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冷作模具鋼熱處理工藝

　　模具熱處理實際上是指模具零件的熱處理。冷作模具種類較多，主要有冷沖裁模、冷鐓模、冷擠壓模具、冷拉深拉絲模等，由于形狀結構差異性較大，工作條件和性能要求不一，除了要選用合適的材料外，還應選擇最佳熱處理工藝，用以滿足模具服役性能要求，提高模具的使用壽命。

一、冷作模具基本熱處理工藝

冷作模具一般要求具有高的耐磨性、一定的硬度和硬化層深度，足夠的強度和韌性。因此冷作模具的基本熱處理工藝如下

1．預備熱處理

冷作模具在鍛后必須進行球退火，以消除鍛坯的鍛造應力，改善組織和降低硬度，以便機械加工并為最終熱處理作發組織準備。

2．高溫回火或去應力退火

為消除機械加工中產生的應力，減少最終熱處理變形，常在機械加工之后安排去應力退火或調質處理。為使線切割后應及時進行再回火，回火溫度不應高于淬火后的回火溫度，在高溫回火時為防止模具氧化脫碳，應采用保護氣氛或防氧化脫碳措施。

3．冷作模具的淬火

淬火是冷作模具最終熱處理中的重要操作，它對模具的使用性能影響極大，應特別給予重視。主要要注意以下幾點：

1）應對模具材料進行確認并檢查模具表面有無擦傷、裂紋等缺陷。

2）根據模具的形狀，估計模具的文治武功趨勢，作各種堵塞、捆綁或包扎，使能均勻地進行加熱與冷卻。

3）合理選擇淬火加熱溫度。既要使奧氏體固溶一定的合金元素和碳，以保證模具的淬透性、淬硬性、強度和熱硬性，又要有適當的過剩碳化物，以細化晶粒，提高模具的耐磨性和保證模具具有一定的韌性。同時要考慮模具的溫度高低對變形的影響，及加熱過程中的預熱。

4）合理選擇淬火加熱保溫時間。一般模具淬火加熱可根據加熱設備采取經驗公式計算保溫時間。但實際熱處理操作時，應考慮模具零件的具體情況。特別是復雜模具要綜合考慮各種影響因素，并通過試驗來確定最佳淬火保溫時間。

5）合理選擇淬火冷卻介質。高合金冷作模具鋼其淬透性好，并為了減少熱處理變形和開裂，在滿足模具技術要求的情況下盡可能選擇較緩慢的冷卻介質淬火，如氣冷、油冷、鹽浴、分級淬火和等溫淬火等。

對于碳素工具鋼和低合金工具鋼模具，為了減少模具熱處理文治武功和開裂，同時保證模具有足夠的淬硬層深度，可采取水淬-油冷、油淬-空冷、等溫淬火和一些新型淬火介質等。

6）嚴防模具加熱過程中的氧化脫碳。模具加熱過程中的氧化脫碳將會嚴重損害模具的表面質量影響模具的使用壽命。所以對精密復雜模具應盡量在真空熱處理爐和可控氣氛爐中加熱，在鹽浴爐中加熱要進行嚴格脫氧，在普通電爐中加熱要采取保護措施。

4．冷作模具的強韌化處理工藝

冷作模具低淬低回、高淬高回、等溫淬火等是提高模具強韌性的重要方法，要根據模具尾部進行，以提高模具的使用壽命。

5．模具的回火

模具在淬火或電火花加工后應及時進行回火，回火溫度根據模具的硬度要求來選擇，但要注意避開回火脆性的溫度范圍。

回火保溫時間應根據模具材料、模具形狀和大小確定。

高合金鋼則應采取二次或多次回火，在進行多次回火時應注意前一次回火須冷到室溫后再進行后一次回火。

6．模具冷處理

為了穩定精密復雜冷作模具的尺寸，減少模具鋼中的殘留奧氏體量，為此需對模具淬火后進行冷處理。

二、主要冷作模具的熱處理特點

冷作模具種類較多，各類冷作模具熱處理各具特色，為了更好地把冷作模具熱處理搞好，現把主要冷作模具熱處理特點介紹如下。

1．冷擠壓模具熱處理特點

冷擠壓模具的工作條件極為苛刻。要根據使用中對強韌性、耐磨性、回火穩定性等主要性能的要求，以其中的主要要求來正確決定熱處理規范，才能充分發揮模具材料性能的作用，從而提高模具的使用壽命。

1）冷擠壓模具要求具有一定的抗回火軟化能力（>400℃），但不要求太高的硬度和熱硬性。對耐磨性要求不高，易斷裂模具可采用低限溫度淬火或“低溫淬火”，以獲得晶粒細小的馬氏體，經回火后可獲得高的強韌性和一定的耐磨性。

2）對耐磨性和溫升有較高要求的模具，要求采用高限的溫度淬火和在二次硬化峰附近回火，以提高模具的耐磨性和耐回火性。

3）為了增加模具的耐磨性和改善其表面應力狀態，可采用表面強化處理工藝，如氮碳共滲、鍍硬鉻、滲硼等。

4）冷擠壓模具沖頭，在每擠壓500-1000件后，應作低于其工作溫度的去應力回火，以提高沖頭的疲勞破壞抗力。

2．由于冷鐓沖頭和凹模都承受多次反復的沖擊載荷，所以必須具備較高的硬度、耐磨性、強度和沖擊韌度、還必須具有較高的斷裂韌度和疲勞強度。因此冷鐓模的熱處理特點如下：

1）對碳素工具鋼冷鐓模具采用片狀珠體預處理，再進行淬火低溫回火，可提高模具的抗壓強度、斷裂韌度、沖擊韌度，模具壽命可顯著提高。

2）對于Cr12MoV鋼冷鐓模采用1030℃淬火、400℃回火，可獲得最佳的強韌性配合，冷鐓模的斷裂韌度明顯提高。

3）冷鐓模淬火后必須充分回火，并進行多次回火，以使其內應力全部消除。

4）為了提高冷鐓模的耐磨性和抗咬合性，冷鐓模一般進行滲硼處理，以提高模具使用壽命。

3．冷沖裁模的熱處理特點

沖裁模根據薄厚板的不同熱處理特點也不同：

1）薄板沖裁模要求具有高的精度和耐磨性，要采用不同的減少淬火變形的熱處理方法，如預冷淬火、堿浴淬火（碳素工具鋼）、等溫淬火、硝鹽淬火等措施。

2）對于厚板沖裁模要保證模具獲得高強韌性的同時還要具有較高的耐磨性。為了提高厚板沖裁模的強韌性，需細化奧氏體晶粒，細化碳化物，獲得板條狀馬工體、下貝氏體及復相組織及合理選擇回火工藝等。對此可采用高碳鋼低溫、短時快速加熱工藝，從而獲得較多的板條馬氏體組織；為獲得下貝氏體組織可采用等溫淬火工藝，也可采用固溶雙細化處理工藝細化碳化物晶粒等方法來提高沖裁模的強韌性。

4．冷拉深模的熱處理特點

拉深模應具有較高的硬度、良好的耐磨性和抗粘附性能。為了保證冷拉深模的表面質量和性能要求，宜采用真空熱處理和可控氣氛處理，對條件不具模的表面質量和性能要求，宜采用真空熱處理和可控氣氛熱處理，對條件不具備的單位也應采取措施防止模具表面抗氧化脫碳。為了提高拉深模具的抗磨損和抗粘附性能，應對模具進行表面強化處理如滲氮、氮碳共滲、滲硬鉻、滲硼、滲釩等。

三、主要冷作模具的熱處理

1．CrWMn鋼冷沖模的雙細化熱處理

CrWMn 鋼中小型沖孔用冷沖模，沖頭部分φ10mm×40mm，模具技術要求60-62HRC。采用常規熱處理后，由于韌性不足，常發生早期脆斷，一般壽命僅達3000件，后采用以下雙細化熱處理工藝后，提高了模具的強韌性，防止了模具的早期脆裂，平均使用壽命提高到15000件左右。

該模具的原制造工藝路線為：毛坯---球化退火---粗加工---半精加工---去應力退火---精加工---淬火、回火---精磨。其中熱處理工藝如下：

（1）球化退化加熱溫度800℃×(3-4)h，爐冷至700℃等溫-3h，爐冷至500℃以下出爐空冷。

（2）淬火及回火淬火溫度830℃保溫杯10min油冷，回火溫度180℃保溫熱處理工藝如下：

固溶超細化熱處理工藝：固溶加熱溫度1050℃，等溫淬火溫度300℃，高溫回火溫度720℃，保溫2h，爐冷至500℃以下出爐空冷。

最終熱處理：淬火溫度810℃，熱油冷；回火溫度180℃，保溫2-3h，回火后硬度60-62HRC。

2．大型冷拉深模圈的熱處理

工作經三次拉深成形，原模圈采用T10A鋼制造，淬火溫度800℃，在鹽浴爐中加熱系數為15-20s/mm，水淬油冷，回火溫度160-180℃，回火后硬度60-62HRC,平均壽命250-300件，損害部位均在刃口處。損害原因，由于T10A鋼淬透性差，淬硬層淺（只有2.5-3mm），強度低，造成冷拉深模圈壽命很低。

后改用Cr12MoV鋼制造模圈，最終熱處理工藝為了1020-1040℃加熱，油冷；180-200℃回火，硬度為60-62HRC，經此熱處理的的拉深模圈壽命為2500-3000件，提高壽命10倍左右。

3．Cr12MoV鋼冷擠壓模離子滲氨

冷擠成形模的凹模，熱處理工藝為：

（1）球化退火 860℃加熱，保溫3h；740℃等溫4h，爐冷到500℃以下出爐空冷。

（2）淬火及回火 500℃預熱，1030℃奧氏體化后淬油；180℃回火保溫2h，硬度60-62HRC。

（3）離子滲氨 LD-50型離子滲氮爐，通入氨分解氣（爐外裂化），爐壓保持在（5-8）×10²Pa，電壓500-600V，電流密度1mA/cm²。滲氮溫度510℃，模具使用壽命提高2.7倍。

4．剪切模熱處理

用于剪切直徑為φ20-φ40nn30Mn鋼棒料的剪切模，開始用CrWMn鋼制造，硬度要求50-55HRC，其熱處理工藝為：

（1）球化退火工藝加熱溫度800℃保溫3h，爐冷至700℃等溫4h，爐冷至500℃以下出爐空冷。

（2）淬火及回火淬火溫度830℃，油冷，硬度61-63HRC；回火溫度400℃，保溫2h，硬度51-53HRC。模具使用壽命只能達到8000件。后選用6CrniMnSiMoV（GD）鋼制造。其熱處理工藝為：

1）球化退火　加熱溫度780℃，保溫2h，等溫溫度680℃，爐冷到550℃以下出爐空冷，退火硬度≤240HBW。

2）淬火及回火淬火溫度900℃，油冷，淬火硬度≥63HRC；回火溫度400℃，硬度55-57HRC.

用GD鋼制作的模用使用壽命達2萬件以上。

5．Cr12鋼沖壓模的冷處理

1）淬火溫度：980℃油冷。

2）冷處理：將淬火后冷到室溫的模具立即浸入盛有酒精的保溫容器中，加入干冰（CO₂），冷處理溫可達-60℃，保溫1h后取出放于空氣中冷到室溫。

3）回火溫度400℃保溫2h，硬度58-60HRC.

6.Cr12MoV鋼硅鋼片冷沖模的等溫淬火熱處理

Cr12MoV鋼硅鋼片冷沖模開關較復雜，采用820℃預熱，1030℃加熱油淬，200℃×2h回火，模具硬度60-62HRC，使用中模具脆化、易崩刃和開裂，使用壽命平均為10萬沖次。

等溫淬火工藝：采用820℃預熱，1030℃鹽浴加熱，280℃×3h硝鹽等溫，空冷至室溫，然后在200℃×2h×2次回火，硬度60-61HRC，使用壽命為30多萬沖次，提高使用壽命3倍。

7．Cr12MoV鋼滾絲模等溫淬火

Cr12MoV鋼滾絲模加工M20螺釘，采用一般熱處理工藝的模具由于模具崩刃嚴重，使用壽命較低。

改進工藝：將模具加熱到1020℃，在280℃，在280℃×3h硝鹽等溫,400℃×2h回火，硬度56-58HRC，金相組織為：下貝氏體+少量回火馬氏體+殘留奧氏體，熱處理變形較常規熱處理小得多，使用壽命較常規淬火提高3-4倍。

8．Cr12MoV鋼模具的低溫淬火、低溫回火工藝

由于沒有高溫電加熱設備，對Cr12MoV鋼采用低溫淬火低溫回火工藝，其熱處理工藝為：

加熱溫度計950℃×1.5h，油淬或分級淬火冷卻后，模具硬度60-62HRC，經200℃回火后硬度58-60HRC。淬火后組織為板條狀馬氏體，其晶粒細小，耐磨性、沖擊韌度和抗彎強度較好。對于強韌性為主的冷作模具，采用低溫淬火工藝是較好的，而且變形較小。

如薄板下料模，采用以上低溫淬火工藝后，硬度、變形均滿足要求，并避免了模具早期崩裂失效，延長了模具的使用壽命。

9．W18Cr4V鋼模具（沖模）低淬火工藝

沖孔模采用W18Cr4V鋼制造，其熱處理工藝為：650℃預熱、850℃預熱（加熱系數按0.5min/mm計算），淬火加熱溫度1200℃（鹽浴爐加熱0.20min/mm），560℃等溫淬火后空冷，550℃×1h×3次回火，硬度58-61HRC，沖孔模可沖孔12000多件。較原工藝（高溫淬火+高溫回火）熱處理的沖孔模的使用壽命提高3倍以上。

10．T10A鋼儀表元件冷沖模熱處理

儀表元件沖模采用T10A鋼制造，其普通熱處理工藝：加熱溫度800℃，水淬油冷，回火溫度280℃，回火后硬度56-58HRC，可沖壓儀表元件5000次左右。

11．Cr12MoV鋼冷擠壓模具的不同淬火熱處理

根據模具失效形式采用不同的熱處理工藝：

1）冷擠壓模具以磨損失效為主要形式，則可采用1040-1100℃加熱淬火，520℃回火，即二次硬化熱處理工藝。

2）不銹鋼管接頭冷擠壓凸模或凹模，淬火溫度采用1020℃加熱，硝鹽冷卻，200℃回火二次，每次1.5-2h。

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