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浅谈模具材料常用的处理方法

碳钢已有一百多年的历史了。工业上较多地使用加入不同元素的碳钢,机械生产中常选用碳素工具钢来制造模具。

碳素工具钢组织中常出现网状碳化物沿晶界析出、碳化物偏析分布、出现魏氏组织和游离态石墨析出等组织缺陷。具体表现为:①网状碳化物沿晶界析出,主要是由于锻造时,终锻温度过高而冷却速度缓慢,导致二次碳化物沿奥氏体晶界析出,并逐渐生长连成网状。尤其是在高碳高铬的情况下,网状碳化物极易出现。②碳化物偏析分布,是由于冶金质量不佳,浇注工时不恰当,导致大量的粗大树枝晶组织出现,在树枝晶之间最后凝固的区域,附集着碳和铁等溶质元素,凝固后析出的大量碳化物聚集着,在锻轧过程中它逐步沿热加工方向延伸成带状,而锻造时,未能有效地予以消除,热处理时没有采取更为有效的措施,致使碳化物呈偏析分布。③出现魏氏组织,是由于终锻温度过高而冷却速度极为缓慢,导致二次碳化物沿奥氏体晶界析出的同时向奥氏体晶粒内部生长,并呈耙齿状楔入奥氏体晶粒内部。④游离态石墨析出,是由于钢中的Si、Al、Mo元素含量过高,促使C以石墨形式析出;或是热处理时加热时间过长,促使Fe3C分解时C以石墨形式析出;或是轧、锻时,变形温度低或变形量过大,导致显微裂纹滋生,诱导附近的Fe3C分解时C以石墨形式析出。

大多数用作模具的钢锭除红送锻造或轧制外,一般均进行退火处理,一来可以防止由于组织应力和热应力产生裂纹,再者,对于那些易产生白点的钢种,可以预防白点的产生,另外,还可以通过退火处理改善钢锭凝固时偏析和清除钢锭表面的缺陷。常用作模具的钢锭的退火方法有:去应力退火、完全退火和不完全退火、去氢退火、高温扩散退火等。 扩散退火处理是近些年来比较实用的改善钢锭显微偏析的方法,扩散退火的温度通常在Ac3(Acm)以上150~360℃的范围内进行,温度过高对莱氏体钢很容易过烧。一般合金钢的扩散温度在1200~1280℃,一般与钢种有关系。另外,扩散需要较长的时间。 对于大多数用作模具的钢锭,退火的目的是消除组织应力和热应力,以防止钢锭在较长时间的放置或热加工时产生裂纹,因此,只需要普通退火处理即可。很多的模具钢锭在浇注后经缓冷,不能完全消除内应力,在存放的过程中容易发生炸裂,尤其是高淬透性的钢种和莱氏体钢,例如4Cr5MoSiV1、Cr5Mo1V、Cr12Mo1V1、Cr12等,钢锭脱模后,均应及时退火,否则易发生炸裂,尤其是在寒冷地区的冬季。

经过锻造或轧制后的模具钢材, 一般也都以退火状态交货,退火的目的是为了获得良好的组织和状态,以便模具零件的加工和热处理,所以对模具钢除对退火硬度的要求外,对模具钢退火后的珠光体球化级别、碳化物网状、带状等均有较严格的要求。对钢材的退火温度、冷却速度和保温时间都应仔细研究。球化退火是模具钢材最常用的退火工艺方法,其工艺特点是通过控制加热温度、保温时间和冷却速度等工艺参数,以使碳化物球状化,得到球状珠光体组织,降低硬度、提高塑性和改善和力学性能。球化退火后的组织一般由铁素体基体和粒状碳化物组成,其性能是两种机械混合物的迭加。铁素体本身的硬度取决于合金元素的固溶强化、晶界强化和位错强化。而碳化物数量的增加,碳化物弥散分布都相应提高钢的退火硬度。在冶金厂一般采用等温退火或连续退火,从本质上讲,没有区别。但在等温时,一定要注意等温温度。连续退火时一般冷却速度不要超过30℃/h。

模具钢经调质处理的回火后常见的缺陷主要有硬度不合格、畸变、回火脆性、网状裂纹。硬度不合格主要表现在回火后硬度偏高或偏低或是硬度不均匀。硬度偏高或偏低反映了模具淬火硬度不一致,有高有低,这需要从模具原材料、淬火加热温度、冷却介质和人工操作查找原因。硬度不均匀说明炉温不均匀,需从炉温着手改善。畸变是由于应力在回火过程中重新分布引起的,鉴于此,对扁平、细长模具要采用加压回火或趁热校直等方法弥补。 回火脆性是模具钢在某一温度区间回火后,冲击韧度显著下降的现象。对于碳素钢在200~400℃内回火,室温冲击韧度出现低谷,而对于合金钢则在250 ~450℃之间出现低谷。在这一温度区间出现的回火脆性,常称为第一回火脆性或低温回火脆性。一般出现后很难消除,防止的办法就是避开在这一温度区间内回火。除此之外,某些合金模具钢在350~525℃内回火或在稍高温度下回火后缓慢冷却,也会出现室温冲击韧度显著下降,在这一温度区间出现的回火脆性,常称为第二回火脆性或高温回火脆性。第二回火脆性出现后,可通过在此温度重新加热,快速冷却来消除。网状裂纹是由于高速钢、高碳钢表面脱碳,在回火时内层比容变化大于表层,在表层形成多向拉应力而产生的。另外回火时表层加热速度过快,产生表层快速优先回火而形成表层多向拉应力,也会产生网状裂纹。

模具钢氮化的主要目的是为了提高工件的表面抗疲劳强度和改善耐腐蚀性能。用碳素工具钢作模具氮化前需经调质处理,因为不经淬火,模具心部的强度、硬度较低,不能满足使用要求,同时使渗层与心部之间产生较大的硬度差,渗层缺少必要硬度支撑,易造成渗层剥离。所以,氮化之前,要对模具进行调质处理,以获得综合的力学性能。 另外,氮化温度一般在500~600℃范围内,恰好为高温回火温度范围,这就要求模具在氮化前经淬火后,再经高温回火处理,以便组织与性能处理稳定状态。尤其是得到回火索氏体组织,使心部具有较高的强度的同时,又获得良好的韧性。再者,氮化前调质处理,可获得回火索氏体组织,即铁素体与渗碳体两相组织,铁素体组织的出现有利于渗氮的进行,加快渗氮步伐,在模具表面很快形成α相,紧接着在α相基础上形成γ′相,再接着是在γ′的基础上形成ε相,最终在模具表面形成了由ε、γ′、α相组成的渗层组织,这为渗氮层提供了性能保证。氮化后模具表面形成了高硬度的氮化物,使模具表面具有很高的强度、硬度与耐磨性,无需再经淬火处理。