冷作模具钢及其热处理方法

2013-08-16张东伟

山东工业技术 2013年8期

关键词：模具钢耐磨性淬火

张东伟

（江苏联合职业技术学院徐州机电工程分院，江苏徐州221011）

1 冷作模具钢的性能、化学成分及其种类

1.1 冷作模具钢需满足以下性能要求。

（1）高的硬度和耐磨性，工作时保持锋利的刃口；

（2）较高的强度和韧性，工作时刃部不易崩裂或塌陷；

（3）较好的淬透性，保证淬火态有较高的硬度和一定的淬透深度；

（4）较好的加工工艺性能，热处理变形小，在复杂断面上不易淬裂。

1.2 冷作模具钢的化学成分特点

（1）高碳：碳的质量分数一般在1%左右，个别达2.0%，以保证高硬度和高耐磨性。

（2）高合金：常用的合金元素有Cr、Mn、Mo、W、V 等。Mn、Cr 等能提高淬透性，碳化物形成元素能形成难溶碳化物，细化晶粒、提高耐磨性。

1.3 常用冷作模具钢的种类

冷作模具钢使用的钢材分为：碳素工具钢、低合金工具钢、高铬及中铬模具钢、基体钢、高速钢等。

（1）碳素工具钢和低合金工具钢：碳素钢一般选用高级优质碳素工具钢，以改善模具的韧性。对耐磨性要求较高、不受或受冲击较小的可选用T13A、T12A；对受较大冲击的模具则应选择T7A、T8A；而对耐磨性和韧性均有一定要求的模具(如冷镦模)可选择T10A。优点是加工性能好、成本低；缺点是淬透性低、耐磨性欠佳、淬火变形大、使用寿命低。故一般只适合制造尺寸小、形状简单、精度低的轻负荷模具。

表1 冷作模具钢的选用举例

（3）低合金工具钢常用的钢号有9Mn2V、9SiCr、CrWMn和滚动轴承钢GCrl5。优点是低合金工具钢具有较高的淬透性、较好的回火稳定性、较好的耐磨性和较小的淬火变形，综合力学性能较好。缺点是网状碳化物倾向较大，因韧性不足而可能导致模具的崩刃或折断等早期失效。常用于制造尺寸较大、形状较复杂、精度较高的低中负荷模具。

（4）高铬和中铬冷作模具钢：是一种专用的冷作模具钢，具有更高的淬透性、耐磨性和承载强度，且淬火变形小，广泛用于尺寸大、形状复杂、精度高的重载冷作模具。高铬模具钢Crl2 型常用的有三个牌号：Crl2 和Crl2MoV、Crl2Mo1V1。Crl2钢的ωC 高达2.0%～2.3%，属莱氏体钢。它具有优良的淬透性和耐磨性，但韧性较差，多用于小动载条件又要求高耐磨或形状简单的拉伸模和冲裁模，在正确设计的情况下可以冲压厚度小于6mm 的钢板。Crl2MoV 和Crl2Mo1V1 的ωC 降至1.45%～1.70%和1.40%～1.60%。它们有相似的性能和较好的淬透性，在保持Crl2 钢优点的基础上，其韧性得以改善，具有一定的热硬性，在用于对韧性不足而易于开裂、崩刃的模具上，已取代Crl2 钢；若要求具有好的抗回火稳定性时，则宜选择钼和钒质量分数较高的Crl2Mo1V1 钢。

高碳高铬型钢是一种莱氏体钢，锻造与预备热处理方式与高速钢相似，退火后的硬度低于255HBW（见表1）。

2 常用冷作模具钢的热处理方法

2.1 碳素工具钢和低合金工具钢的热处理方法

热处理工艺包括球化退火、淬火与低温回火。由于模具尺寸大、精度要求高，为增加淬透层深度，适当提高淬火温度，延长保温时间。加热温度一般提高10～30℃。采用缓慢升温或分级预热，以防变形。变形要求严格，厚度＜35mm 碳素钢模具和厚度＞35mm 的低合金模具钢，可采用碱液分级淬火。

2.2 高铬和中铬冷作模具钢的热处理方法

（1）一次硬化法：采用较低的温度淬火，再低温回火。Crl2MoV钢导热性差，淬火前通常进行两次预热。温度分别为：400～500℃和800～850℃，淬火温度为：1030～1050℃。Crl2 钢只采用一次硬化法，淬火温度为950～980℃，回火温度为180～200℃，保温时间为2～3h。一次硬化处理使钢具有高的硬度和耐磨性，较小的热处理变形。大多数Crl2 钢制冷作模具均使用此工艺。

（2）二次硬化法：高温下淬火，再多次高温回火，使残余奥氏体转变为马氏体，达到二次硬化。Crl2MoV 钢的淬火温度为1080～1120℃，回火温度为500～520℃，每次1h，回火次数为3～4 次。这样能获得高硬度和高热硬性，但韧性降低，尺寸会涨大。

（3）中铬模具钢是针对Crl2 型高铬模具钢中碳化物多而粗大，且分布不均匀的缺点发展起来的钢种。典型的牌号有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MolV，其中Cr4W2MoV 使用较多。此类钢的ωC 进一步降至1.0%～1.25%，突出的优点是形成的碳化物细小且呈均匀分布状态，韧性明显改善，热处理变形小，综合力学性能较佳。可用于代替Crl2 型钢制造易崩刃、开裂与折断的冷作模具，其寿命大幅度提高。

（4）Cr6WV 钢的淬火温度为960～980℃，热油淬火。由于这种钢的淬火开裂倾向比高碳高铬钢大，所以在热处理时应注意预热和热介质淬火，并及时回火。回火温度在160～200℃，保温时间为1.5～3h。

2.3 基体钢和低碳高速钢类冷作模具钢热处理方法

对要求高耐磨性的模具(如某些冷挤压的冲头)也有采用高速钢来制造的，为提高它的韧性而研究发展了基体钢，基体钢中共晶碳化物数量少且细小均匀，韧性也相对提高了。近年来研制的基体钢是以W18Cr4V 和W6Mo5Cr4V2 钢的基体成分为基础发展改性的。其中含镍基体钢6Cr4Mo3Ni2WV的强度和断裂韧度都较高，但其热加工时易产生内裂而报废，生产成本高。含钛基体钢中6W8Cr4VTi 有较高的硬度、强度和高温性能以及回火稳定性，多用于冷冲切边模具等。而6Cr5Mo3W2VSiTi 则相对有较好的强韧性，多用于承受冲击载荷较大的冷挤压冷冲压模具。6Cr4W3Mo2VNb 和6W6Mo5Cr4V钢有较好的加工工艺性、高强度及较好的韧性，且耐磨性也好，一般多用于要求高强韧性的冷挤压模和冷冲模。基体钢具有更加优良的强韧性，不仅可用做冷作模具钢，也可用做热作模具钢。由于低碳高速钢(如6W6Mo5Cr4V 等)碳质量分数或合金元素质量分数下降，碳化物数量减少且均匀性提高，使钢的强韧性明显改善，常用于高冲击载荷下要求耐磨损的模具（见表2）。