以将其做为变形要求不高、形状简单、受力小、制作尺寸小的模具，从而促进资源利用率的提升。
(三)超硬高速钢
为了对难切削材料的需要相适应，超硬高速钢逐渐发展了起来，其目的在于使热硬度和硬度得到进一步的提高。
在其发展过程中，逐渐出现了一些难题，超硬高速钢具有较差的抗弯曲能力和韧性，难以进行加工。
超硬高速钢高含量的碳使其具有较大的硬度，但是其高含量的碳，也使其容易出现韧性差的特点，出现过烧现象。
(四)高碳高铬模具钢
高碳高铬模具钢的优点在于其耐磨性、淬硬性和淬透性良好，不容易变形，属于微变形高耐磨模具钢，与高速钢相比较承载能力较差。
其缺点在于其严重的碳化物偏析，因此需要不断进行改锻、镦拔，对其不均匀性进行改变，使其使用性能得到提高[2]。
(五)基体钢
基体钢就是在在高速钢的基本成分上进行少量其他成分的添加，对含碳量进行适当增减，对钢的性能进行改善，这种钢就是基体钢。
基体钢是冷作模具钢，具有较强的韧性，具有上述钢的全部优点。
除此之外与高速钢相比，基体钢的生产成本较低，具有很高的应用价值。
(六)钢结硬度合金和硬质合金
与其他模具钢相比，硬质合金具有较高的耐磨性和硬度，因此其具有较差的韧性和抗弯强度。
钢结硬质合金是将碳化钨或碳化钛为硬质相，少量合金元素粉末加入铁粉中去作为粘合剂，按照冶金方法烧结粉末而出。
钢是钢结硬质合金的基体，可以对其进行热处理、锻造、焊接和切削。
二、热处理工艺
(一)生冷处理
在深冷处理模具钢后，可以使其力学性能得到提高，从而促进其使用寿命的提高。
可以在回火和淬火工序间对模具钢进深冷处理，深冷处理可以促进钢的抗回火稳定性和耐磨性的提高。
深冷处理不仅能使得模具冷却，还能在硬质合金和热作模具中进行使用[3]。
(二)模具的降温淬火和高温淬火
热作模具钢中部分使用了温度高于常规淬火的温度进行淬火加热，从而对钢中碳化物的形态进行改善，使其数量减少，在进行淬火之后，能够使其使用寿命延长。
(三)真空热处理
在真空热处理后，模具钢变形小，具有较好的表面状态。
其原因在于真空加热时，模具钢表面会出现活性状态，不会产生氧化膜阻止其冷却，也不会脱碳。
在进行真空加热后，脱气效果会出现在钢的表面，因此其力学性能较高，具有较高的抗弯强度和炉内真空度。
在进行真空淬火后，会在一定程度上提高钢的断裂韧性，与常规工艺相比，模具寿命会有40%以上的提高，在实际生产中，已经广泛的应用了冷却模具真空淬火技术。
(四)渗金属和渗硼
在渗硼中固体渗硼的应用最为广泛，在固体渗硼后，其表层会具有较大的抗氧化性、耐腐蚀性、硬度和耐磨性。
冷作模具是渗硼工艺最常用的对象，能够提高其耐磨性，从而促进模具寿命的提高。
对此，可以不再使用高合金钢制作模具，而选择应用中碳钢渗硼。
热挤压模等热作模具也可以使用渗硼来进行处理。
(五)高能束热处理
电子束、激光是高能束热处理的热源[4]。
可控性能好、处理环境清洁、不需要冷却介质、工件变形小、可以根据需要选择加热面积、加热速度快就是其共同特点，自动化处理能够更加容易实现，从而使得模具寿命提高，促进其应用更加广泛。
(六)化学热处理
化学惹出灵促进模具表面抗氧化性、耐蚀性和耐磨性进行提升。
在化学热处理中大多数所采用的都是工艺都是在模具钢的表面进行处理。
使用高温回火的合金钢模具，可以在回火的时候对其表面进行氮碳或液氮的共渗。
在液氮工艺中，目前使用最多的就是高频渗氮和离子渗氮等工艺。
离子液氮能够促使液氮时间缩短，获取高质量渗层。
离子液氮还能使抗热疲劳性、耐磨性、抗蚀性进行提高。
热挤压模、压铸模在氧碳共渗后能够促进其抗疲劳性能的提高。
对于冷冲模、冷挤压模、冷镦模来说，氧碳共渗的应用效果较好。
结语：
本文就常用模具材料及其热处理工艺进行了探讨，首先介绍了常用的模具材料，随后介绍了热处理工艺。
我国在研究开发模具热处理的过程中，在不同程度上推广应用了新的模具热处理技术。
在科学技术进步的过程中，我国模具热处理具有越来越精湛的工艺，这促进了我国的工业发展越来越好[5]。
【参考文献】
[1]吴晓春，左鹏鹏.国内外热作模具钢发展现状与趋势[J].模具工业，2013，10：1-9.
[2]李保健，钟利萍.国内模具材料发展及其应用[J].新技术新工艺，2012，04：67-70.
[3]方军华，周小振，周云.铝质易开盖刻线刀模材料的研究与应用[J].机械工程师，2015，01：270-273.
[4]苗高蕾.浅谈常用模具材料及其热处理工艺[J].现代经济信息，2015，21：356.
[5]贾庆雪.常用铸造齿轮材料及其热处理工艺方法[J].金属加工(热加工)，2014，15：51-55.
模具材料与热处理工艺选择问题【2】
【摘 要】影响模具寿命的因素很多，其中模具材料选择不当或热处理工艺不合适，是造成模具早期失效的关键因素。
【关键词】模具材料;热处理工艺;模具寿命
0.引言
模具是一种重要的加工工艺装备，是国民经济各工业部门发展的重要基础之一。
随着工业生产的发展，对工业产品的品种、形状、数量、质量等的要求越来越高，对模具的需要量相应增加，对模具质量的要求也越来越高;模具性能好坏，寿命高低，直接影响产品的质量和经济效益。
模具寿命是直接影响产品质量、加工效率和成本的重要因素之一，也是衡量模具制造水平的重要指标。
模具的失效分为偶然失效和工作失效。
偶然失效是指模具因设计错误、使用不当引起模具过早破损;工作失效是指模具因正常破损而结束寿命。
总的失效形式主要以表面损伤、塑性变形、断裂为主。
影响模具寿命的因素是多方面的，其中，热处理不当约占45%，选材不当、模具结构不合理约占25%，工艺问题约占10%;润滑问题、设备问题等因素约占20%，由此可见模具材料与热处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。
1.冷冲模具材料及其热处理的选择
冷冲模具的使用寿命通常和模具的硬度、强度、耐磨度及抗冲击韧性有着直接的关系。
因此，对模具材料和热处理工艺过程的要求就更高。
对冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性、高强度、足够的韧性、良好的抗疲劳性能、良好的抗擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。
1.1低淬透性冷作模具钢及其热处理
满足这些性能要求的冷作模具材料有低淬透性冷作模具钢、低变形冷作模具钢、高合金工具钢等，其中碳素工具钢是使用最多的低淬透性冷作模具钢，其特点是含碳量高，马氏体转变温度点(以下简称Ms点)低，临界冷却速度快，在快速淬火冷却时，产生热应力变形，使模具沿主导方向收缩变形，材料的含碳量越高，收缩量越大。
这种收缩会在模具内部产生很大的内应力，必须通过回火或其他的方法有效地消除内应力。
当然这种变形量的大小要受模具截面尺寸、淬火加热温度、淬火冷却方式和回火温度等因素的影响。
因此，淬火和回火工艺是影响低淬透性冷作模具寿命的主要因素。
因为碳素工具钢模具多为中、小截面(10～50mm)。
为减小淬火变形，T10A，T12A一般选择较低的淬火温度。
当采用硝盐浴或碱浴冷却时，淬火加热温度可选择810～820℃;如果是水-油冷却，加热温度为760～780℃。
对于T8A钢，根据模具截面尺寸的增大适当提高淬火温度以提高模具的淬火后硬度。
采用水淬时，对于截面厚度t小于15mm的制件，加热温度应选择800～820℃;截面厚度t在30～50mm时，加热温度应选择820～830℃。
采用硝盐浴分级淬火时，可在以上所述淬火温度上做适当调整。
碳素工具钢的硬度随回火温度的升高而下降，当回火温度超过200℃时硬度就会明显下降。
而且当回火温度在200～250℃时，会产生回火脆性，导致韧性下降。
因此，韧性要求比较高的碳素工具钢模具应该避免在此温度回火。
同时，采用250℃回火时，淬火马氏体会产生不同程度的分解，使模具产生收缩变形。
因此，为了减少收缩变形，在保证模具使用性能的条件下，应尽可能降低回火温度。
1.2低变形冷作模具钢及其热处理
低变形冷作模具钢是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素发展起来的，CrWMn是其典型钢种。
CrWMn钢具有高淬透性，淬火时不需要强烈的冷却，淬火变形比碳素工具钢明显减少。
但是，这类钢的变形同样受到淬火加热温度、冷却方法、回火工艺和模具截面尺寸的影响。
该钢淬火温度的选择，由于钨形式碳化物，所以这种刚在淬火及低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度。
当采用800℃加热淬火时，既能获得较高的硬度(63HRC)还可以获得较高的抗弯强度和韧性。
如果继续提高淬火温度，硬度上升但冲击韧度、抗弯强度会降低。
当淬火温度大于850℃时，硬度也开始下降。
因此，为减小变形并获得高的耐磨性，由这些钢制造的模具，其淬火加热温度不宜过高。
CrWMn钢淬火常用的冷却介质是硝盐浴和矿物油，其中硝盐浴的使用温度较高而冷却能力却比油大。
对于精度要求高的模具，根据硬度要求选择不同的温度进行等温淬火，等温时间不宜过长，等温后随硝盐浴一起缓冷。
CrWMn钢等温淬火后比普通淬火的强韧性高，对于易产生断裂的模具可采用等温淬火。
该钢淬火后于150～160℃回火，可使原来淬火后膨胀的体积产生收缩。
回火温度升高到220～240℃，又开始出现尺寸膨胀，在260～320℃回火时，会出现尺寸膨胀的最大值，而继续提高温度，变形又趋于收缩。
当CrWMn钢要获得大于60HRC的硬度时，回火温度应不超过200～220℃。
因此，在选择回火温度时应根据模具的结构、尺寸和硬度要求合理选择回火温度。
选择合理的回火温度可以最大限度地消除由淬火产生的内应力，有效提高模具的寿命。
1.3高合金工具钢及其热处理
高耐磨微变性冷作模具钢、高强度高耐磨冷作模具钢、高强韧性冷作模具钢主要是高合金工具钢，用来制造模具的常用牌号有Cr12，Cr12MoV，Cr6WV，Cr5MoV和Cr4W2MoV等。
这类钢的含碳量高，同时含有大量的碳化物形成元素，具有高的淬透性、耐磨性和热硬性。
高合金工具钢由于淬透性高淬火时不需要快速冷却，因此产生的内应力小。
高合金钢模具淬火温度的选择应首先考虑控制淬火变形。
试验证明：当淬火温度为1030～1040℃时模具的变形量最小，接近于零。
低于这个温度淬火，制件发生胀大变形;高于这个温度淬火，制件收缩变形。
淬火温度为1100℃时，收缩量会急剧增大。
为防止模具在高温下氧化和脱碳，一般应在盐浴炉中加热。
冷却方法的选择则根据模具的具体情况和要求而定。
截面尺寸大的模具可用150～200℃的油来充当淬火冷却介质，停留一段时间出油后空冷;大多数中、小尺寸的模具可以采用250～300℃的硝盐浴分级冷却;精度要求高、形状不对称的模具可以采用540～600℃的氯化盐和250～300℃的硝盐浴2次分级冷却;精度要求很高，需要严格控制变形的模具，可以采用2次分级冷却，并在硝盐浴中停留一段时间后随硝盐浴一起缓慢冷却，这样可以最大限度地减小内应力，避免模具开裂或产生细小的裂纹，从而提高模具的使用寿命。
高碳高铬钢的回火抗力高，回火时马氏体的分解和残余奥氏体的转变是影响模具尺寸变形的两个主要因素。
Cr12MV钢采用低温淬火和低温回火时，可以获得高度硬度、强度和断裂韧度;若采用高温淬火与高温回火，将获得良好的热硬性，其耐磨性、硬度也较高，但抗压强度和断裂韧度较低;而采用中温淬火与中温回火，可以获得最好的强韧性配合。
在生产中，采用何种淬回火工艺，应根据模具的工作条件来确定。
2.结论
模具材料是模具制造业的物质基础和技术基础，其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命起着决定性作用。
模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。
它对模具的寿命有着直接的影响。
当热处理工艺不当时，热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等会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，从而影响模具的工作寿命。
因此，对于不同的冷冲模具应该选择不同的模具材料以及相应的热处理工艺。
【参考文献】
[1]程培源.模具寿命与材料[M].北京：机械工业出版社，1999.
模具材料与热处理工艺选择问题【3】
【摘 要】随着科学技术的发展和不断提高，模具材料的热处理工艺的选择问题得到了很好的解决。
近几年，我国模具行业发展迅速，不过模具材料的水平和热处理工艺跟发达国家相比，还有很大的差距。
目前模具市场的竞争非常激烈，如何提高模具的生产质量和减少产生周期是一个很重要的问题。
延长模具的性能会带来巨大的经济效益和社会效益。
从理论上讲，模具的性能主要包括精度和表面光洁度。
【关键词】模具材料 热处理工艺 问题研究
在现阶段，模具是一种很重要的加工工艺装备，也是我国制造业发展的重要基础。
随着我国工业的不断发展，对模具材料的性能要求越来越高，对模具材料的需求也相应的增加。
模具材料的性能好坏决定着产品的质量和经济效益。
而模具的寿命对于加工效率和成本也有非常大的影响。
从理论上讲，模具的失效分为工作失效和偶然失效，工作失效指的是模具在正常工作时发生破损而导致模具寿命的结束。
偶然失效指的是模具由于设计的错误从而导致模具过早的破损。
影响模具寿命的因素包括五点：第一热处理不当，占百45%[1]。
第二，选材不当导致模具结构的不合理，占25%。
第三，工艺问题，占大约10%。
第四，润换问题导致设备损坏，占大约20%。
由此可见，模具材料与热处理之间的关系是影响模具寿命最主要的因素。
解决热处理工艺问题是增加模具寿命的关键。
1 模具材料简介
1.1 冷作模具材料
在模具材料中，冷作模具的`种类一般比较多，而且形状结构的差异也比较大。
这种模具材料的工作条件和性能不是很相同。
因此，在选择冷作模具时候，要进行综合的考虑，才能发挥材料的功能。
目前，我国常用的冷作模具材料主要分为四大类：高速钢、硬质合金、碳素工具钢和合金工具钢[2]。
1.2 热作模具材料
在模具材料中，热作模具的选用比较苛刻，热作模具通常要在600℃左右的高温下进行工作，因此对于模具材料的选择有更高的要求，模具材料的强度，硬度，耐磨性和抗冷热疲劳度都要很好。
此外，模具材料还要具备抗氧化性和抗腐蚀性。
为了更好地适应先进的加工技术，很多新设备对于模具材料的韧性也做出了比较高的要求，随着一些新型热加工技术的出现和发展，新型模具材料也应运而生。
例如，铁基高温合金、镍基高温合金和难熔合金用来做高温的热作模具材料[3]。
1.3 塑料模具材料
随着石油化工行业的不断发展，塑料模具已经成为了非常重要的工业原料。
近年来，塑料制品越来越多，因此用于制品的塑料模具消耗量也很多。
与传统的冷作和热作模具相比，塑料模具的性能更为特殊。
塑料模具具有较高的硬度，一般的耐磨性和足够的深化深度。
此外，塑料模具还有较低的耐热性，在200℃-250℃的温度下工作，塑料模具不变形，不养化，稳定性很好。
最后，塑料模具的耐腐蚀性比热作和冷作模具要好很多。
1.4 玻璃模具材料
玻璃模具材料是一种新型的模具，目前，随着科学的不断发展，很多大型公司都在研制性能更好的玻璃模具材料来代替其他模具[4]。
2 冷作模具材料及其热处理的选择
对于冷作模具来讲，其使用寿命与模具的硬度，强度和耐磨性有很大的关系。
因此，对于冷作模具的热处理工艺要求很高。
对于冷作模具材料的主要性能要求是：首先要有很好的耐磨性，高强度和足够的韧性;其次要具有很好的抗疲劳性，抗擦伤性以及咬合性。
2.1 低淬透性冷作模具钢及其热处理
满足以上性能要求的冷作模具材料包括低淬透性冷作模具钢，低变形冷作模具钢和高合金工具钢等。
在低淬透性冷作模具钢中使用最多的是碳素工具钢，其主要特点是含碳量比较高，耐热性比较好，可以在临界迅速地冷却并产生热应力的变形，这种变形可以主导模具的收缩方向。
碳素工具钢的含碳量越高，其收缩量也就越大[5]。
除此之外，碳素工具钢的收缩会导致模具内部产生很大的内应力，这种内应力必须通过回火或者其他的方法进行消除。
当然对于这种变形量的大小也要受到模具截面尺寸和淬火加热温度的影响。
因此，影响低淬透性冷作模具钢冷作模具寿命的主要因素就是淬火的工艺。
2.2 低变形冷作模具钢及其热处理
对于低变形冷作模具钢来讲，其主要是在碳素工具钢的基础上添加少量的合金元素发展起来的。
其中CrWMn是典型的钢种，这种钢结构具有很好的高淬透性。
并且在淬火的时候不需要进行强烈的冷却，淬火的变形量也比碳素工具钢要明显减少。
但是，这类钢的变形也同样受到淬火加热温度和模具截面尺寸的影响。
低变形冷作模具钢淬火温度在选择的时候，由于钨形式碳化物，这种钢在淬火低温回火时都具有很多的碳化物，并且具有很高的硬度。
当采用800℃进行加热淬火时，可以得到较高的硬度(63HRC)，还可以获得较高的抗弯强度和韧性。
如果继续提高淬火温度时，低变形冷作模具钢的硬度就会慢慢地降低，而且抗弯强度也会降低。
当淬火温度大于850℃时，硬度不断开始下降。
所以，为了减少低变形冷作模具钢的变形量和提高耐磨性，淬火的温度不宜过高[6]。
2.3 高合金工具钢及其热处理
对于高合金工具钢来讲，其主要性能与碳素工具钢有一定的区别，高合金工具钢的高强度和耐磨性都比碳素工具钢要好很多。
高合金工具钢的含碳量很高，同时还具有大量的碳化物元素，因此高合金工具钢具有很高的淬透性、耐磨性和热硬性。
高合金工具钢在淬火时候不需要进行快速的冷却，因此产生的内应力比较小。
高合金钢模具的淬火温度的选择，首先要考虑控制淬火的变形。
而冷却的方法则要根据模具的具体要求和情况而定。
高合金工具钢的回火抗力很高，因此，在回火的时候很容易导致马氏体的分解和残余奥氏体的转变，这两种转变和分解都会影响模具尺寸的变形。
因此高合金工具钢一般都采用低温淬火和低温回火。
这样可以很好地获得高强度、高韧性和高耐磨性。
此外，在模具材料生产过程中，要根据模具的工作条件来确定何种方法淬火和回火。
结语
在整个模具制造行业中，模具的材料是其物质基础和技术的基础。
模具材料性能的好坏时时刻刻影响着模具的寿命。
因此要提高模具的寿命必须要对模具进行热处理，模具的热处理工艺是保证模具性能的重要过程，与模具的寿命息息相关。
如果模具材料的热处理工艺不当，就会导致模具性能不良，例如模具的韧性，冷热疲劳性能和抗磨损性能的下降。
从而严重地影响模具的工作寿命，还会降低产品的质量。
因此。
对于不同的冷冲模具应该选择不同的模具材料以及相应的热处理工艺。
参考文献
[1]刘登发，雷根成.模具材料及热处理工艺对模具寿命影响分析与研究[J].模具技术，2008(2).
[2]中国机械工程学会热处理专业学会《热处理手册》编委会.热处理手册[M].北京：机械工业出版社，1991.
[3]陈雪菊，张超，陈慧.模具材料及其热处理对冷冲模具寿命的影响[J].科技信息，2004(2).
[4]李强.3Cr2W8V热作模具钢热处理工艺和性能研究[J].成组技术与生产现代化，2010(4).
[5]楼程华，孔凡志，姚建华等.半导体激光熔覆高硬度铁基合金的耐磨性能研宄[J].应用激光，2010，30(6)：470-474.
[6]Maniya Aghasibeig， Hasse Fredriksson. Laser cladding of a featureless iron-based alloy [J]. Surface and Coatings Technology. 2012， 209： 32-37.
【常用模具材料及其热处理工艺】相关文章：
模具材料常用的处理方法06-04
浅谈模具材料常用的处理方法02-08
微机械制造工艺及其应用03-30
我国西药制药常用技术工艺12-19
铝合金车轮涂装工艺及其检验02-09
罗茨转子的数字化加工装备及其工艺01-24
加工工艺与普通加工工艺02-22
模具专业简历02-26
模具实习证明04-08
热处理工程师求职简历模板09-10