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低碳馬氏體在模具中的應(yīng)用
通常模具用鋼都采用合金工具鋼、碳素工具鋼和高速工具鋼，其淬火后的組織主要是孿晶的亞結(jié)構(gòu)，有顯微裂紋的高碳針狀、片狀馬氏體。由于含碳量較高，碳化物形成元素較多，鋼中不可避免的會(huì)存在網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀碳化物，往往造成模具在使用中脆性斷裂。由于低碳馬氏體亞結(jié)構(gòu)是位錯(cuò)，具有較高的強(qiáng)度(硬度為 45HRC～50HRC，屈服強(qiáng)度為1000MPa～1300MPa)、良好的塑性(δ5≥10%，ψ≥40%)和韌性(AKV≥59J)以及良好的冷加工性、可焊性和熱處理畸變小等優(yōu)點(diǎn)。因此，如何使模具鋼的淬火組織中得到更多的、甚至全部低碳馬氏體，是提高模具強(qiáng)韌性、延長(zhǎng)模具使用壽命的關(guān)鍵。目前發(fā)展方向是低碳結(jié)構(gòu)鋼的淬火組織希望得到全部板條馬氏體，以保證高的強(qiáng)韌性；對(duì)高碳鋼傾向于降低碳含量或盡量降低淬火溫度來(lái)減少孿晶馬氏體數(shù)量，以保證材料的韌性；對(duì)中碳合金鋼則傾向于采用高溫淬火，得到較多或全部低碳馬氏體組織，來(lái)提高斷裂韌性。
低碳馬氏體在塑料模具中的應(yīng)用
1 低碳馬氏體滲碳型塑料模具鋼
低碳鋼、低碳合金鋼模具在成形后進(jìn)行滲碳、淬火和低溫回火，使模具表面得到高碳細(xì)針狀回火馬氏體+顆粒狀碳化物+少量殘留奧氏體，心部組織主要為低碳馬氏體。從而保證了模具表面具有高硬度(58HRC～62HRC)、高耐磨性，而心部具有較高的強(qiáng)韌性(30HRC～45HRC)，用于制造各種要求耐磨性良好、形狀復(fù)雜、承受載荷較高的塑料成形模具。
2 超低碳冷擠壓成型塑料模具鋼
國(guó)外廣泛應(yīng)用超低碳鋼冷擠壓成型工藝方法制造塑料模具。由于需要冷擠壓成型，除碳含量較低外，經(jīng)軟化退火后，硬度較低(≤160HBS，擠壓復(fù)雜型腔時(shí)≤130HBS)，特別適合于冷塑性變形。這類鋼在冷擠壓成型后進(jìn)行滲碳、淬火、回火。因此具有生產(chǎn)效率高、制造周期短、模具精度高等優(yōu)點(diǎn)。典型的鋼種有美國(guó)P系列低碳模具鋼、德國(guó)X6CrMo4鋼(≤0.07%C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和國(guó)產(chǎn)LJ-08Cr3NiMoV鋼(≤0.08%C)。
3 低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)強(qiáng)韌性型塑料模具鋼
低碳馬氏體鋼包括低碳碳素鋼和低碳合金鋼經(jīng)低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火處理后，得到強(qiáng)韌性較高的低碳馬氏體組織，代替中碳鋼調(diào)質(zhì)處理或低碳鋼滲碳、滲氮處理，適用制造各種塑料模具，可顯著縮短模具制造周期，降低制造成本，提高使用壽命，在塑料模具熱處理中廣泛應(yīng)用。
4 低碳馬氏體時(shí)效硬化型塑料模具鋼
(1)低碳馬氏體時(shí)效硬化鋼
該鋼具有較高的屈強(qiáng)比，良好的切削加工和焊接性能和熱處理工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。典型鋼種是超低碳18Ni鋼系列(≤0.03%C)，由于18Ni鋼價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)很少使用。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的06Ni6CrMoVTiAl(簡(jiǎn)稱06鋼，≤0.06%C)，屬低鎳、低碳馬氏體時(shí)效硬化鋼。該鋼經(jīng) 800℃～880℃加熱，水或油冷卻固溶處理，(500～540)℃×(4～8)h時(shí)效處理后的組織為低碳馬氏體+析出強(qiáng)化相Ni3Al、Ni3Ti、 TiC和TiＮ，硬度為42HRC～45HRC，屈服強(qiáng)度1100MPa～1400MPa。06鋼通常用來(lái)制作的收錄機(jī)磁帶盒模具，其平均壽命>110萬(wàn)件，是一種有發(fā)展前途的鋼種。
(2)國(guó)產(chǎn)低碳馬氏體析出(沉淀)硬化鋼
典型鋼種為25CrNi3MoAl和10Ni3MnCuAl(簡(jiǎn)稱PMS)，適用于制作對(duì)變形率要求<0.05%，鏡面要求或表面要求光刻花紋工藝的精密鏡面塑料模具。其中25CrNi3MoAl鋼經(jīng)830℃固溶處理后，硬度可達(dá)50HRC，540℃×4h時(shí)效處理后，硬度為 39HRC～42HRC；PMS鋼經(jīng)870℃×1h固溶處理，510℃×4h時(shí)效處理后金相組織為低碳馬氏體基體上彌散分布大量細(xì)小金屬間化合物，其硬度為40HRC～43HRC，抗拉強(qiáng)度為1000MPa～1300MPa。
5 低碳馬氏體耐蝕型塑料模具鋼
(1)低碳馬氏體不銹鋼
主要鋼種為2Cr13鋼(0.16%～0.25%C)和1Cr17Ni2鋼(0.11%～0.17%C)，適用于制造在腐蝕介質(zhì)作用下的塑料模具，透明塑料制品模具。
(2)低碳馬氏體析出(沉淀)硬化型不銹鋼
典型鋼種為國(guó)產(chǎn)07Cr16Ni4Cu3Nb鋼(≤0.07%C，簡(jiǎn)稱CR)，該鋼經(jīng)1050℃淬火后獲得單一的低碳馬氏體組織，硬度為 32HRC～35HRC，可以直接進(jìn)行切削加工；經(jīng)460℃～480℃時(shí)效處理后，硬度為42HRC～44HRC，良好的力學(xué)性能和抗蝕性。例如聚三氟氯乙烯閥門(mén)蓋模具，原采用45鋼鍍鉻處理模具，使用壽命為1000～4000件，后改用低碳馬氏體PCR鋼，壽命可達(dá)10000～20000件。
低碳馬氏體在冷作模具中的應(yīng)用
1 低碳鋼冷作模具的低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火
一些國(guó)家已在冷作模具鋼標(biāo)準(zhǔn)中列入了低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)，例如在ISO4957.1999《冷作合金工具鋼》中有下列鋼種：5CrMo4鋼(≤0.07%C)、7CrMoNi2鋼(≤0.10%C)、20Cr13鋼(0.16%～0.25%C)；德國(guó)工具鋼種：21MnCr5鋼(0.16%～0.24%C)、X6CrMo4鋼(≤0.07%C)、15NiCr18鋼(0.10%～0.17%C)。
國(guó)內(nèi)也有不少應(yīng)用低碳馬氏體鋼強(qiáng)烈淬火工藝制造冷作模具的實(shí)例。
(1)20鋼鋸齒鎖緊墊圈沖模 該冷沖模用于沖壓65Mn鋼帶(179HBS～217HBS)。原采用T10鋼(48HRC～50HRC)，使用壽命<1500次；后采用Cr12MoV鋼(48HRC～50HRC)，使用壽命3000次；而采用20鋼(46HRC～48HRC)，使用壽命高達(dá) 3～4萬(wàn)次，其處理工藝為：(910±10)℃加熱，10%NACL鹽水冷卻，不回火直接使用，而且成本低廉。
(2)Q235鋼剪板機(jī)刀片螺栓鍛件胎模沖頭 曾選用GCr15、9SiCr、T8及45鋼，由于工件有咬模、粘�，F(xiàn)象發(fā)生，鍛坯很難從模具中沖出，致使沖頭產(chǎn)生塑性變形、彎曲和斷裂，壽命較短，每10件沖頭約沖螺栓800～1200件；而采用Q235鋼做沖頭材料，經(jīng)950℃×5min鹽爐加熱，10%NACL鹽水冷卻淬火后不回火直接使用，硬度為36HRC～40HRC，每10件沖頭能沖螺栓2000件以上，而且失效形式為塑性變形，消除了沖頭使用中碎裂現(xiàn)象，保證了操作者的人身安全。
(3)20CrMnTi鋼壓制鋁套冷擠壓模 D16、D20型壓制鋼絲繩鋁套冷擠壓模 原采用CrWMn鋼淬火回火后，硬度為 45HRC～50HRC，盡管硬度要求在冷擠壓模中較低，但是由于CrWMn鋼碳化物不均勻性比較嚴(yán)重，很難避免網(wǎng)狀、帶狀碳化物，因此造成崩刃、開(kāi)裂而早期失效，使用壽命僅為1000多件，有的僅幾百件甚至幾十件。選用20CrMnTi鋼制作D16、D20鋁套冷擠壓模，經(jīng)950℃加熱鹽水淬火后，不回火直接使用，模具硬度為46HRC～48HRC，壓制鋁套2000多件，仍在繼續(xù)使用。
(4)20Cr鋼冷作模具 該鋼經(jīng)滲碳淬火表面強(qiáng)化處理后，可使模具表面獲得細(xì)針狀回火馬氏體，硬度為58HRC～62HRC；心部獲得低碳馬氏體組織，硬度35HRC～40HRC，基體強(qiáng)韌性高，可滿足冷作模具高硬度、高強(qiáng)度、高韌性的使用性能要求。例如，汽車(chē)軟管鋅合金接頭八角模沖頭，硬度要求 58HRC～62HRC。原采用Cr12MoV鋼制造的八角模的壽命很短，往往不到2000件就斷裂；把沖頭材料換成20Cr鋼并經(jīng)滲碳處理后，滲層深 1.0mm～1.2mm，硬度為60HRC～62HRC，使用壽命提高到3萬(wàn)件。
2 中碳合金鋼冷作模具的低碳馬氏體高溫淬火
對(duì)于中碳合金鋼冷作模具，可以通過(guò)提高奧氏體化溫度，使奧氏體晶粒更加均勻細(xì)化，碳含量趨于減少，Ms點(diǎn)升高，從而獲得更多的低碳馬氏體組織，提高模具的強(qiáng)韌性，有利于延長(zhǎng)冷作模具的使用壽命。
(1)5CrMnMo鋼冷鐓機(jī)螺母冷鐓模的高溫淬火 將5CrMnMo鋼的淬火溫度提高到900℃～950℃，可得到幾乎是單一的低碳馬氏體組織。例如，用5CrMnMo鋼制作的Z41.24型多工位冷鐓機(jī)螺母冷鐓模，經(jīng)900℃～930℃加熱，180℃分級(jí)淬火，200℃×2次低溫回火處理后，使用壽命比Cr12MoV鋼的提高2.6倍，可完全取代T10A、9CrSi、Cr12MoV鋼制造較大截面的冷鐓模。
(2)60Si2MnA鋼冷鐓螺帽4序沖模的高溫淬火 60Si2MnA鋼在高溫淬火后，組織中板條馬氏體數(shù)量增多，甚至可以獲得全部板條馬氏體組織，有較高的斷裂韌度、沖擊韌度和優(yōu)良的耐磨性。60Si2MnA鋼制冷鐓螺帽4序沖模，經(jīng)920℃～950℃淬火后，使用壽命比正常溫度淬火的模具提高了2倍左右。
(3)5CrW2Si鋼冷剪切模的高溫淬火 5CrW2Si鋼冷剪切模，經(jīng)950℃淬火和250℃回火后，得到板條馬氏體加少量均勻細(xì)化的碳化物和分布在板條馬氏體邊界的細(xì)小殘留奧氏體的組織，可顯著提高冷剪切模剪刃的強(qiáng)度和韌性，壽命提高1.5～5倍。
3 高碳鋼冷作模具的低碳馬氏體低溫淬火
高碳鋼冷作模具淬火溫度愈低，奧氏體固溶碳含量也愈低，Ms溫度愈高，低碳馬氏體數(shù)量愈多。因此模具具有較高的耐磨性和強(qiáng)韌性，變形和開(kāi)裂的幾率很小。
(1)T10A鋼冷鐓模低溫短時(shí)加熱淬火 T10A鋼冷鐓模(光沖)，按原工藝(780℃×20min鹽浴加熱淬火)處理時(shí)獲得孿晶馬氏體組織，存在顯微裂紋，在沖擊載荷作用下，由于韌性差，常產(chǎn)生崩刃�，F(xiàn)采用750℃×14min鹽浴加熱淬火，200℃回火處理后，可以得到細(xì)小的片狀馬氏體和 50%(體積分?jǐn)?shù))以上的低碳馬氏體，減少了顯微裂紋，在保證高硬度的同時(shí)，具有較高韌性，從而提高使用壽命近一倍。
(2)CrWMn鋼制小型模具的低溫淬火 一般用CrWMn鋼制造生產(chǎn)手表用的小型凸模，經(jīng)常規(guī)熱處理后模具的使用壽命為1000～10000次，破損形式多為局部崩刃或整個(gè)頭部斷裂。CrWMn鋼制小型凸模的低碳馬氏體強(qiáng)韌化處理工藝為：700℃×10min預(yù)熱，.790℃×(3～4)min鹽浴爐加熱，在180℃石臘中等溫15min后，空冷，硬度為59HRC～61HRC；200℃×2h回火后，硬度為58HRC～60HRC，模具的刃磨壽命可達(dá)1～2萬(wàn)次，總壽命可達(dá)10～20萬(wàn)次。且在使用中不易發(fā)生崩刃及斷裂現(xiàn)象，顯示出有極高的斷裂抗力。
(3)7Cr7Mo3V2Si(ＬD)鋼冷擠壓凸模的低溫淬火 ＬD鋼冷擠壓凸模，按常規(guī)工藝1100℃～1150℃加熱淬火處理后，使用壽命僅 3000～4000次。改用1050℃×25min鹽浴加熱油冷和200℃×2.5h回火后，獲得板條馬氏體+彌散碳化物組織，硬度為 60HRC～61HRC，使用壽命提高到2萬(wàn)次。
低碳馬氏體在熱作模具中的應(yīng)用
熱作模具鋼經(jīng)高溫加熱可使鋼中的合金碳化物大量溶入奧氏體中，提高了基體的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，同時(shí)，相應(yīng)地提高回火溫度，可使組織中板條馬氏體的份額有大幅度增加，斷裂韌度和小能量多沖壽命有所提高。如果加熱溫度選擇適當(dāng)，則沖擊韌度和塑性仍能保持在一定水平上，從而可使熱作模具的使用壽命大幅度提高。因此，目前熱作模具的淬火加熱溫度有向高溫發(fā)展的趨勢(shì)。熱作模具鋼的另外一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是降碳、低碳化。目前有的國(guó)家已在熱作模具鋼標(biāo)準(zhǔn)中列入了低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)。例如，美國(guó)H25鋼 (≤0.25%C)、德國(guó)21CrMo10鋼(0.16%～0.23%C)、法國(guó)20MoNi34.13鋼(0.18%～0.23%C)等。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單，生產(chǎn)批量小和交貨期短的產(chǎn)品零件，可以選用低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，特別是高溫強(qiáng)度好、抗蠕變性能好的20CrMo，20CrMnMo等含Mo的低碳低合金耐熱結(jié)構(gòu)鋼制造熱作模具，直接進(jìn)行低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火。
(1)3Cr2W8V鋼熱作模具的高溫淬火 3Cr2W8V鋼熱作模具采用高溫淬火和高溫回火工藝處理后，可獲得更多的板條馬氏體組織，有較高的回火穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度、高溫耐磨性和熱疲勞性，可顯著提高模具壽命。用3Cr2W8V鋼制M12×50的圓柱螺柱(材料為40Cr)熱鍛模，采用1180℃ 加熱淬火，640℃×2h×2次回火后，可以得到90%以上的板條馬氏體，平均使用壽命由3000～5000件提高到3～4萬(wàn)件。
(2)5CrNiMo鋼錘鍛模的高溫淬火 5CrNiMo鋼制作的480mm×450mm×295mm的錘鍛模，原熱處理工藝為860℃×5h油淬和500℃×10h回火，硬度為42HRC。鍛打齒輪毛坯2500件時(shí)，鍛模便發(fā)生塑性變形，需修模后方可繼續(xù)使用。改用新工藝，900℃×5h油淬，500℃×10h回火，硬度為43HRC，鍛打同樣的齒輪毛坯8100件仍可繼續(xù)使用。國(guó)內(nèi)其他工廠的試驗(yàn)表明，將淬火溫度由860℃提高到 960℃，鍛模的使用壽命能夠提高2.5倍。
(3)熱作模具高溫雙重淬火處理 4Cr5MoSiV1鋼高溫雙重淬火工藝為：1160℃淬火+720℃回火+1050℃淬火+350℃回火。雙重淬火可減小未溶碳化物尺寸和體積分?jǐn)?shù)，使碳化物顆粒間距增大。當(dāng)?shù)诙囝w粒平均間距增大時(shí)，可使斷裂韌度增大。高溫淬火可顯著減少孿晶馬氏體，增加位錯(cuò)馬氏體，使模具具有高的斷裂韌度。因此，高溫雙重淬火與普通淬火(1020～1050)℃相比，斷裂韌度可提高30%～40%，有利于提高熱作模具鋼的疲勞裂紋的擴(kuò)展抗力和熱疲勞開(kāi)裂的抗力，使模具具有最佳的熱疲勞性能，從而提高熱作模具的使用壽命。
(4)20Cr鋼熱鍛模的低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火 拉索冷鑄錨杯索節(jié)扣體是斜拉橋關(guān)鍵受力固定端件，技術(shù)要求必須是模鍛件。由于合同訂貨數(shù)量?jī)H88件，因此采用強(qiáng)韌性高、耐沖擊、有一定熱強(qiáng)性的20Cr鋼制造索節(jié)扣體熱鍛模。其加工工藝流程為：下料—鍛造—鍛造余熱正火(形變正火)—粗加工—淬火、回火 —精加工。熱處理工藝為：920℃加熱，10%NACL鹽水淬火，430℃回火。該工藝不僅消除淬火軟點(diǎn)，提高模具淬透性，而且可以提高模具屈服強(qiáng)度和沖擊韌度，保證模具使用壽命。經(jīng)上述工藝處理后的索節(jié)扣體熱鍛模，平均硬度40HRC，金相組織為較細(xì)板條馬氏體，圓滿地完成了合同任務(wù)。
(5)Q345B鋼鉚焊熱鍛模的低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火 XKJ44.5mm～48mm大型體育場(chǎng)館斜拉鋼絲纜索澆鑄接頭體是模鍛件(質(zhì)量98.5KG)，由于批量?jī)H40件，選用厚度40mm的Q345B鋼板，采用鉚焊的工藝方法，將7層板制成400mm×400mm×290mm的熱鍛模。工藝流程為：下料—鉆孔—鉚接—焊接—機(jī)加工—淬火—鉗修。經(jīng)箱式爐950℃快速加熱(20s/mm)，鹽水深冷淬火冷卻，不回火直接使用。模具平均硬度46HRC，完成40件后，仍能繼續(xù)使用。
結(jié)語(yǔ)
(1)低碳馬氏體具有相當(dāng)高的強(qiáng)韌性，是模具鋼理想的淬火組織。
(2)低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)進(jìn)行強(qiáng)烈淬火和表面強(qiáng)化處理，可以代替模具鋼制造各類模具。
(3)中碳鋼模具采用高溫淬火，可以獲得更多的、甚至全部低碳馬氏體組織，顯著提高模具的強(qiáng)韌性。
(4)高碳鋼模具采用低溫淬火，可以獲得較多的低碳馬氏體組織，顯著提高模具的使用壽命。
(5)模具鋼淬火組織低碳馬氏體化，模具鋼降碳、低碳化，是模具鋼熱處理的重要發(fā)展趨勢(shì)。
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