低碳马氏体在模具中的应用

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低碳马氏体在模具中的应用
% a9 e0 [7 y) }通常模具用钢都采用合金工具钢、碳素工具钢和高速工具钢，其淬火后的组织主要是孪晶的亚结构，有显微裂纹的高碳针状、片状马氏体。由于含碳量较高，碳化物形成元素较多，钢中不可避免的会存在网状、带状和链状碳化物，往往造成模具在使用中脆性断裂。由于低碳马氏体亚结构是位错，具有较高的强度(硬度为45HRC～50HRC，屈服强度为1000MPa～1300MPa)、良好的塑性(δ5≥10%，ψ≥40%)和韧性(AKV≥59J)以及良好的冷加工性、可焊性和热处理畸变小等优点。因此，如何使模具钢的淬火组织中得到更多的、甚至全部低碳马氏体，是提高模具强韧性、延长模具使用寿命的关键。目前发展方向是低碳结构钢的淬火组织希望得到全部板条马氏体，以保证高的强韧性;对高碳钢倾向于降低碳含量或尽量降低淬火温度来减少孪晶马氏体数量，以保证材料的韧性;对中碳合金钢则倾向于采用高温淬火，得到较多或全部低碳马氏体组织，来提高断裂韧性。
0 |" l- b0 V- c1 }3 ~% p9 Y9 R　　低碳马氏体在塑料模具中的应用
　　1低碳马氏体渗碳型塑料模具钢
! p) O" f" ]# ^9 h, ~　　低碳钢、低碳合金钢模具在成形后进行渗碳、淬火和低温回火，使模具表面得到高碳细针状回火马氏体+颗粒状碳化物+少量残留奥氏体，心部组织主要为低碳马氏体。从而保证了模具表面具有高硬度(58HRC～62HRC)、高耐磨性，而心部具有较高的强韧性(30HRC～45HRC)，用于制造各种要求耐磨性良好、形状复杂、承受载荷较高的塑料成形模具。
　　2超低碳冷挤压成型塑料模具钢
; H: u; F) D+ d$ I7 q　　国外广泛应用超低碳钢冷挤压成型工艺方法制造塑料模具。由于需要冷挤压成型，除碳含量较低外，经软化退火后，硬度较低(≤160HBS，挤压复杂型腔时≤130HBS)，特别适合于冷塑性变形。这类钢在冷挤压成型后进行渗碳、淬火、回火。因此具有生产效率高、制造周期短、模具精度高等优点。典型的钢种有美国P系列低碳模具钢、德国X6CrMo4钢(≤0.07%C，质量分数，下同)和国产LJ-08Cr3NiMoV钢(≤0.08%C)。
　　3低碳马氏体钢(≤0.25%C)强韧性型塑料模具钢
　　低碳马氏体钢包括低碳碳素钢和低碳合金钢经低碳马氏体强烈淬火处理后，得到强韧性较高的低碳马氏体组织，代替中碳钢调质处理或低碳钢渗碳、渗氮处理，适用制造各种塑料模具，可显著缩短模具制造周期，降低制造成本，提高使用寿命，在塑料模具热处理中广泛应用。
　　4低碳马氏体时效硬化型塑料模具钢
　　(1)低碳马氏体时效硬化钢
　　该钢具有较高的屈强比，良好的切削加工和焊接性能和热处理工艺简单等优点。典型钢种是超低碳18Ni钢系列(≤0.03%C)，由于18Ni钢价格昂贵，在国内很少使用。近年来开发的06Ni6CrMoVTiAl(简称06钢，≤0.06%C)，属低镍、低碳马氏体时效硬化钢。该钢经800℃～880℃加热，水或油冷却固溶处理，(500～540)℃×(4～8)h时效处理后的组织为低碳马氏体+析出强化相Ni3Al、Ni3Ti、TiC和TiN，硬度为42HRC～45HRC，屈服强度1100MPa～1400MPa。06钢通常用来制作的收录机磁带盒模具，其平均寿命>110万件，是一种有发展前途的钢种。
　　(2)国产低碳马氏体析出(沉淀)硬化钢
$ ?% y+ D9 I' s9 m. A# H$ f　　典型钢种为25CrNi3MoAl和10Ni3MnCuAl(简称PMS)，适用于制作对变形率要求<0.05%，镜面要求或表面要求光刻花纹工艺的精密镜面塑料模具。其中25CrNi3MoAl钢经830℃固溶处理后，硬度可达50HRC，540℃×4h时效处理后，硬度为39HRC～42HRC;PMS钢经870℃×1h固溶处理，510℃×4h时效处理后金相组织为低碳马氏体基体上弥散分布大量细小金属间化合物，其硬度为40HRC～43HRC，抗拉强度为1000MPa～1300MPa。
5 ?- u% L. n( u( F　　5低碳马氏体耐蚀型塑料模具钢
2 J7 u5 Q) c. `  @$ n　　(1)低碳马氏体不锈钢
　　主要钢种为2Cr13钢(0.16%～0.25%C)和1Cr17Ni2钢(0.11%～0.17%C)，适用于制造在腐蚀介质作用下的塑料模具，透明塑料制品模具。
2 z) q; \. P# j　　(2)低碳马氏体析出(沉淀)硬化型不锈钢
　　典型钢种为国产07Cr16Ni4Cu3Nb钢(≤0.07%C，简称CR)，该钢经1050℃淬火后获得单一的低碳马氏体组织，硬度为32HRC～35HRC，可以直接进行切削加工;经460℃～480℃时效处理后，硬度为42HRC～44HRC，良好的力学性能和抗蚀性。例如聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原采用45钢镀铬处理模具，使用寿命为1000～4000件，后改用低碳马氏体PCR钢，寿命可达10000～20000件。
' D7 u6 ^" h2 s) R　　低碳马氏体在冷作模具中的应用
　　1低碳钢冷作模具的低碳马氏体强烈淬火
　　一些国家已在冷作模具钢标准中列入了低碳马氏体钢(≤0.25%C)，例如在ISO4957.1999《冷作合金工具钢》中有下列钢种：5CrMo4钢(≤0.07%C)、7CrMoNi2钢(≤0.10%C)、20Cr13钢(0.16%～0.25%C);德国工具钢种：21MnCr5钢(0.16%～0.24%C)、X6CrMo4钢(≤0.07%C)、15NiCr18钢(0.10%～0.17%C)。
　　国内也有不少应用低碳马氏体钢强烈淬火工艺制造冷作模具的实例。
+ q* j& O6 @8 x( N6 t# m7 |( E6 _) T　　(1)20钢锯齿锁紧垫圈冲模该冷冲模用于冲压65Mn钢带(179HBS～217HBS)。原采用T10钢(48HRC～50HRC)，使用寿命<1500次;后采用Cr12MoV钢(48HRC～50HRC)，使用寿命3000次;而采用20钢(46HRC～48HRC)，使用寿命高达3～4万次，其处理工艺为：(910±10)℃加热，10%NACL盐水冷却，不回火直接使用，而且成本低廉。
& Z3 h- A2 a% S. s2 S　　(2)Q235钢剪板机刀片螺栓锻件胎模冲头曾选用GCr15、9SiCr、T8及45钢，由于工件有咬模、粘模现象发生，锻坯很难从模具中冲出，致使冲头产生塑性变形、弯曲和断裂，寿命较短，每10件冲头约冲螺栓800～1200件;而采用Q235钢做冲头材料，经950℃×5min盐炉加热，10%NACL盐水冷却淬火后不回火直接使用，硬度为36HRC～40HRC，每10件冲头能冲螺栓2000件以上，而且失效形式为塑性变形，消除了冲头使用中碎裂现象，保证了操作者的人身安全。
9 \3 \% x2 Y1 }　　(3)20CrMnTi钢压制铝套冷挤压模D16、D20型压制钢丝绳铝套冷挤压模原采用CrWMn钢淬火回火后，硬度为45HRC～50HRC，尽管硬度要求在冷挤压模中较低，但是由于CrWMn钢碳化物不均匀性比较严重，很难避免网状、带状碳化物，因此造成崩刃、开裂而早期失效，使用寿命仅为1000多件，有的仅几百件甚至几十件。选用20CrMnTi钢制作D16、D20铝套冷挤压模，经950℃加热盐水淬火后，不回火直接使用，模具硬度为46HRC～48HRC，压制铝套2000多件，仍在继续使用。
& I7 \$ ^& q/ }4 F　　(4)20Cr钢冷作模具该钢经渗碳淬火表面强化处理后，可使模具表面获得细针状回火马氏体，硬度为58HRC～62HRC;心部获得低碳马氏体组织，硬度35HRC～40HRC，基体强韧性高，可满足冷作模具高硬度、高强度、高韧性的使用性能要求。例如，汽车软管锌合金接头八角模冲头，硬度要求58HRC～62HRC。原采用Cr12MoV钢制造的八角模的寿命很短，往往不到2000件就断裂;把冲头材料换成20Cr钢并经渗碳处理后，渗层深1.0mm～1.2mm，硬度为60HRC～62HRC，使用寿命提高到3万件。

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2中碳合金钢冷作模具的低碳马氏体高温淬火

　　对于中碳合金钢冷作模具，可以通过提高奥氏体化温度，使奥氏体晶粒更加均匀细化，碳含量趋于减少，Ms点升高，从而获得更多的低碳马氏体组织，提高模具的强韧性，有利于延长冷作模具的使用寿命。

　　(1)5CrMnMo钢冷镦机螺母冷镦模的高温淬火将5CrMnMo钢的淬火温度提高到900℃～950℃，可得到几乎是单一的低碳马氏体组织。例如，用5CrMnMo钢制作的Z41.24型多工位冷镦机螺母冷镦模，经900℃～930℃加热，180℃分级淬火，200℃×2次低温回火处理后，使用寿命比Cr12MoV钢的提高2.6倍，可完全取代T10A、9CrSi、Cr12MoV钢制造较大截面的冷镦模。

　　(2)60Si2MnA钢冷镦螺帽4序冲模的高温淬火60Si2MnA钢在高温淬火后，组织中板条马氏体数量增多，甚至可以获得全部板条马氏体组织，有较高的断裂韧度、冲击韧度和优良的耐磨性。60Si2MnA钢制冷镦螺帽4序冲模，经920℃～950℃淬火后，使用寿命比正常温度淬火的模具提高了2倍左右。
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9 m4 z$ O( v3 n5 i' v, {　　(3)5CrW2Si钢冷剪切模的高温淬火5CrW2Si钢冷剪切模，经950℃淬火和250℃回火后，得到板条马氏体加少量均匀细化的碳化物和分布在板条马氏体边界的细小残留奥氏体的组织，可显著提高冷剪切模剪刃的强度和韧性，寿命提高1.5～5倍。
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" X+ b4 h6 h8 z- n) j　　3高碳钢冷作模具的低碳马氏体低温淬火
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3 ?* |: o9 k) R　　高碳钢冷作模具淬火温度愈低，奥氏体固溶碳含量也愈低，Ms温度愈高，低碳马氏体数量愈多。因此模具具有较高的耐磨性和强韧性，变形和开裂的几率很小。

　　(1)T10A钢冷镦模低温短时加热淬火T10A钢冷镦模(光冲)，按原工艺(780℃×20min盐浴加热淬火)处理时获得孪晶马氏体组织，存在显微裂纹，在冲击载荷作用下，由于韧性差，常产生崩刃。现采用750℃×14min盐浴加热淬火，200℃回火处理后，可以得到细小的片状马氏体和50%(体积分数)以上的低碳马氏体，减少了显微裂纹，在保证高硬度的同时，具有较高韧性，从而提高使用寿命近一倍。
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2 U/ q$ y6 ~# w8 \2 y　　(2)CrWMn钢制小型模具的低温淬火一般用CrWMn钢制造生产手表用的小型凸模，经常规热处理后模具的使用寿命为1000～10000次，破损形式多为局部崩刃或整个头部断裂。CrWMn钢制小型凸模的低碳马氏体强韧化处理工艺为：700℃×10min预热，.790℃×(3～4)min盐浴炉加热，在180℃石腊中等温15min后，空冷，硬度为59HRC～61HRC;200℃×2h回火后，硬度为58HRC～60HRC，模具的刃磨寿命可达1～2万次，总寿命可达10～20万次。且在使用中不易发生崩刃及断裂现象，显示出有极高的断裂抗力。
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" v6 C* J/ r# i& y7 X& _- a　　(3)7Cr7Mo3V2Si(LD)钢冷挤压凸模的低温淬火LD钢冷挤压凸模，按常规工艺1100℃～1150℃加热淬火处理后，使用寿命仅3000～4000次。改用1050℃×25min盐浴加热油冷和200℃×2.5h回火后，获得板条马氏体+弥散碳化物组织，硬度为60HRC～61HRC，使用寿命提高到2万次。

　　低碳马氏体在热作模具中的应用
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　　热作模具钢经高温加热可使钢中的合金碳化物大量溶入奥氏体中，提高了基体的热强性和热稳定性，同时，相应地提高回火温度，可使组织中板条马氏体的份额有大幅度增加，断裂韧度和小能量多冲寿命有所提高。如果加热温度选择适当，则冲击韧度和塑性仍能保持在一定水平上，从而可使热作模具的使用寿命大幅度提高。因此，目前热作模具的淬火加热温度有向高温发展的趋势。热作模具钢的另外一个发展趋势是降碳、低碳化。目前有的国家已在热作模具钢标准中列入了低碳马氏体钢(≤0.25%C)。例如，美国H25钢(≤0.25%C)、德国21CrMo10钢(0.16%～0.23%C)、法国20MoNi34.13钢(0.18%～0.23%C)等。对于形状简单，生产批量小和交货期短的产品零件，可以选用低碳合金结构钢，特别是高温强度好、抗蠕变性能好的20CrMo，20CrMnMo等含Mo的低碳低合金耐热结构钢制造热作模具，直接进行低碳马氏体强烈淬火。
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　　(1)3Cr2W8V钢热作模具的高温淬火3Cr2W8V钢热作模具采用高温淬火和高温回火工艺处理后，可获得更多的板条马氏体组织，有较高的回火稳定性、高温强度、高温耐磨性和热疲劳性，可显著提高模具寿命。用3Cr2W8V钢制M12×50的圆柱螺柱(材料为40Cr)热锻模，采用1180℃加热淬火，640℃×2h×2次回火后，可以得到90%以上的板条马氏体，平均使用寿命由3000～5000件提高到3～4万件。

　　(2)5CrNiMo钢锤锻模的高温淬火5CrNiMo钢制作的480mm×450mm×295mm的锤锻模，原热处理工艺为860℃×5h油淬和500℃×10h回火，硬度为42HRC。锻打齿轮毛坯2500件时，锻模便发生塑性变形，需修模后方可继续使用。改用新工艺，900℃×5h油淬，500℃×10h回火，硬度为43HRC，锻打同样的齿轮毛坯8100件仍可继续使用。国内其他工厂的试验表明，将淬火温度由860℃提高到960℃，锻模的使用寿命能够提高2.5倍。
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　　(3)热作模具高温双重淬火处理4Cr5MoSiV1钢高温双重淬火工艺为：1160℃淬火+720℃回火+1050℃淬火+350℃回火。双重淬火可减小未溶碳化物尺寸和体积分数，使碳化物颗粒间距增大。当第二相颗粒平均间距增大时，可使断裂韧度增大。高温淬火可显著减少孪晶马氏体，增加位错马氏体，使模具具有高的断裂韧度。因此，高温双重淬火与普通淬火(1020～1050)℃相比，断裂韧度可提高30%～40%，有利于提高热作模具钢的疲劳裂纹的扩展抗力和热疲劳开裂的抗力，使模具具有最佳的热疲劳性能，从而提高热作模具的使用寿命。

　　(4)20Cr钢热锻模的低碳马氏体强烈淬火拉索冷铸锚杯索节扣体是斜拉桥关键受力固定端件，技术要求必须是模锻件。由于合同订货数量仅88件，因此采用强韧性高、耐冲击、有一定热强性的20Cr钢制造索节扣体热锻模。其加工工艺流程为：下料—锻造—锻造余热正火(形变正火)—粗加工—淬火、回火—精加工。热处理工艺为：920℃加热，10%NACL盐水淬火，430℃回火。该工艺不仅消除淬火软点，提高模具淬透性，而且可以提高模具屈服强度和冲击韧度，保证模具使用寿命。经上述工艺处理后的索节扣体热锻模，平均硬度40HRC，金相组织为较细板条马氏体，圆满地完成了合同任务。
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　　(5)Q345B钢铆焊热锻模的低碳马氏体强烈淬火XKJ44.5mm～48mm大型体育场馆斜拉钢丝缆索浇铸接头体是模锻件(质量98.5KG)，由于批量仅40件，选用厚度40mm的Q345B钢板，采用铆焊的工艺方法，将7层板制成400mm×400mm×290mm的热锻模。工艺流程为：下料—钻孔—铆接—焊接—机加工—淬火—钳修。经箱式炉950℃快速加热(20s/mm)，盐水深冷淬火冷却，不回火直接使用。模具平均硬度46HRC，完成40件后，仍能继续使用。
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' V( ~; n$ c5 q! O　　结语

% K$ `0 v7 N9 y" X2 j# P/ J　　(1)低碳马氏体具有相当高的强韧性，是模具钢理想的淬火组织。

　　(2)低碳马氏体钢(≤0.25%C)进行强烈淬火和表面强化处理，可以代替模具钢制造各类模具。
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　　(3)中碳钢模具采用高温淬火，可以获得更多的、甚至全部低碳马氏体组织，显著提高模具的强韧性。

　　(4)高碳钢模具采用低温淬火，可以获得较多的低碳马氏体组织，显著提高模具的使用寿命。

　　(5)模具钢淬火组织低碳马氏体化，模具钢降碳、低碳化，是模具钢热处理的重要发展趋势。