5NiSCa钢在精密密封橡胶模具中的应用及热处理

胡 江，刘奇荣

（江西应用工程职业学院，江西 萍乡 337042）

5NiSCa钢在精密密封橡胶模具中的应用及热处理

胡 江，刘奇荣

（江西应用工程职业学院，江西 萍乡 337042）

我国自行研制的5NiSCa钢，具有良好的镜面加工性能，模具表面粗糙度好。用该钢制造模具前，为保证其具有良好加工性能，一般先进行预硬化处理，达到模具工作硬度要求，获得模具所需的综合力学性能。然后直接由用户进行切削加工或挤压成型，成型后经过及时镀铬或渗氮处理，既保护型腔表面，又增加表面硬度和耐磨性。可显著提高模具的使用寿命。

5NiSCa钢；精密密封橡胶模；热处理工艺及应用

当前，精密密封橡胶模具已经成为现代橡胶工业中的一种高值易耗品。随着橡胶工业的快速发展，产品品种多样化、模具工况条件复杂化，使橡胶模具的寿命问题越来越引起人们的重视。实践证明，模具材料与热处理技术是影响橡胶模具质量、性能、寿命的关键因素。据调查分析，在模具失效的影响因素中，其中材料和热处理问题占据60-70%。因此，合理选用高性能模具钢，并进行正确的热处理工艺操作，是提高橡胶模具使用寿命的重要生产途径。本文探讨了精密密封橡胶模具的选材及热处理问题，通过综合分析其工作条件、性能，以此提高精密密封橡胶模具的使用寿命，确保加工质量、降低生产成本，就显得重要和迫切。

众所周知，变形、开裂、硬度是模具热处理三大难题。特别是在淬火过程中，由于模具截面各部分加热和冷却的不一致而引起温差，加上组织转变的不等时性等原因，使模具截面各部分体积膨胀不均匀，组织转变的不均匀，从而产生组织应力，又加之模具内外温差产生热应力，当其内应力超过模具的屈服极限时，就会引起模具变形。

近年来，随着加工机床和切削刀具性能的提高，模具材料的预硬化技术开发速度加快。我国相继开发和引进了一些预硬型模具钢，这些钢种强韧性好，热处理变形小，易于切削加工，解决了精密密封橡胶模具热处理变形问题。但在实践中也发现，当模具硬度要求较高时往往又给模具加工造成很大困难。如何保持模具加工精度，又使模具具有较高硬度，对于精密、密封、长寿命的橡胶模具，一直是从事模具材料及热处理工作者面临亟待解决的问题。

国内外研究者制造了一系列预硬型模具钢。这种新型的模具钢经过充分锻打后，制成模块，预先热处理至硬度要求，获得模具所需的综合力学性能，然后直接由用户进行切削加工或挤压成型，无需再进行热处理淬硬，从而避免了热处理变形甚至开裂。我国自行研制的5NiSCa钢是其中最典型的一种，制造时切削性能好，使用时对压力和温度的变形小，主要用于制造精密型腔模具。

一、5NiSCa钢的性能及其在模具中的应用

5NiSCa钢是一种中碳低镍合金模具钢。其化学成分见表1

表1 5NiSCa钢的化学成分（质量分数）%

5NiSCa钢碳质量分数在0.5%-0.6%左右，并含有一定量的Cr、Ni、Mn、V等合金元素，是为了获取较高的淬透性和回火稳定性，保证钢的热加工性能及热处理后的韧性；多元少量合金化方案和二元硫钙复合切削系，改善了硫化物的形态及分布，有效改善了钢的切削加工性能。当然，加入S元素后，会减低钢的抛光性能，但经过提高预硬化硬度就可以保证其抛光性能，同时含S元素钢的防腐性能差，抛光后应注意及时镀铬或渗氮处理；金属钒主要以V4C3形式存在基体中，由于V4C3稳定难溶，硬度极高，显著提高了钢的耐磨性和热硬性。

5NiSCa钢预硬化处理后，硬度为35-45HRC。在此预硬状态下，可以顺利进行各种机械加工，镜面抛光后表面粗糙度可达Ra0.2-0.1μm，且在使用过程中表面粗糙度保持能力强，花纹蚀刻性能好，清晰、逼真，可作型腔复杂、质量要求高的模具，它在高硬度下（50HRC以上），热处理变形小，韧性好，并具有较好的组织裂纹扩展的能力。

5NiSCa钢一般采用电炉冶炼电渣重熔，淬透性好。含有一定量的镍可以保证固溶体淬火后得到单一的马氏体，并且镍与钼作用形成均匀弥散的时效强化相Ni3Mo。在软化状态下可以进行模具型腔的挤压成型。

二、5NiSCa钢的热处理工艺

5NiSCa钢作为一种中碳加镍的易切削预硬化模具钢，通常采用调质预硬处理，预硬硬度为30-35HRC，便于机械加工或模具型腔的挤压成型。因为预硬化处理是在模具毛坯状态下进行的，加工成型后硬实施中温时效，防止模具淬火变形。为增加表面耐磨和防腐，一般在成型加工后进行表面处理，如镀铬、渗氮处理等。

1.5NiSCa钢的热加工处理

提高钢坯改锻质量是提高模具使用寿命的一个关键环节，应充分重视通过改锻改善组织的重要性。为此要进行反复多向镦拔并保证足够的锻造比。尽可能采用模锻和精锻。

5NiSCa钢有良好的锻造性能，其锻造工艺如下表2

表2 5NiSCa钢锻造工艺参数

2.预备热处理

5NiSCa钢球化退火：加热温度760℃-780℃，保温3h，等温温度680℃-700℃，保温7h，炉冷到550℃出炉冷却。获得珠光体组织，退火硬度小于或等于230HBS，改善模具的切削加工或挤压成型性能。

3.预硬化处理

5NiSCa钢预硬化工艺简单，多数采用调质处理。淬透性良好，淬火时可用油冷、空冷或硝盐分级淬火。为保证模具的各种工作硬度要求，高温回火的温度较宽（见表3）。调质后获得回火索氏体，硬度均匀。不同温度回火硬度见下表3，淬火温度对变形影响见表4。

表3 5NiSCa钢的预硬化处理工艺

表4 5NiSCa钢经880℃淬火及不同温度回火的硬度

表5 淬火温度对5NiSCa钢淬火变形的影响

三、5NiSCa钢的应用实例

5NiSCa钢可用作型腔复杂、不同截面、型腔质量要求高的注射模、胶木模、橡胶模、印制板冲孔等效果显著。

例如用5NiSCa钢制作精密密封橡胶模具的热处理工艺及应用。精密密封橡胶模具要求尺寸准确，加工工艺性能和抛光性能好，热处理变形小。并且要有高的硬度、耐磨性和强韧性。选用5NiSCa钢制造，均能满足各项要求，使用寿命比45钢橡胶压模显著提高。

模坯采用5NiSCa圆钢改锻，改锻工艺为，预热600℃-700℃，加热温度为1100℃-1150℃，始锻温度1050℃，终锻温度大于850℃，一火锻成，锻后砂冷。为改善模坯的切削加工性能以及为淬火作组织准备，锻后需经等温球化退火，其工艺为760℃加热。保温2h，660℃等温6h，退火硬度不高于230HBS。

预硬化处理采用调质方式，淬火温度范围宽，为850℃-930℃，淬火硬度为60-62HRC；根据各种橡胶密封件压模的硬度要求，回火温度可取550 ℃-660℃，回火后硬度为35-45HRC。在此硬度条件下，5NiSCa钢具有良好的机械加工性能和抛光性能。

模具热处理变形是精密密封橡胶模具制造者面临的一个重要课题，模具设计与制造人员应重视新材料和热处理新工艺的推广应用，扬弃习惯应用传统的模具钢和传统的热处理工艺方法。通过合理选材，采用新的热处理设备和工艺，对现有钢种性能挖潜，可以大幅度提高模具使用寿命，既能满足特殊使用性能和特殊工艺性能要求，又能解决许多生产和技术上的难题，获得显著的经济效益和社会效益。

以5NiSCa钢为代表的预硬化模具钢，可以解决精密密封橡胶模具热处理变形和开裂的倾向以及模具硬度要求高时加工的困难。其预硬化处理后的硬度为35-45HRC，便于机械切削加工或挤压成型，模具成形后为了进一步提高模具的表面硬度和耐磨性，可以进行450℃-500℃氮化处理，硬度可达到1000HV以上，可显著提高模具的使用寿命。

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1673-0046（2014）3-0178-02