关于冲压模具常用金属材料及其热处理工艺研究

2021-11-19王存邦

中国金属通报 2021年21期

王存邦

（华东冶金地质勘查局超硬材料研究所，安徽马鞍山 243000）

在现代化的工业生产活动中，都离不开模具的使用，而相关的材料使用是模具制造的基础条件，模具主要可以分为冷作和热作以及塑料模具钢，在冷作模具中主要分为冷冲压和挤压以及冲裁等类型，而且在进行分离和切削的过程中，会导致温度变高，还有在冲击和摩擦等作用力的影响下，容易产生变形和断开等问题，所以在材料的选用方面，必须具有很好的耐磨和抗变形能力，由此可见，不同的模具制造对于材料的要求不同，因而要根据对应的材料的性质和特点，选用合适的方法进行，并且结合热处理工艺，来提高工作质量和精度。

1 冲压模具常用的金属材料

1.1 碳素钢

这种类型的材料现阶段产量较大，不仅锻造和可塑性较强，而且在热处理的退火后，容易软化，可以及时地进行下一道工序，节约时间，提高工作效率，但是其强度较低，需要进行切削加工处理，造价成本较低。主要的缺点表现在这几个方面：一是淬透性不够，在热处理时需要使用水作为冷却介质，极易引发变形问题。二是只适合用来制造一些较为简单、规格较小，且受力少的模具中，因而不适合精度要求较高的模具制造中[1]。

1.2 高碳高铬

这个材料的耐磨性和淬透性都较好，所以在热处理中不易产生变形问题，通常情况下被运用于耐磨性和微变形模具的制造中，但是材料承受的负载和压力较小，还有其中存在的碳化物，会出现严重的偏析问题，在进行冲压操作中，需要进行反复的改锻和镦拔作业，从而保证其内部结构的均匀。

1.3 高速钢

主要是运用添加钼元素进行锻造而制成的材料，它有很好的热塑性和韧度在冷作模具的生产和制造中发挥至关重要的作用，在高速钢中有一种硬度较强的钢材料，利用特殊工艺来提高材料的硬度，但是其韧性较差，加工难度较大，运用这类材料来快速提升碳含量，当产生的数量较多时，就会引起过烧问题。

1.4 基础钢

主要是由于高速钢本身存在的问题，利用添加别的元素方式来弥补材料的不足之处，从而改变其基础的碳含量，从而提升材料性能，适用于冷模具制造中强韧材料的使用，具有高速高和超硬钢材料的优点，成本低。

1.5 合金材料

其硬度和耐磨性能都较好，但是强度和韧性相对较差，根据这个情况，可以使用一定的黏合剂进行加工，主要由铁粉和合金粉末材料，从而使得形成硬质合金材料，工艺开展过程中，可以运用焊接和切削以及热处理的根方式进行[2]。

2 热处理工艺

2.1 退火

主要是将相关的材料加热到合适的温度后，再进行保温处理和缓慢冷却。

2.2 正火

将钢材料加热到合适的温度时，并且在保温一段时间后，利用空冷的方式进行冷却。

2.3 淬火

将钢加热到相变温度以上，并且在保温后进行快速冷却，从而获得对应的马氏体组织。

2.4 回火

将淬火后的工件进行重新加热，在低于临界温度时进行保温，并且进行冷却。

3 热处理方法

3.1 真空热处理

主要是根据不同材料在常温固态下的特点和性能，将工件放置在真空介质中进行加热处理，使得在达到一定的温度后，进行保温和冷却处理，它具备节能环保和无污染特点，并且在这个方法处理下的变形问题出现较少，且质量较高，其具体的是利用各种金属元素在真空介质中加热的蒸发作用，来实现净化处理，从而进行无氧化和少量碳化物的加热，并且结合脱气作用，来提高材料的性能和质量。但是要注意的是在温度达到九百摄氏度以前，先进行真空的抽气，在一定的压强下，然后进行加热和预热，要控制好温度和时间，当温度出现匀速下降时，可以降低充气压力[3]。

3.2 深冷方式

主要是以液氮作为冷却剂，在较低的温度下，对工件进行处理，可以分为液体和气体两种。前者是直接将工件放于材料中，并且在零下一百五十度进行处理，因而对于工件的冲击力较大，容易引发变形和断裂问题。而气体方法主要是将材料先进行气化处理，然后开展吸热制冷，从而提高材料的耐磨和韧性。模具钢的深冷处理可以在进行淬火和回火工序间或者是在它们完成后进行，这种方法制造的材料可以用作冷、热模具以及硬质合金。

3.3 高温和降温淬火

在模具的淬火操作中，容易产生裂纹，继而引起断开问题，而在进行高温处理，主要是进行温度的提升，保障在加热淬火下，降低材料中的碳化物，使得满足制作要求，而且在淬火处理后，可以有效地提高模具的使用期限。

3.4 化学热处理

主要是利用化学反应或者结合物理方法，来改变材料的结构和组织性能，而模具的零件大多在长期的使用下，表面产生腐蚀、生锈和磨损问题，通过化热处理使得在其表面形成一种特殊的材料，其中心部分是原有的钢材料，而表面则是加入合金元素，进一步保障它们紧密地结合，从而提高模具的抗氧化和耐磨性能。使用高温回火的合金模具，可以在进行回火的时候，同时开展表面渗氮处理，主要有离子和高频渗氮两种方法，运用离子的方式进行，可以减少作业时间，并且获得高质量的渗透层，而高频处理主要是用来提高模具的抗腐蚀性和耐磨性[4]。

3.5 渗硼和金属

主要有固体粉末、气体、电解盐等方式，主要是在材料中渗入硼元素，从而提高材料表面的强度和耐磨性能等，主要适用于冷作模具的制造中，可以更好地提高模具的使用寿命。

3.6 高能束热

主要是在热处理的过程中，运用到的热源是激光和电子束等，通过改变加热源，可以提高加热速度，降低变形，而且易于控制，还可以利用自动化技术处理，从而大幅度提高制造精度和质量。

4 金属材料的热处理工艺具体运用

4.1 碳素钢处理

可以使用水或者油性介质材料，并且在800左右的温度下，进行淬火，然后在160℃～180℃时开展回火处理，使得其硬度达到一定的标准。对于高碳低合金钢的处理，主要是在先进行高温淬火，然后冷却处理，在进行回火时将温度控制在200℃。

4.2 高碳高铬热处理

主要是根据具体的模具使用要求和标准来进行，当模具对变形要求较小且韧性较高时，可以先用低温淬火和回火方式进行，如果模具对温度的要求较高，可以采用高温淬火和回火，淬火温度在1100度左右，回火在500℃。对于耐磨性较高和微变形的高铬材料，可以根据对应的要求，使用低温或者高温的方式进行。

4.3 高速钢

先用高温进行淬火，并且运用热油和硝盐进行分级冷却，对于尺寸相对不大的可以使用空冷的方式进行，在淬火后要立即开展回火处理。

4.4 基体钢

先用较高的温度进行淬火，然后再进行回火，但是要回火两次。对于不同的钢材料，要选用不同的方式处理，对于65Nb钢可以先加入一定量的特殊材料，来细化晶粒，而在冷热兼用的材料中，主要是加入适量的强化材料，来降低其中的碳化物，然后进行淬火和回火等处理，从而提高其耐磨性、韧性以及锻造性能，满足不同的模具制造要求。

4.5 合金材料

对于微变形低合金钢，可以先进行淬火，并且进行冷却处理，在温度200下回火一到三个小时左右，保障达到一定的强度。而韧性较好的低合金钢，在温度900时进行淬火，使用盐浴炉进行加热，然后采用空冷或者油冷以及风冷的方式进行冷却，还可以运用火焰进行加热处理。还有在耐磨性和韧性都较好的合金材料处理中，先用高温淬火，在530℃温度进行回火三次，对于一些负载较大的模具，先进行淬火然后开展回火三次处理。

5 冲压模具热处理质量控制措施

5.1 预热处理

在进行预热工作时，先进行正火，然后使用球化进行退火，从而减少锻件内部的应力和碳化物，为热处理工作奠定质量基础，在零件的淬火前，可以先运用低温回火来稳定其内部组织结构，并且在精准加工前，先开展调质处理，从而减少变形问题。

5.2 淬火和回火处理工艺的调整和优化

（1）回火控制。主要是在零件的淬火后，要及时放入到回火炉中进行回火处理，要注意的是放置的时间不适宜过长，在进行回火的时候，要防止高温和低温脆性，保证其质量，尤其是在一些精度要求较高的模具制造过程中，要进行多次的回火，从而降低内部的应力，控制变形问题。

（2）零件的保护。在热处理过程中，淬火和回火是影响模具产生变形和裂开问题的一个重要环节，所以在淬火时，对于一些极易出现变形的部位，要采取防护措施处理，保证零件内部应力的均匀和结构对称，具体的防护措施有填充和堵实、捆扎三种，可以根据实际的作业情况，选择合适对的方法处理，从而保证模具的质量。

（3）确定具体的加热温度。在热处理中，如果淬火的温度过高，就会导致相关的奥氏体颗粒变大还会引起氧化、变形等问题，而在特定的温度下，如果加热的温度较低，导致零件内控的收缩、尺寸降低，所以一定要加强温度管控。还有在合金钢加热中，温度较大，就会造成尺寸变大，所以针对这种情况，其具体的温度可以选择其下限值。

（4）改变加热方法。对于一些较小的模具或者是圆柱形的零件可以先进行预热处理，将温度控制在520℃～580℃之间，再将其放入到盐浴炉中进行加热，在达到淬火温度后，进行回火处理，和使用电炉、反射炉加热相比，可以有效地降低变形问题。在高合金加热处理中，先进行预热，使得达到淬火温度，但是要注意控制高温段时间，以降低变形和裂纹的产生。

（5）合理选用冷却剂。在合金钢的处理中，可以运用硝酸钾或者亚硝酸钠热浴进行等温或者分级淬火方式来进行，这个方法主要适用于精度要求较高的模具制作中，一些多孔的模具等温处理的时间不能太长，就会导致孔径大小的变化。假如使用油介质进行冷却，可以使用双介质淬火方式，来减少变形。

（6）淬火处理。在进行线切割加工前，要采用分级淬火和多次回火的方式处理，从而提高其淬透性，以便于保证其结构内部的应力均衡，当其内部的应力越小时，产生的变形可能性越低。

（7）冷却方式。主要是在零件加热后，从炉中拿出来后，要放置一段时间然后在放入冷却剂中进行淬火，并且要进行不同方向的适当旋转，可以保证各个部分冷却得均匀、合理，从而减少变形和裂开问题。