模具的热处理

一、模具材料的分类及要求

在现代工业生产中，模具是实现少加、无加工先进技术中的重要工艺装备，模具产品的质量不仅关系到生产制品的质量和性能，而且直接影响生产效率和成本。

从模具使用情况的统计分析表明，模具的质量在很大程度上取决于模具材料和热加工工艺。根据模具的实验条件，正确选择模具材料和制订合理的工艺非常重要。

1模具材料的分类

通常可以按照模具的用途分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢及其他模具材料，如硬质合金、钢结硬质合金、铸铁等。本文所指模具材料均指模具工作部分用材。

1.1冷作模具钢

冷作模具钢是用于制造冲裁模、挤压模、拉深模、冷镦模、弯曲模、成型模、滚丝模、和拉丝模等模具。按工艺性能和成承载能力可将冷作模具钢分为如表1所示的几类。

▼表1冷作模具钢分类表

1.2热作模具钢

根据合金元素的含量和热处理工艺分类方法，可将热作模具钢分为如表2所示的种类。

▼表2热作模具钢分类表

1.3塑料模具钢

塑料模具钢与热作、冷作模具钢性能要求有很大区别，目前已形成的塑料模具钢系列。详见表3。

▼表3塑料模具钢种类

1.4其它模具材料

其它模具材料主要有硬质合金、钢结硬质合金、铸铁、非铁金属及非金属材料等。

为了适应高耐磨、高抗压、高精度、高寿命的需要，如冷冲裁、冷镦锻、冷挤压等，特别是多工位级进冲模的凸凹模部分，常选用硬质合金或钢结硬质合金材料制作模具。常用的硬质合金和钢结硬质合金成分和性能见表4，表5。

▼表4硬质合金成分和化学性能

▼表5钢结硬质合金的化学成分和性能

2模具材料的使用性能要求和工艺性能要求

根据模具的不同用途，需要考虑模具材料在使用性能和工艺性能。主要有以下几个方面。

2.1使用性能要求

2.1.1硬度和热硬性

模具在压应力的作用下应能保证其形状和尺寸不会迅速发生变化。硬度是模具的重要性能指标，因此，经过热处理后的模具应具有高硬度。如冷作模具的硬度一般在HRC55-65范围，热作模具一般在HRC36-55范围。

热硬性是指模具在受热或高温条件下保持组织和性能稳定，具有抗软化的能力。钢的热硬性主要取决于化学成分和热处理制度，也是热作模具钢的主要性能指标之一。

2.1.2耐磨性

模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，要求模具在使用过程中保持其形状和尺寸不变，持久耐用。所以模具材料应具有良好的耐磨性。模具的耐磨性不仅取决于钢的的成分、组织和性能，而且与温度、载荷状态、润滑条件等有很大关系。

一般来讲，提高模具的硬度有利于提高其耐磨性。

2.1.3强度和韧性

模具在使用过程中承受很大载荷。包括冲击、振动、扭转和弯曲等复杂应力。重载荷的模具往往由于强度不够、韧性不足，造成模具边缘或局部断裂而提前破坏；钢的晶粒度和钢中碳化物的数量、大小及分布情况以及残留奥氏体量等，对钢的强度和韧性都有很大影响。高硬度的材料韧性差、表面缺口敏感性大、承载能力差，是模具早期失效的主要原因之一。实践表明，根据使用条件和性能要求，合理地选择模具钢的化学成分、组织状态及热处理工艺，能够得到足够高的强度和韧性的最佳配合。此外，根据各种模具的工作条件，还应分别考虑高温强度、热疲劳、导热性及耐腐蚀等性能。

2.2工艺性能要求

由于模具是在高硬度高强度、高耐磨性及足够韧性的状态下使用，所以要求模具钢的冶金质量比普通钢材要高，应尽量减少钢中气体含量、非金属夹杂物和有害元素(硫、磷等)含量；同时，为了保证钢材具有良好的性能，还要经过正确的热加工(锻、轧)，以改变断面形状，改变铸态组织，然后经切削加工而制成一定形状的模具再进行最终热处理(正火、淬火及回火)，这样才能得到模具所要求的使用性能。因此，模具钢的艺性能对模具制造同样十分重要。

2.2.1加工性。

加工性是指锻、轧等热加工性能以及切削、研磨等形式的冷加工性能，它们与钢的化学成分、冶金质量、组织状态及硫、磷含量等因素有关。模具钢大部分都含有多种合金元素，尤其是高碳、高合金钢，在进行热加工时要严格控制加热温度及冷却方式，以避免或减少热加工废品；而在冷加工之前，应改善组织状态，以减少在冷加工过程中刀具的磨损，并提高模具的表面质量。

2.2.2热处理变形和淬火温度。

制成的模具进行最终热处理时要求模具的尺寸与形状变化越小越好，因此，在热处理时对模具所产生的变形程度要求很严同时，要求淬火温度范围足够宽，以减少出现过热现象。

2.2.3淬硬性和淬透性。

模具钢对这两种性能的要求，根据不同使用条件各有侧重。例如，对于要求表面具有高硬度的冲裁模和拉深模用钢，淬硬性显得尤为重要；对于要求整个截面具有均匀一致性的热作模具，则淬透性显得尤为重要。

2.2.4脱碳敏感性

模具表面发生脱碳，会使模具表面的淬透性降低。因此，要求模具钢的脱碳敏感性越低越好。在相同加热条件下，钢的脱碳敏感性主要决定于钢的化学成分，特别是含碳量。

2.2.5表面抛光性

塑料模具型腔表面一般要求很光洁，因此要求材料的可抛光性要好，能够采用机械、电、化学方法等得到很高质量的抛光面，一般来说有硬质点的混合相或者相组成比较复杂的钢不利于抛光，所以塑料模具一般选用有单一相组成的材料。

二、冷作模具的热处理

1冷作模具的工作条件和要求

冷作模具主要用于完成金属或非金属材料的冷态成型。包括冲裁模、弯曲模、拉深模、挤压模和镦锻模等。

1.1冲裁模

冲裁模工作部位的刃口。要求工作中刃口不易崩刃，不易变形、不易磨损和不易折断。

1.2弯曲模和拉深模

这两种模具用于板材成型，工作应力一般不大。拉深模要求工作面保持光洁，不易发生粘着和擦伤；弯曲模除以上要求外，还要有一定的抗断裂能力。

1.3挤压模和镦锻模

这两类模具主要用于材料三维体成型，工作应力大，其中挤压模工作应力更大。材料在型腔中剧烈变形同时产生热量，模具在反复的应力和温度约℃的环境中工作。要求模具工作时不易变形、不易开裂、不易磨损。

几种典型冷作模具工作应力和模具硬度比较如图1所示。

▲图1典型冷作模具工作应力和使用硬度比较

2冷作模具的失效形式

冷作模具主要失效形式有过载失效、磨损失效、咬合失效和疲劳失效等四种形式。

2.1过载失效

模具材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷作用引起的失效。当材料韧性不足时易产生脆断和开裂，当强度不足时易产生变形和镦粗失效。冷挤压和冷镦模具易产生此类失效。

2.2磨损失效

模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗，使工作部位(刃口、冲头)形状和尺寸发生变化而引起失效。对工作表面尺寸和质量要求高的冲裁模、挤压模易产生此类失效。

2.3咬合失效

模具工作部位与被加材料在高压应力摩擦下，润滑膜破裂发生咬合——被加工材料“冷焊”到模具表面，引起被加工产品表面质量出现划痕等失效。在拉深、弯曲模及冷挤压模中易发生此类失效。

2.4多冲疲劳失效

冷作模具承受的载荷都是以一定冲击速度和能量反复作用，其工作状态与小能量多冲疲劳试验相似。由于模具材料硬度高，多冲疲劳寿命多在~次左右，而且裂纹萌生期占绝大部分，疲劳源和裂纹扩展区不明显。多冲疲劳失效常见于重载模具，如冷挤压、冷镦冲头模具。

3冷作模具钢的选用

为了满足冷作模具高应力、高耐磨和长寿命需要，通常多选用高碳钢或高碳合金钢。选材时应依据模具结构、服役条件、被加工材料性质、设备及润滑条件、加工产品批量等综合考虑。

3.1选材原则

冷作模具选材要考虑满足使用性能，发挥材料潜力，经济合理。

首先要满足使用性能：根据模具使用要求，提出模具材料的性能指标(硬度、强度、韧性、耐磨性、变形性、加工性能等)。

发挥材料潜力：由于模具材料不同加工工艺和改性技术可以得到不同性能的组合，优选性能组合仍然是节能、节材提高模具性能的主要途径。

经济合理：由于模具产品特殊要求，模具材料和加工技术的成本较高，应根据模具要求，综合考虑优选经济合理的材料和工艺

3.2常用冷作模具钢的选用

常用冷冲模具和冷锻模具材料选用及工艺与使用性能参见表6~表9。

▼表6常用冷冲模具钢材料选用表

▼表7常用冷锻模具钢材料选用表

▼表8部分冷作模具钢热处理工艺及力学性能

▼表9常用冷冲模具钢使用性能和工艺性能比较

4冷作模具的热处理工艺

冷作模具热处理主要包括预备热处理和最终热处理两类。此外还有模具加工中的热处理和使用中的恢复热处理等。

4.1预备热处理

模具预备热处理主要包括退火、正火和调质处理。主要目的是消除毛坯残留组织缺陷，有利于后续冷、热加工处理，提高模具使用寿命。

4.1.1正火

正火的目的是消除碳素工具钢、合金工具钢中的残留碳化物，细化不均匀的片状珠光体。

几种冷作模具钢的正火规范详见表10。

▼表10几种冷作模具钢的正火规范

4.1.2去应力退火

去应力退火的目的是消除模具淬火或精加工前发残留应力，或避免高速钢返修淬火时的萘状断口。其工艺规范见表11。

▼表11碳素及高速钢去应力退火工艺规范

4.1.3球化退火

球化退火目的是获得满意的机械加工性能，并做好淬火前的组织准备。球化退火组织对最终热处理后的强韧性、断裂韧度有显著影响。

球化温度选在Ac1以上20~50℃为宜。保证能加速球化过程和形成均匀的球化体。要避免在退火中温度过低出现残留的厚片状碳化物，温度过高出现新的片状及棱角状碳化物。球化退火的等温温度和保温时间要选择在不出现片状，或片状+球状混合组织，并有合适的球化速度范围为宜。

冷作模具钢的球化退火加热温度及成批毛坯等温球化退火规范见表12。

▼表12冷作模具钢成批等温球化退火工艺规范

4.1.4调质

调质处理的目的是获得自珠光体组织和超细碳化物，消除碳化物的网、带等不利分布，消除加工后ID残留应力、改善组织、便与机械加工，防止淬火开裂和减小淬火畸变。

冷作模具钢的调质工艺，可以采用在常规加热温度淬火后进行~℃的高温回火工艺。调质后的硬度瘀斑≤HB。

4.2冷作模具的最终热处理

4.2.1淬火工艺

冷作模具钢通常的淬火工艺见表13，其加热系数列于表14中。

▼表13冷作模具钢常用的淬火工艺规范

▼表14冷作模具钢的常用加热系数

4.2.2回火工艺

冷作模具淬火后应立即回火。常用冷作模具钢回火温度和硬度如表15所示。回火时间根据钢的种类和尺寸大小而定，一般碳素工具钢与低合金工具钢为90~min，高合金钢为~min甚至更长时间。

▼表15冷作模具钢的回火温度与硬度

冷作模具钢应避免在表16所示的回火脆性范围内回火。图2是几种冷作模具钢的回火温度所对应的强度曲线。

▼表16冷作模具钢的回火脆性温度范围

▲图2回火温度对几种冷作模具钢抗拉强度的影响

1-W6Mo5Cr4V22-Cr12MoV3-CrWMn

对于高精度、高合金钢模具，为了提高使用寿命，淬火后可用-40℃~-80℃或-℃的深冷处理。冷处理时间为30~min，为减小深冷内应力，可进行分级冷却。冷处理后要立即进行回火。

4.3冷作模具热处理工艺举例

冷作模具的热处理工艺列于表17中。精密模具以及要求较高的模具，应在保护气氛或真空炉中进行。

▼表17冷作模具热处理工艺示例

三、热作模具的热处理

1热作模具的工作条件和要求

热作模具主要用于加热的金属或液态金属制品的成型，这类模具可分为机锻模、锤锻模、挤压模和压铸模等。

1.1压力机锻模是用于各种压力机进行毛坯成型的模具，其模具承受的载荷接近静态。

1.2锤锻模是用各种吨位的锻锤产生的巨大冲击功进行毛坯成型使用的模具。毛坯在短时间内快速成型。模具承受很大的冲击载荷和热磨损。

1.3热挤压模是将加热到一定温度的金属毛坯挤压成型所使用的模具。模具承受巨大压力、弯矩、拉力以及与金属的摩擦。

1.4压铸模是液态金属成型的模具。要求有一定的强韧性耐热疲劳和抗蚀性能。

2热作模具的主要失效形式

热作模具失效形式有变形失效、热疲劳失效、热磨损失效和断裂失效四种。

2.1变形失效

变形失效是指在高温下毛坯与模具长期接触使用后模具出现软化而发生塑性变形。对于钢铁材料成型，当模具表面软化后硬度低于HRC30时容易发生塌陷变形。工作载荷大、工作温度高的挤压模和锻模凸起部位容易产生这类失效。

2.2热疲劳失效

热疲劳是指在环境温度发生周期变化条件下工作的模具表面出现网状裂纹。热作模具工作温差大，急冷急热反复迅速加热冷却模具的压铸模、锻模容易出现热疲劳裂纹。一般较浅，在机械应力作用下向内扩展，最终产生断裂失效。

2.3断裂失效

断裂是指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现失稳状态下的材料开裂。它包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂和腐蚀断裂。热作模具断裂，特别是早期断裂，与工作载荷过大、材料热处理和选材不当以及应力集中等有关。挤压冲头及模具凸起部位、根部等易出现断裂失效。

2.4热磨损失效

这是指模具工作部位与被加工材料之间相对运动产生的损耗，包括尺寸超差和表面损伤两种形式。模具工作温度、材料硬度、合金元素及润滑条件等都影响模具磨损。相对运动剧烈和凸起部位，易产生热磨损失效。

3热作模具材料的选用

影响热作模具寿命的因素很多，例如受力情况、工作温度、冷却方式、被加工材料的性质、变形量、变形速度以及润滑条件等。因此在选择材料时，应根据模具类型及具体工作条件合理地选用。各种常用模具材料的选用可参照表18。常用模具钢的使用性能和工艺性能比较，参见表19。

▼表18常用热作模具材料的选用

▼表19常用热作模具钢使用性能和工艺性能比较表

4热作模具的热处理

热作模具的工作条件恶劣，特别是工作温度高，性能要求苛刻。为了适应不同状态下使用，热作模具的热处理工艺要求都比较高。下面主要对锤锻模、热挤压模、金属压铸模等模具用钢的热处理工艺分别进行论述。

4.1锤锻模的热处理工艺

4.1.1锤锻模用钢

用于锤锻模的钢主要有5CrNiMo、5CrNiW、5CrNiTi、5CrMnMo、5Cr2MnMo、5Cr2NiMoV等。这类锤锻模用钢的淬透深度以及℃~℃时候的硬度见表20。硬度与冲击韧度的关系见图3。

▼表20锤锻模用钢的淬透深度和~℃时的硬度

▲图3锤锻模用钢的硬度与冲击韧度的关系

1-5CrNiW2-5CrNiTi

3-5CrNiMo4-5CrMnMo

4.1.2锤锻模的热处理工艺

1）退火

锤锻模需在锻后进行完全退火或等温退火。退火加热温度如表21所示，不同层次的模块退火工艺规范详见表22。

▼表21锤锻模用钢的退火工艺

▼表22锤锻模用钢不同尺寸模块的退火工艺规范

对于已形成白点的模块，需进行预防白点退火，见图3。

▲图45CrMnSiMoV钢模块平台退火与防白点退火工艺曲线

2）淬火

模具在淬火前应检查和清除刀痕等加工缺陷。为了避免氧化、脱碳、应采用保护气氛或真空炉加热。锤锻模具钢的淬火工艺详见表23。

▼表23锤锻模具钢淬火工艺

锤锻模具在常规温度淬火加热时，需要进行一次或二次预热。锤锻模的常规淬火温度是选在奥氏体不会长大的温度范围内，以保证有较高的的冲击韧度。对热锻模具钢组织与断裂韧度之间关系的深入研究表明，采用较高温度淬火，有助于提高锻模的断裂抗力，减少锻模的开裂。

锤锻模在常规温度淬火后，一般在钢中残留约10%（体积分数）的残留奥氏体。在箱式电阻炉中加热时，加热系数按照2~3min/mm选用。在盐浴炉中加热时，加热系数按照1min/mm选用。尺寸较大的锤锻模再淬火时要先预冷到℃~℃后再淬火。小模块预冷时间为3~5min，大模块为5~58min。淬火油的允许温度范围为50~90℃。

一般锤锻模在冷至~℃时，就应从从油槽中取出立即入回火炉回火。

3）回火

模具的回火温度要根据模具的工作条件和不发生脆断来确定。锤锻模的燕尾因应力集中较大，要求有较高韧性，其硬度要低于型腔硬度。

锤锻模具钢回火温度与硬度的关系如表24所示。

▼表24锤锻模具钢的回火温度与硬度的关系

锻模回火后的冷却应注意防止第二类回火脆性，同时应进行二次回火，第二次回火应低于第一次回火约10℃，保温时间可缩短20%~25%。

锤锻模燕尾回火可在专用的燕尾回火炉中进行。，也可采用降低燕尾冷却速度及燕尾预冷的淬火方法，有时可用燕尾自回火法。

4.1.3堆焊锻模的热处理工艺

堆焊锻模可以用45Mn2铸钢作为基体，用5Cr2MnMo刚作堆焊层。5Cr2MnMo钢经过℃淬火，℃回火后，硬度为HB-，ak≥30J/cm2，σb为MPa，其性能与5CrNiMo钢相近，但高温性能要高一些。堆焊模具是寿命与5CrNiMo相当。

堆焊模具的退火工艺如图5所示。淬火回火工艺如表25所示。

▲图5堆焊锻模的退火工艺曲线

▼表Cr2MnMo钢堆焊锻模的淬火、回火工艺

4.2热挤压模的热处理工艺

4.2.1热挤压模具用钢

热挤压模具要求有高的断裂抗力、抗压、抗拉及屈服强度，冲击韧度、断裂韧度、耐回火性及高温强度、室温及高温硬度。此外，还要求具有导热性好、热胀系数小、相变温度高和抗氧化能力强。热挤压模具的主要用钢见表26。

▼表26热挤压模主要用钢

4.2.1退火

热挤压模具在锻后需经良好的球化退火，以改善组织，消除应力，降低硬度，为最终热处理作好组织准备。

热挤压模具钢的退火工艺如表27所示。

▼表27热挤压模的退火工艺

为确保模具具有良好的耐磨性、韧性和晓得热处理畸变倾向，退火后要十分注意碳化物的形状、大小及分布状态。

3Cr2W8V、3Cr3Mo3VNb、5Cr4W5MoV等热模具钢换壳用如图6所示的快速球化退火工艺。

▲图6几种热模具钢快速球化工艺曲线

该工艺由一次加热油淬和二次加热保温后炉冷两道步骤组成。炉冷速度可在较大的范围内变化，而对组织和退火硬度影响不大。图7为二次加热温度与与硬度的关系。表28，为三种挤压模具快速球化退火后的硬度。

▲图73Cr3MoVNb快速球化退火二次加热温度与印度的关系

▼表28三种热挤压模快速退火后的硬度

4.2.2调质

为获得均匀的圆、细碳化物分布，挤压模具可采用调质作为预备热处理。

3Cr3Mo3W2V锻后经1℃油淬，℃高温回火，可显著提高断裂韧度。

4.2.3正火

中碳高合金、大截面（＞Φ）挤压模具钢易出现沿晶链状碳化物，在球化退火时难以消除，还需采用正火予以消除。3Cr3MoW2V锻后经过℃正火和球化退火后，可消除链状碳化物。

4.2.4淬火

挤压模具钢的淬火温度要按照模具的工作条件、结构及形状、制造工艺和性能要求来确定。对断裂韧度、疲劳强度和抗磨损要求较高及淬火处理后需要电加工的模具，要采用上限和较高的温度淬火。对畸变要求高、晶粒细小、冲击韧度高的模具，应采用下限温度淬火。表29所列为推荐的热作模具钢的淬火工艺。

▼表29热挤压模的淬火工艺

淬火加热保温时间的选择应保证组织转变的完成和可

获得的合金元素固溶程度。淬火加热时间短，将降低钢的热硬性及耐回火性。这种影响如表30所示。

▼表30淬火加热时间对3Cr3Mo3VNb钢硬度的影响

中碳合金钢制热作模具一般采用油冷淬火。对于畸变要求高的模具。还可采用80~℃的热油冷却。3Cr2W8V钢制热挤压模具按图8所示工艺处理后，畸变量可在0.03mm以下。对于要求高强韧性的模具，要采用高的油冷速度以抑制碳化物沿晶析出和出现上贝氏体组织。但冷速又不能过高，以避免出现淬火开裂和畸变超出允许范围。

▲图83Cr2W8V钢制挤压模具热处理工艺曲线

4.2.5回火

热挤压模淬火后的回火温度的选择应是在不影响模具的抗脆断能力及抗疲劳性能前提下，尽可能提高模具的硬度。因此，应根据模具的工作条件和具体的失效形式来确定具体的回火温度和硬度。热挤压模具钢的回火工艺见表31。

▼表31热挤压模具钢的回火工艺

4.3金属压铸模具钢的热处理

金属压铸用模具钢根据被压铸材料性质不同，可分为锌合金压铸模具、铝合金压铸模具、铜合金压铸模具以及铸铁压铸模具。由于使用条件特别是工作温度不同，所用模具材料及热处理工艺也不同。

4.3.1锌合金压铸模具的热处理

锌合金压铸模具型腔的温度不超过℃，用一般结构钢制的模具寿命已达20~40万次，优质模具钢制的模具已寿命已达万次以上。

锌合金压铸模具用钢有合金结构钢如40Cr、30CrMnSi、42CrMo；模具钢如CrWMn、5CrMnMo、4Cr5MoSiV（H12）、3Cr2W8V等。

锌合金压铸模用钢的热处理工艺见表32。

▼表32锌合金压铸模具用钢的热处理工艺

4.3.2铝合金压铸模具的热处理

1）铝合金压铸模具用钢

铝合金压铸模具的型腔工作温度为℃左右。其主要失效形式为粘模，热疲劳，拐角、夹角、锐边处开裂、磨损，腐蚀。

铝合金压铸模具用钢有3Cr2W8V、5CrMoSiV1（H13）等钢，也有使用马氏体时效钢18Ni钢的。3Cr3MoW2V、3CrMo3VNb钢也在这类模具中得到了良好的使用效果。

2）铝合金压铸模具的热处理

铝合金压铸模具的热处理工艺路线为：锻造→球化退火→粗加工→去应力退火（℃）→精加工→最终热处理→钳工修模→打光→渗氮（或软氮化）→装配。铝合金压铸模具钢的淬火回火工艺见表33。热处理后硬度一般不超过HRC48，硬度过高易产生热裂。图9为3Cr2W8V、3Cr3MoW2V、3Cr3Mo3VNb的热处理工艺曲线。

▼表33铝合金压铸模具用钢的淬火回火工艺

▲图9几种铝合金压铸模具的热处理工艺曲线（真空炉）

a）3Cr2W8Vb）3Cr3Mo3W2Vc）Cr3MoVNb

（注：途中二次预热温度为℃）

为保证铝合金压铸模具钢的热处理质量，要避免出现畸变、开裂、脱碳、渗碳、氧化或腐蚀等弊病，应在托养良好的盐浴中，或在有保护气氛的炉中、或在真空炉中进行热处理。

淬火冷却速度对模具和寿命是影响至关重要。冷速低，尺寸稳定性好，畸变、开裂倾向小，但显微组织会出现晶界碳化物或上贝氏体，从而降低断裂韧度。模具淬火后应立即回火，以免开裂。回火温度根据根据工作硬度和钢的回火曲线来选定。通常推荐3Cr2W8V模腔硬度为HRC42~48，H12、H13为HRC44~50。实际生产中选用HRC40~44的硬度时，可获得很高的使用寿命。模具硬度过高易产生热裂或热疲劳。

3）铝合金压铸模具的防粘处理

粘模是铝合金压铸模常见的失效形式，采用渗氮或氮碳共渗（软氮化）是防止粘模的有效措施。也可以采用涂石墨润滑油剂，~℃，保温30~60min，形成黑色保护膜来提高抗粘能力。

4.3.3铜合金压铸模具的热处理

铜合金熔点在~℃之间，铜合金压铸模腔温度可达℃以上。因此，模具用钢要求有更高的热强性可抗热疲劳能力。

1）铜合金压铸模具材料

铜合金压铸模材料如表34所示。一般铜合金压铸模的寿命为3~8万次。

▼表34铜合金压铸模具用钢和使用寿命

2）铜合金压铸模具的热处理工艺

铜合金压铸模的热处理规范诶表35所示。

▼表35铜合金压铸模具用钢热处理工艺参数

在采用气体渗碳氮以防止铜合金粘模现象时，渗氮后要经过℃×4h的扩散处理，使表面硬度降至HV左右，以避免剥落开裂。

4.3.4铸铁压铸模的热处理

铸铁压铸模的型腔温度在℃以上，模具寿命很低，仅有几百次就会腐蚀、热裂、畸变而失效。

1）模具材料

表36为铸铁压铸模用材料及热处理工艺。

▼表36铸铁压铸模具材料及其热处理

四、塑料模具的热处理

1塑料模具的工作条件和分类

按照塑料制品不同，塑料模具分为热固性和热塑性两类模具。

热固性塑料模具是指在加热和一定条件下，能直接固化成不溶或不熔性塑料制品的模具。成型材料主要是酚醛树脂、三聚氰胺树脂等。其工作条件是在受热~℃温度下压制各种胶木粉，一般含有大量固体填充剂，多以粉末直接加入压模热压成型。工作受力较大、易磨损、易浸蚀，还会受到脱模的周期性冲击和碰撞。

热塑性模具是指在加热温度内可反复软化和冷凝成型制品的模具。成型材料主要是聚乙烯、尼龙等。其工作条件是受热、受压、受磨损但不严重，部分成型材料含有氯及氟等腐蚀性气体析出，会腐蚀模具。成型材料一般不含固体填充填充料，以软化形态注入模具型腔，含有玻璃纤维填料时，会加剧模腔的磨损。

2塑料模具的主要失效形式

2.1表面损伤失效

大多数塑料制品表面光亮，所以塑料模具型腔表面质量很高。型腔表面粗糙度恶化，尺寸超差及表面侵蚀，模具就会因此失效。成型材料中的添加剂、材料中是Cl、F元素的腐蚀作用都会加剧表面损伤。

2.2塑性变形失效

模具在持续加热、受力作用下，局部发生塑性变形，提高模具表面硬度可以改善使用性能。

2.3断裂失效

有些塑料模具形状复杂，存在应力集中区域，易发生断裂。

3塑料模具材料的选用

塑料模具形状复杂，加工难度大价格比较昂贵。为提高模具使用寿命，防止早期损坏，合理地先择材料十分重要。

3.1塑料模具钢的性能要求

与冷、热作模具不同，塑料模具力学性能要求不高，表面质量要求高。具体为：

3.1.1较高的硬度、较好的耐磨性

型腔表面一般硬度要求为HRC30~60，淬硬性＞HRC55，并要有足够的硬化深度，心部有足够强韧性，以免发生脆断、塑性变形。

3.1.2一定的抗热性和耐蚀性

3.1.3优良的根源性能

由于塑料模具一般结构复杂，型腔表面要求有较高甚至很高的光洁度，同时也需要有较好的尺寸精度及稳定性。所以塑胶模具钢热处理变形要小，淬透性要高；可加工性要好，要具有优良的可抛光性、耐磨性；靠冷挤压成型的塑料模具，材料需具有较好的冷挤压成型特性，淬火后又有较高的变形抗力；另外还需要有良好的锻造、焊接等工艺性能。表38为常用塑料模具钢使用性能和工艺性能比较表。

▼表38常用塑料模具钢使用性能和工艺性能比较

3.2塑料模具材料的选择

塑料模具材料的选择可参照表39。

▼表39塑料模具材料选用表

4塑料模具的热处理工艺

4.1退火

表40为塑料模具钢的退火工艺。

▼表40塑料模具钢的退火工艺

4.2淬火

塑料模具淬火时，要采取防氧化、脱碳、侵蚀和畸变措施。淬火工艺如表41所示。要求有高韧性的塑料模具可采用低碳钢或低碳合金钢进行渗碳或碳氮共渗处理。

▼表41塑料模具钢的淬火工艺

4.3回火

塑料模具钢回火温度与硬度的关系见表42。

▼表42塑料模具钢的回火温度与硬度的关系

4.4渗碳型塑料模具钢的热处理工艺

渗碳型塑料模具一般深层深度为0.8~1.5，深层含碳量为0.7%~1.0%，渗层内不允许有粗大未溶碳化物、网状碳化物、晶界内氧化等缺陷。渗碳温度为℃~℃，时间5~10h；或2段渗碳，第一阶段~℃，时间5~8h，第二段温度~℃时间2~3h。12CrNi3A渗碳后可直接空冷淬火而达到满意效果。其工艺为℃渗碳后炉冷至~℃出炉风冷淬火，~℃回火2~4h，硬度HRC53~56，变形轻微。

4.5预硬型塑料模具钢的热处理工艺

参见表43。

▼表43预硬型塑料模具钢的热处理工艺规范

4.6时效性塑料模具钢的热处理工艺

马氏体时效钢18Ni（）、18Ni（）、18Ni（）的热处理可参照表44实施。

▼表44时效硬化模具钢的热处理工艺规范

4.7塑料模具的热处理工艺实例

图11~图14列出了几种塑料模具的见图和工艺曲线。

▲图1Cr钢制胶木模具简图和热处理工艺

▲图12CWMn钢制胶木模具简图和热处理工艺

▲图13T10A钢制塑料模具简图和热处理工艺

▲图CrMnMo钢制塑料模凹模简图和热处理工艺

五、提高模具性能和寿命的途径

采用高强韧模具材料和强韧化处理工艺，是提高模具使用性能和寿命的十分重要的措施。由于模具尺寸、形状的复杂程度和钢制条件及失效类型的差异非常悬殊，因此，在选材、确定热处理工艺、选用硬度时，要充分注意模具的具体使用条件。

1高强韧模具材料的应用及效果

高强韧模具材料的应用及使用寿命见表45。

▼表45高强韧模具材料的应用及效果实例

2模具强韧化处理工艺

模具的强韧化处理及应用实例见表46。

▼表46模具强韧化处理应用实例

对于高精密、要求尺寸和性能稳定的模具，常常采用真空热处理。

工艺见表47。

▼表47常用模具钢真空热处理工艺参数

真空热处理的模具往往比常规热处理的使用寿命有显著提高。图15为几种冷作模具应用实例结果比较。

▲图15冷作模具钢真空热处理对模具寿命的影响

a）Cr12MoV搓丝板b）W6Mo5Cr4V2十字螺钉成型冲头

3模具表面强化技术应用实例

模具表面强化处理是提高收益性能和寿命的重要措施。目前模具表面回去措施分为三类：

3.1不改变表面化学成分的方法

主要有表面感应淬火、火焰表面淬火、电子束相变强化、激光相变硬化和加工硬化等。

3.2改变表面活性成分的方法

有渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗金属、复合渗TD法和离子注入等。

3.3表面形成涂覆层的方法

有镀金属、堆焊、高能束（激光、电子束、等离子束等）合金化层、化学气相沉积（VCD）和物理气相沉积（PVD）等

各种表面强化方法的主要特性比较见表48。

▼表48模具不同表面强化方法的主要特性比较

3.3.1模具表面强化方法的选择原则

1）提高模具表面的耐磨性

模具钢的耐磨性与钢中碳化物的类型与数量有关，即便是高碳高铬类模具钢其耐磨性仍不能满足要求。采用表面强化的方法来提高模具表面耐磨性是行之有效的。有关资料表明，气体氮碳共渗可使高速钢表明的耐磨性提高2~5倍。渗硼、渗钒以及碳化钛层的耐磨性更高。

2）耐磨性与强韧性的良好配合

对大多数模具材料来说，提高强韧性往往要损失耐磨性。解决办法是选择合适的的模具材料，进行合适的热处理使其获得最佳强韧性基体，然后通过表面强化方法通过表面耐磨性。例如缝纫机梭子的冷挤压凸模，采用高速钢W18Cr4V制造，模具经常碎裂，使用寿命极不稳定；改用基体钢6Cr4W3Mo2Nb后，韧性大大改善，但耐磨性不足，寿命仅1.6万件；用该材料淬火后加气体氮碳共渗处理，其寿命达到2.68万件，基体钢的强韧性和表面的耐磨性达到了良好的配合。

3）提高抗咬合能力

在拉深、挤压等类模具中经常发生冷焊现象，解决这类问题的方法通过表面处理降低模具表面的摩擦系数。有的表面处理方法是使其表面疏松、有微孔、塑性好，这不仅利于降低表面摩擦系数，还可以改变润滑状况，提高抗拉毛、烧伤和抗咬合能力。表面渗硫、渗氧就具有这类特性。

4）改变表面应力状态

模具经过淬火回火后，表面处于拉应力状态，这会促使裂纹早期形成。很多表面处理方法可以改变这种应力状态，边拉应力为压应力。由于表面形成了残留压应力，从而延迟了疲劳裂纹的产生和扩展，有利于提高模具的冲击疲劳失效抗力，延长毛巾使用寿命。这是只采用新模具材料和改变热处理工艺方法所不能起到的作用。例如，电子束相变强化表面和真空渗氮处理后均可使模具表面形成~MPa的残留压应力。

5）提高抗氧化性和抗腐蚀性

有些热作模具和塑料模具都有被氧化和被腐蚀的问题，仅靠模具本身的性能往往不能满足要求。常需要强化表面的抗氧化和抗腐蚀方法来弥补。例如塑料模具您们镀铬就具有很好的抗腐蚀性。

3.3.2表面强化技术在模具上的应用

1）渗氮

渗氮是模具表面改性常用方法。部分模具渗氮的工艺和效果参见表49。

▼表49部分模具的渗氮工艺和效果

2）渗硫

低温电解渗流法：以工件为阳极，坩埚或辅助工具为阴极，在硫氰酸盐中，通过电场的作用，熔盐发生电解电离产生二价硫负离子，并被电场推向阳极，与二价铁正离子结合成硫化层。

熔盐成分（wt）75%KCNS+25%NaCNS+1%~3%K4Fe（CN）6。

处理温度为~℃，时间10~25min，工作电压0.8~4V，工作电流2~7A。

工艺流程：脱脂→酸洗→水洗→干燥→装夹→预热→电解渗硫→清洗→烘干→浸油→检验。

3）渗硼

渗硼是模具制造中比较有效的化学热处理工艺。渗硼层硬度高（0~2HV）、耐磨性、耐热性显著提高。

常用渗硼工艺规范如表50所示。

▼表50常用渗硼工艺规范

4）TD法

TD法是利用硼砂作为盐浴，向金属表面扩散V、Nb、Ti、Cr等金属元素。由于硼砂熔点为℃，其分解温度高达℃，在渗金属温度（~℃）范围内极为稳定，而且熔融态的硼砂又能使金属表面洁净，有利于金属元素的吸附。

TD法的盐浴配方见表51。

▼表51TD法的盐浴配比

5）LT工艺

武汉材料保护研究所研制的再生盐J-1用于LT处理工艺，可实现金属表面的氮、硫、碳、氧共渗。可提高模具表面的抗咬合性、耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性等。在模具应用上取得良好效果。

LT工艺处理温度为~℃，工艺时间1~1.5h，深层可达8~12μm。设备仅需一个中温外热式盐浴炉。

工艺流程为：脱脂→预热→LT处理（~℃，10~min）→冷却→沸水去盐→沸水烫干→热浸油。

6）离子注入

是将高能束的离子轰入基体材料表面，形成极薄的近表面合金化层，从而改变金属表面的物理、化学、和力学性能。部分模具离子注入后的使用寿命见表52。

▼表52部分模具离子注入后的使用寿命

7）模具表面强化应用举例

表53列举了一些模具表面强化工艺及应用效果。

▼表53模具的表面强化工艺及应用效果举例

六、模具热处理的缺陷分析及预防措施

1模具热处理的畸变方式及控制

1.1模具热处理的畸变方式

模具壁厚的均匀性、形状的对称性、结构刚性等对畸变有显著影响。图16为热处理畸变的基本特征。图17为凹模壁厚对型腔淬火畸变的影响。几种常用冷作模具的淬火畸变见表54。

▲图16热处理畸变基本特征

▲图17凹模壁厚对型腔淬火畸变的影响

a）不同壁厚比T10A、CrWMn钢试样

b）T10A不同壁厚凹模

▼表54几种常用冷作模具钢的淬火畸变

1.2模具热处理畸变样子因素

模具热处理过程产生的长处和形状经畸变主要由热应力和组织应力引起，这类应力受多种因素的影响。如含碳量、尺寸形状、钢的基本特性及热处理工艺等。表55、表56分别为模具钢的基本特性及工艺因素对热处理畸变的影响。

▼表55模具钢基本特性对热处理畸变倾向的影响

▼表56工艺因素对来自模具型腔畸变倾向的影响

1.3控制和减少热处理畸变的措施

常用正确的热处理工艺和相应的预防畸变的措施，可使模具的热处理控制在最小限度内。已经畸变的模具也可以采用热矫正方法予以矫正。

生产中可采用如下的一些防热处理畸变的措施：

1.3.1正确选用模具材料

碳素工具钢淬透性低，淬火畸变大；合金工具钢淬透性高，畸变小。此外，模具钢纤维流向对畸变有显著一些，平行于纤维流线方向的畸变要大于垂直方向的畸变。

1.3.2合理的模具设计

模具设计时，对壁厚不均匀的模具增开工艺孔，对复杂的模具。，要采用镶拼块结构；对有薄壁、尖角的模具，要改用圆角过度和增大圆角半径。具体可参见图18。

▲图18模具增加工艺孔减少畸变示意图

1.3.3去应力退火

模具加工后淬火前采用去应力退火可以减少淬火畸变。图19示出了模具钢冷加工后的去应力退火对较少淬火畸变的作用。

▲图19模具钢冷加工后的去应力退火对减少淬火畸变的作用

a）去应力退火及淬火介质对Cr12试样畸变的影响

b）去应力退火对残留畸变的影响

c）去应力退火工艺曲线

1.3.4做好淬火前原始组织的预处理

模具钢采用六面锻造、反复镦拔、预先正火、快速球化退火等工艺，可消除网状碳化物、带链、，并获得细小、均匀分布的碳化物，在淬火时可获得最小畸变。

1.3.5采用合理的热处理工艺

1）采用预热和预冷工艺以减少热应力。

2）采用下限淬火温度。

3）采用马氏体分级淬火或贝氏体等温淬火。

4）在Ms点以下进行缓冷并及时回火。

1.3.6采用机械加固以减少热处理畸变

采用机械加固以减少畸变的方法见图20。

▲图20模具机械加固以减少热处理畸变措施示意图

a）加工时预留工艺拉紧b）成对加工后淬火

c）加工艺拉杆d）长凹槽预留工艺拉筋

1.3.7采用合理的进入淬火槽的方向与冷方式

模具进入淬火介质的方向及冷却介质相对于模具的流动方向合理是减少模具热处理畸变的有效措施。

1.3.8采用平衡辅具减少热处理畸变

图21为热平衡辅具的应用。

▲图21减少热处理畸变而采用的热平衡辅具

a）安置在型腔中b）安置在背面

c）安置在孔外面d）安置在内孔中

1.3.9低温调质预缩处理

低温调质预缩处理是在高于A1点的温度预淬火并进行高温回火（~℃）。其体积可小于退火状态，以此抵消淬火时马氏体转变的膨胀效应。其效果可以削弱高速钢的异常畸变倾向，可使Cr12MoV钢纵向、横向畸变涨缩率差异降低50%，减小翘曲。

2模具热处理常见缺陷及预防措施

模具热处理中常见的缺陷、产生原因及防止措施如表57所示。

▼表57模具热处理中常见缺陷、产生原因及预防措施

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