模具材料与热处理工艺的探究

模具材料与热处理工艺的探究

王承勇

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摘要：模具是一种重要的加工工艺装备，是国民经济各工业部门发展的重要基础之一。随着工业生产的发展，对工业产品的品种、形状、数量、质量等要求越来越高，对模具的需要量相应增加，对模具质量的要求也越来越高；模具性能好坏，寿命高低，直接影响产品的质量和经济效益。

关键词：模具材料；热处理工艺

引言

随着经济的发展、社会的进步，在现代工业中装备制造业的作用越来越重要，作为装备制造业的基础，模具制造业对我国装备制造业的发展水平具有很大影响。装备制造业具有其独特性，因此其更加注重依靠于高精度技术。目前，热处理工艺和模具材料等在技术上支持模具制造业。本文就模具材料及热处理工艺展开讨论。

一、模具材料简介

1.1冷作模具材料

在模具材料中，冷作模具的种类较多，形状结构差异较大，模具材料的工作条件和性能不同，因此，在选择冷作模具时，要进行综合考虑才能发挥材料的功能。目前，我国常用的冷作模具材料主要分为四大类：高速钢、硬质合金、碳素工具钢和合金工具钢。

1.2热作模具材料

在模具材料中，热作模具的选用较苛刻，热作模具通常在600℃左右的高温下进行工作，因此对模具材料的选择有更高要求，模具材料的强度，硬度，耐磨性和抗冷热疲劳度都要很好。此外，模具材料还要具备抗氧化性和抗腐蚀性。为了更好适应先进的加工技术，很多新设备对于模具材料的韧性也做出较高要求，随着一些新型热加工技术的出现和发展，新型模具材料也应运而生。例如，铁基高温合金、镍基高温合金和难熔合金用来做高温的热作模具材料。

1.3玻璃模具材料

玻璃模具材料是一种新型的模具，随着科学的不断发展，很多大型公司都在研制性能更好的玻璃模具材料来代替其他模具。

1.4塑料模具材料

随着石油化工行业的不断发展，塑料模具已成为非常重要的工业原料。与传统的冷作和热作模具相比，塑料模具的性能更为特殊。塑料模具具有较高的硬度，一般的耐磨性和足够的深化深度。塑料模具还有较低的耐热性，在200℃-250℃的温度下工作，塑料模具不变形，不养化，稳定性很好，塑料模具的耐腐蚀性比热作和冷作模具要好很多。

二、常用的模具材料

2.1碳素工具钢

在我国已大量使用、生产碳素工具钢，碳素工具钢具有价格便宜、切削加工性好，退火易软化、锻造性好的优点，其缺点在于需要用水作冷却介质，具有较低的淬透性，因此碳素工具钢容易断裂或变形。结合碳素工具钢的优点和缺点，在进行模具制作时，可将其做为变形要求不高、形状简单、受力小、制作尺寸小的模具，促进资源利用率的提升。

2.2高速钢

由于具有较高的韧性和热塑性，钼系高速钢能应用的更广泛，对精度及大批量生产冷作模具非常重要。

2.3超硬高速钢

为了对难切削材料的需要相适应，超硬高速钢逐渐发展起来，其目的在于使热硬度和硬度得到进一步提高。在其发展过程中，逐渐出现一些难题，超硬高速钢具有较差的抗弯曲能力和韧性，难以进行加工。超硬高速钢高含量的碳使其具有较大硬度，但其高含量的碳也使其容易出现韧性差的特点，出现过烧现象。

2.4高碳高铬模具钢

高碳高铬模具钢的优点在于其耐磨性、淬硬性和淬透性良好，不容易变形，属于微变形高耐磨模具钢，与高速钢相比较承载能力较差。其缺点在于其严重的碳化物偏析，需要不断进行改锻镦拔，对其不均匀性进行改变，使其使用性能得到提高。

2.5基体钢

基体钢就是在在高速钢的基本成分上进行少量其他成分的添加，对含碳量进行适当增减，对钢的性能进行改善，这种钢就是基体钢。基体钢是冷作模具钢，具有较强的韧性。与高速钢相比，基体钢的生产成本较低，具有很高的应用价值。

2.6钢结硬度合金和硬质合金

与其他模具钢相比，硬质合金具有较高的耐磨性和硬度，因此其具有较差的韧性和抗弯强度。钢结硬质合金是将碳化钨或碳化钛为硬质相，少量合金元素粉末加入铁粉中去作为粘合剂，按照冶金方法烧结粉末而出。钢是钢结硬质合金的基体，可对其进行热处理、锻造、焊接和切削。

三、热处理工艺

3.1模具的降温淬火和高温淬火

热作模具钢中部分使用温度高于常规淬火的温度进行淬火加热，对钢中碳化物的形态进行改善，使其数量减少，在进行淬火后，能使其使用寿命延长。

3.2生冷处理

在深冷处理模具钢后，可使其力学性能得到提高，促进其使用寿命的提高。可在回火和淬火工序间对模具钢进深冷处理，深冷处理可促进钢的抗回火稳定性和耐磨性的提高。深冷处理不仅能使模具冷却，还能在硬质合金和热作模具中进行使用。

3.3真空热处理

在真空热处理后，模具钢变形小，具有较好的表面状态。其原因在于真空加热时，模具钢表面会出现活性状态，不会产生氧化膜阻止其冷却，也不会脱碳。在进行真空加热后，脱气效果会出现在钢的表面，因此其力学性能较高，具有较高的抗弯强度和炉内真空度。在进行真空淬火后，会在一定程度上提高钢的断裂韧性。

3.4渗金属和渗硼

在渗硼中固体渗硼的应用最为广泛，在固体渗硼后，其表层会具有较大的抗氧化性、耐腐蚀性、硬度和耐磨性。冷作模具是渗硼工艺最常用的对象，能提高其耐磨性，促进模具寿命的提高。可不再使用高合金钢制作模具，而选择应用中碳钢渗硼。热挤压模等热作模具也可以使用渗硼来进行处理。

3.5高能束热处理

电子束、激光是高能束热处理的热源。可控性能好、处理环境清洁、不需要冷却介质、工件变形小、可根据需要选择加热面积、加热速度快就是其共同特点，自动化处理能更加容易实现，使模具寿命提高，促进其应用更加广泛。

3.6化学热处理

化学惹出灵促进模具表面抗氧化性、耐蚀性和耐磨性进行提升。在化学热处理中大多数所采用的都在模具钢表面进行处理。使用高温回火的合金钢模具，可在回火时对其表面进行氮碳或液氮的共渗。在液氮工艺中，目前使用最多的就是高频渗氮和离子渗氮等工艺。离子液氮能促使液氮时间缩短，获取高质量渗层。离子液氮还能使抗热疲劳性、耐磨性、抗蚀性进行提高。热挤压模、压铸模在氧碳共渗后能促进其抗疲劳性能的提高。对冷冲模、冷挤压模、冷镦模来说，氧碳共渗的应用效果较好。

结束语：模具材料是模具制造业的物质基础和技术基础，其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命起着决定性作用。模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。它对模具的寿命有着直接影响。当热处理工艺不当时，热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等会导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，影响模具的工作寿命。因此，对不同的冷冲模具应选择不同的模具材料及相应的热处理工艺。

参考文献

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[2]楼程华，孔凡志，姚建华等.半导体激光熔覆高硬度铁基合金的耐磨性能研宄[J].应用激光，2010，30（6）：470-474.