浅谈模具材料常用的处理方法
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摘要：碳素工具钢和在碳钢的基础上加入不同元素的合金钢，机械性能优良，常用作模具材料(文中称为模具钢)。本文浅谈了模具材料常用的热处理方法及热处理过程中常出现的问题等内容。
关键词：模具钢 退火 回火 氮化
碳钢已有一百多年的历史了。工业上较多地使用加入不同元素的碳钢，机械生产中常选用碳素工具钢来制造模具。
碳素工具钢组织中常出现网状碳化物沿晶界析出、碳化物偏析分布、出现魏氏组织和游离态石墨析出等组织缺陷。具体表现为：①网状碳化物沿晶界析出，主要是由于锻造时，终锻温度过高而冷却速度缓慢，导致二次碳化物沿奥氏体晶界析出，并逐渐生长连成网状。尤其是在高碳高铬的情况下，网状碳化物极易出现。②碳化物偏析分布，是由于冶金质量不佳，浇注工时不恰当，导致大量的粗大树枝晶组织出现，在树枝晶之间最后凝固的区域，附集着碳和铁等溶质元素，凝固后析出的大量碳化物聚集着，在锻轧过程中它逐步沿热加工方向延伸成带状，而锻造时，未能有效地予以消除，热处理时没有采取更为有效的措施，致使碳化物呈偏析分布。③出现魏氏组织，是由于终锻温度过高而冷却速度极为缓慢，导致二次碳化物沿奥氏体晶界析出的同时向奥氏体晶粒内部生长，并呈耙齿状楔入奥氏体晶粒内部。④游离态石墨析出，是由于钢中的Si、Al、Mo元素含量过高，促使C以石墨形式析出;或是热处理时加热时间过长，促使Fe3C分解时C以石墨形式析出;或是轧、锻时，变形温度低或变形量过大，导致显微裂纹滋生，诱导附近的Fe3C分解时C以石墨形式析出。
大多数用作模具的钢锭除红送锻造或轧制外，一般均进行退火处理，一来可以防止由于组织应力和热应力产生裂纹，再者，对于那些易产生白点的钢种，可以预防白点的产生，另外，还可以通过退火处理改善钢锭凝固时偏析和清除钢锭表面的缺陷。常用作模具的钢锭的退火方法有：去应力退火、完全退火和不完全退火、去氢退火、高温扩散退火等。 扩散退火处理是近些年来比较实用的改善钢锭显微偏析的方法，扩散退火的温度通常在Ac3(Acm)以上150~360℃的范围内进行，温度过高对莱氏体钢很容易过烧。一般合金钢的扩散温度在1200~1280℃，一般与钢种有关系。另外，扩散需要较长的时间。 对于大多数用作模具的钢锭，退火的目的是消除组织应力和热应力，以防止钢锭在较长时间的放置或热加工时产生裂纹，因此，只需要普通退火处理即可。很多的模具钢锭在浇注后经缓冷，不能完全消除内应力，在存放的过程中容易发生炸裂，尤其是高淬透性的钢种和莱氏体钢，例如4Cr5MoSiV1、Cr5Mo1V、Cr12Mo1V1、Cr12等，钢锭脱模后，均应及时退火，否则易发生炸裂，尤其是在寒冷地区的冬季。
经过锻造或轧制后的模具钢材， 一般也都以退火状态交货，退火的目的是为了获得良好的组织和状态，以便模具零件的加工和热处理，所以对模具钢除对退火硬度的.要求外，对模具钢退火后的珠光体球化级别、碳化物网状、带状等均有较严格的要求。对钢材的退火温度、冷却速度和保温时间都应仔细研究。球化退火是模具钢材最常用的退火工艺方法，其工艺特点是通过控制加热温度、保温时间和冷却速度等工艺参数，以使碳化物球状化，得到球状珠光体组织，降低硬度、提高塑性和改善和力学性能。球化退火后的组织一般由铁素体基体和粒状碳化物组成，其性能是两种机械混合物的迭加。铁素体本身的硬度取决于合金元素的固溶强化、晶界强化和位错强化。而碳化物数量的增加，碳化物弥散分布都相应提高钢的退火硬度。在冶金厂一般采用等温退火或连续退火，从本质上讲，没有区别。但在等温时，一定要注意等温温度。连续退火时一般冷却速度不要超过30℃/h。