低碳馬氏體在模具中的應用

低碳馬氏體在模具中的應用

　　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構，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，鋼中不可避免的會存在網狀、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構是位錯，具有較高的強度(硬度為 45HRC～50HRC，屈服強度為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點。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，是提高模具強韌性、延長模具使用壽命的關鍵。目前發展方向是低碳結構鋼的淬火組織希望得到全部板條馬氏體，以保證高的強韌性；對高碳鋼傾向于降低碳含量或盡量降低淬火溫度來減少孿晶馬氏體數量，以保證材料的韌性；對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，來提高斷裂韌性。

　　低碳馬氏體在塑料模具中的應用

　　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行滲碳、淬火和低溫回火，使模具表面得到高碳細針狀回火馬氏體+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韌性(30HRC～45HRC)，用于制造各種要求耐磨性良好、形狀復雜、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

　　國外廣泛應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，經軟化退火后，硬度較低(≤160HBS，擠壓復雜型腔時≤130HBS)，特別適合于冷塑性變形。這類鋼在冷擠壓成型后進行滲碳、淬火、回火。因此具有生產效率高、制造周期短、模具精度高等優點。典型的鋼種有美國P系列低碳模具鋼、德國X6CrMo4鋼(≤0.07%C，質量分數，下同)和國產LJ-08Cr3NiMoV鋼(≤0.08%C)。

　　3 低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)強韌性型塑料模具鋼

　　低碳馬氏體鋼包括低碳碳素鋼和低碳合金鋼經低碳馬氏體強烈淬火處理后，得到強韌性較高的低碳馬氏體組織，代替中碳鋼調質處理或低碳鋼滲碳、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用。

　　4 低碳馬氏體時效硬化型塑料模具鋼

　　(1)低碳馬氏體時效硬化鋼

　　該鋼具有較高的屈強比，良好的切削加工和焊接性能和熱處理工藝簡單等優點。典型鋼種是超低碳18Ni鋼系列(≤0.03%C)，由于18Ni鋼價格昂貴，在國內很少使用。近年來開發的06Ni6CrMoVTiAl(簡稱06鋼，≤0.06%C)，屬低鎳、低碳馬氏體時效硬化鋼。該鋼經 800℃～880℃加熱，水或油冷卻固溶處理，(500～540)℃×(4～8)h時效處理后的組織為低碳馬氏體+析出強化相Ni3Al、Ni3Ti、 TiC和TiＮ，硬度為42HRC～45HRC，屈服強度1100MPa～1400MPa。06鋼通常用來制作的收錄機磁帶盒模具，其平均壽命>110萬件，是一種有發展前途的鋼種。

　　(2)國產低碳馬氏體析出(沉淀)硬化鋼

　　典型鋼種為25CrNi3MoAl和10Ni3MnCuAl(簡稱PMS)，適用于制作對變形率要求<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830℃固溶處理后，硬度可達50HRC，540℃×4h時效處理后，硬度為 39HRC～42HRC；PMS鋼經870℃×1h固溶處理，510℃×4h時效處理后金相組織為低碳馬氏體基體上彌散分布大量細小金屬間化合物，其硬度為40HRC～43HRC，抗拉強度為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

　　典型鋼種為國產07Cr16Ni4Cu3Nb鋼(≤0.07%C，簡稱CR)，該鋼經1050℃淬火后獲得單一的低碳馬氏體組織，硬度為 32HRC～35HRC，可以直接進行切削加工；經460℃～480℃時效處理后，硬度為42HRC～44HRC，良好的力學性能和抗蝕性。例如聚三氟氯乙烯閥門蓋模具，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10000～20000件。

　　低碳馬氏體在冷作模具中的應用

　　1 低碳鋼冷作模具的低碳馬氏體強烈淬火

　　一些國家已在冷作模具鋼標準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)；德國工具鋼種：21MnCr5鋼(0.16%～0.24%C)、X6CrMo4鋼(≤0.07%C)、15NiCr18鋼(0.10%～0.17%C)。

　　國內也有不少應用低碳馬氏體鋼強烈淬火工藝制造冷作模具的實例。

　　(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 3～4萬次，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、粘模現象發生，鍛坯很難從模具中沖出，致使沖頭產生塑性變形、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重，很難避免網狀、帶狀碳化物，因此造成崩刃、開裂而早期失效，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，仍在繼續使用。

　　(4)20Cr鋼冷作模具 該鋼經滲碳淬火表面強化處理后，可使模具表面獲得細針狀回火馬氏體，硬度為58HRC～62HRC；心部獲得低碳馬氏體組織，硬度35HRC～40HRC，基體強韌性高，可滿足冷作模具高硬度、高強度、高韌性的使用性能要求。例如，汽車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3萬件。

　　2 中碳合金鋼冷作模具的低碳馬氏體高溫淬火

　　對于中碳合金鋼冷作模具，可以通過提高奧氏體化溫度，使奧氏體晶粒更加均勻細化，碳含量趨于減少，Ms點升高，從而獲得更多的低碳馬氏體組織，提高模具的強韌性，有利于延長冷作模具的使用壽命。

　　(1)5CrMnMo鋼冷鐓機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型多工位冷鐓機螺母冷鐓模，經900℃～930℃加熱，180℃分級淬火，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、沖擊韌度和優良的耐磨性。60Si2MnA鋼制冷鐓螺帽4序沖模，經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950℃淬火和250℃回火后，得到板條馬氏體加少量均勻細化的碳化物和分布在板條馬氏體邊界的細小殘留奧氏體的組織，可顯著提高冷剪切模剪刃的強度和韌性，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，低碳馬氏體數量愈多。因此模具具有較高的耐磨性和強韌性，變形和開裂的幾率很小。

　　(1)T10A鋼冷鐓模低溫短時加熱淬火 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，常產生崩刃。現采用750℃×14min鹽浴加熱淬火，200℃回火處理后，可以得到細小的片狀馬氏體和 50%(體積分數)以上的低碳馬氏體，減少了顯微裂紋，在保證高硬度的同時，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鋼制造生產手表用的小型凸模，經常規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頭部斷裂。CrWMn鋼制小型凸模的低碳馬氏體強韌化處理工藝為：700℃×10min預熱，.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1～2萬次，總壽命可達10～20萬次。且在使用中不易發生崩刃及斷裂現象，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2萬次。

　　低碳馬氏體在熱作模具中的應用

　　熱作模具鋼經高溫加熱可使鋼中的合金碳化物大量溶入奧氏體中，提高了基體的熱強性和熱穩定性，同時，相應地提高回火溫度，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，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展的趨勢。熱作模具鋼的另外一個發展趨勢是降碳、低碳化。目前有的國家已在熱作模具鋼標準中列入了低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)。例如，美國H25鋼 (≤0.25%C)、德國21CrMo10鋼(0.16%～0.23%C)、法國20MoNi34.13鋼(0.18%～0.23%C)等。對于形狀簡單，生產批量小和交貨期短的產品零件，可以選用低碳合金結構鋼，特別是高溫強度好、抗蠕變性能好的20CrMo，20CrMnMo等含Mo的低碳低合金耐熱結構鋼制造熱作模具，直接進行低碳馬氏體強烈淬火。

　　(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，有較高的回火穩定性、高溫強度、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，鍛模便發生塑性變形，需修模后方可繼續使用。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件仍可繼續使用。國內其他工廠的試驗表明，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數，使碳化物顆粒間距增大。當第二相顆粒平均間距增大時，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展抗力和熱疲勞開裂的抗力，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烈淬火 拉索冷鑄錨杯索節扣體是斜拉橋關鍵受力固定端件，技術要求必須是模鍛件。由于合同訂貨數量僅88件，因此采用強韌性高、耐沖擊、有一定熱強性的20Cr鋼制造索節扣體熱鍛模。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，提高模具淬透性，而且可以提高模具屈服強度和沖擊韌度，保證模具使用壽命。經上述工藝處理后的索節扣體熱鍛模，平均硬度40HRC，金相組織為較細板條馬氏體，圓滿地完成了合同任務。

　　(5)Q345B鋼鉚焊熱鍛模的低碳馬氏體強烈淬火 XKJ44.5mm～48mm大型體育場館斜拉鋼絲纜索澆鑄接頭體是模鍛件(質量98.5KG)，由于批量僅40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—機加工—淬火—鉗修。經箱式爐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，仍能繼續使用。

　　結語

　　(1)低碳馬氏體具有相當高的強韌性，是模具鋼理想的淬火組織。

　　(2)低碳馬氏體鋼(≤0.25%C)進行強烈淬火和表面強化處理，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展趨勢。

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