模具锻造和热处理对品质的影响

1.锻造工艺质量的影响

目前我国模块标准化程度很低，钢材规格也很少，除大、中型锤锻模块由钢厂直接供应外，用户需将所购进的圆钢改锻成所需的模具毛坯，一般外径为ϕ40～70mm的模具毛坯大多用圆钢改锻而成。以使钢材达到模具毛坯的尺寸及规格，为后续加工做好准备。

在模具制造业中，锻坯的质量对淬火变形及开裂倾向、服役时的断裂抗力，都有明显的影响。模具使用的材料中，尤其是工作部分的材料，较多使用合金钢甚至高合金钢。高合金模具钢中，含有较多的共晶碳化物。在大、中截面钢材中，碳化物偏析严重，如不锻造而直接用于制造模具，易引起异常的淬火变形。在低合金模具钢中，也存在热锻压流线所引起的方向性效应，不合理的流线分布容易引起早期断裂失效。

锻造的另一个目的是改善模具钢的组织和性能，如使大块碳化物破碎，获得均匀分布状态；改善模具金属纤维的方向性，使流线合理分布；消除或减少冶金缺陷如焊合气孔、提高钢的致密度等。为了获得优质的锻坯，应选用足够能量的锻锤，以充分的变形量进行多向反复锻打，注意控制锻件流线和型面位置，以及锻后正确的冷却方法。

如冲压模材质为Cr12，毛坯尺寸ϕ90mm，共晶碳化物大于5级，由轧材直接车削加工，使用寿命仅数件至数十件，最高达3000件，均以崩刃、纵向开裂或碎裂而失效；后改用ϕ60mm棒料，经镦粗锻制成ϕ90mm坯料，共晶碳化物降为3～4级，分布也较均匀，制成模具后，使用寿命达8000件以上。规格为M10～M12的搓丝板，如用Cr12MoV钢轧材直接切削加工而成，使用寿命不超过6万次；如对毛坯进行充分锻造后，其寿命将提高近一倍，达到10万次。

模具钢要有严格合理的锻造工艺。首先，加热温度不能过高，要防止过热和过烧。加热速度不能太快，加热要均匀，注意钢料在炉中的位置要适当，有时加热还要翻转棒料，以使其受热均匀。锻打时要轻重掌握适度，打击力过大，变形量太大，易产生裂纹。停锻后的冷却速度也很重要，冷却过快也易开裂。因此，如果锻造工艺不合理，不仅达不到改善模具钢质量和提高其性能的目的，甚至会造成锻造缺陷而恶化钢材质量。

2.热处理工艺的影响

模具通过热处理从而获得所需的工艺性能和使用性能，保证在正常服役条件下能具有一定的使用寿命。但是，如果热处理工艺不合理或操作不当，将会产生明显缺陷，如变形、开裂或严重影响到模具钢的组织状态，引起模具早期失效，缩短模具寿命。模具热处理包括预备热处理，如球化退火、正火、去应力回火、调质处理等。也包括最终热处理，如淬火、回火、表面强化处理等。

（1）毛坯预处理工艺的影响 正确的预处理对于提高模具的承载能力和使用寿命起着积极的作用。预备热处理主要目的是获得需要的加工工艺性能及为模具最终热处理做好组织准备，作用是消除毛坯残存的组织缺陷，形成有利于强韧性、冷加工工艺性和减少淬火缺陷的原始组织。热处理关键是加热温度的选择（保证碳化物充分溶解或合金元素充分固溶），冷却方法（冷却速度或等温温度）的选择，保证能获得合适的切削硬度，所析出的碳化物均匀分布。

锻后退火可以去除锻后应力，调整工件加工硬度，当然还可以调整碳化物的形状和分布，退火是否充分对模具钢的断裂抗力影响也很大，需要对退火工艺予以足够重视。预处理后的组织对淬火开裂倾向及变形胀缩趋势，也有很大的影响，经实验预处理后获得调质细球化体组织的变形倾向远小于片状珠光体组织。

钢中不均匀分布的碳化物对模具的强度、韧性等会造成明显损害。进行锻造工艺处理后，再进行合适的热处理加以改善。如T8A钢冲头经碳化物微细化处理后进行低温淬火，可显著减少崩裂，寿命提高10倍。Cr2钢经碳化物微细化处理后，再淬火回火到59～60HRC，其无缺口冲击值可比普通处理提高一倍以上，可以使模具寿命提高一至数倍。采用高温固溶处理正火进行消除锻坯中的网状二次碳化物或链状碳化物，可明显提高钢的断裂韧性。细化碳化物后，可使钢的塑性及冲击韧性值提高近一倍。

高速工具钢及高铬钢的共晶碳化物不均匀性，经高温奥氏体化退火后，再进行等温退火，可使大、中截面钢材的碳化物不均匀度，由8～9级变为6～7级，可显著改善小型毛坯中碳化物的分布，特别是促进小颗粒碳化物球化和大块碳化物棱角圆整化，并细化了晶粒，用于冷镦模可提高寿命一倍以上。(www.xing528.com)

奥氏体晶粒超细化预处理可全面改善模具钢的强度、韧性及抗压强度。W6Mo5Cr4V2钢超细化处理后晶粒度由常规等温处理的10级提高到12级，抗弯强度提高了近20%。9SiCr钢制滚丝模经超细化预处理后，晶粒度从常规处理后的8～9级细化为13～14级，抗弯强度提高30%，断裂挠度上升40%，服役寿命提高一倍以上。

（2）最终热处理工艺的影晌 最终热处理的关键是淬火工艺的制定。由于热处理工艺或操作不当，导致模具早期失效的数量约占模具失效总数的60%左右。热处理加热温度的高低、保温时间的长短、冷却速度的快慢和炉内气氛等工艺参数的选择不当，都会造成模具淬火开裂或早期失效。模具在热处理过程中应保证加热均匀，冷却均匀，并应防止模具表面产生氧化和脱碳，淬火后应及时、充分回火，以提高模具硬度的均匀性，从而获得良好的耐磨性和高的疲劳抗力或高的冷热疲劳寿命。

淬火温度过高，使奥氏体晶粒长大，大量碳化物溶入基体，淬火后出现粗针马氏体，增加了模具热处理应力，使模具变脆，服役中容易出现开裂、崩刃、折断等问题。如冷作模具镇流器引伸模，由直径为150mm的CrWMn钢的棒材锻造后加工成形，热处理淬火温度为840～850℃油冷淬火。当该模具冲压400件产品时发生断裂，经调查，由于控温仪表失灵，模具淬火加热温度高达870℃，淬火后得到粗大马氏体使模具脆性增加，又由于有大量残留奥氏体，使钢材热导率下降，磨加工中容易形成磨削裂纹，致使模具在服役过程中磨削裂纹迅速扩展而导致开裂。

淬火温度过低，则不能保证有足够的合金元素固溶于基体之中，钢的淬透性下降，耐回火性降低，模具硬度降低，降低钢的高温强度、组织稳定性及冷热疲劳抗力，造成模具产生塌陷、变形和磨损，导致使用寿命降低。

淬火冷却是淬火后能否获得需要的组织性能的决定性因素。如果冷却过快或油温过低均容易出现淬火裂纹，这将会严重缩短疲劳寿命，甚至引发早期断裂，若冷却速度太慢将发生非马氏体型转变，同样会对模具寿命造成不良影响。对于碳素钢和低合金钢，因淬透性较差，必须采用冷却速度较大的油冷或水冷才能获得预期的效果。合金钢的淬透性高，可采用油冷淬火或空冷。对于大型模具，尤其是模壁较厚的部位中心区域冷却速度较慢，往往得不到马氏体组织，或使碳化物或杂质元素沿晶析出或偏聚，形成“黑色晶界”，增加模具脆性，服役中使模具脆性断裂。

模具的硬度影响着模具的强度及耐磨性等，但硬度提高塑性、韧性却往往呈下降趋势。模具发生早期失效，大部分是由于工作硬度过高而损失了韧性而导致早期断裂；少部分是由于工作硬度过低而呈现早期变形或磨损。对于不同的模具，有其自身的最佳强韧性配合问题，应对模具的寿命、失效形式、影响主要因素进行分析后，找出硬度及韧性等方面的最佳配合。

如T10A钢冲头在软质硅钢片上冲小孔，仅冲几千片就因毛刺过大而失效。如将硬度从56～58HRC提高到60～62HRC，则寿命可提高到2～3万次，再继续提高硬度，由于韧性不足容易出现早期断裂，使寿命降低。3Cr2W8V钢制热挤压模，硬度为45～50HRC时容易出现早期断裂，硬度降到38～40HRC时，不再出现早期断裂，平均寿命明显提高。

最终热处理中的回火也是重要工序，首先模具回火要充分，高合金模具一般要求回火两次以上，这是因为钢中的残留奥氏体是在回火冷却过程中转变为回火马氏体，经两次以上回火可以使残留奥氏体充分转变。否则，将在模具中残留较大的淬火应力，降低模具韧性，容易发生早期断裂。为缩短工时，提高设备利用率，回火时间可适当缩短些。

加热过程中对工件的保护不到位引起的脱碳或过保护造成的表面增碳，都会造成工件的寿命降低。表面过度增碳将使材料的韧性下降，热疲劳抗力降低，增加了崩刃、脆断倾向，使裂纹扩展速度增加。冷作模具表面增碳后，主要出现崩刃、脆断等失效形式。3Cr2W8V、5CrNiMo钢制作的模具，采用气体渗碳炉或固体渗碳剂保护加热淬火，易造成表面增碳层，厚度为0.5～1.0mm，含碳量可达到0.7%～1.0%，导致早期热疲劳龟裂。

脱碳是模具淬火加热过程中最常见的表面缺陷，加热温度低于800℃的木炭、未充分脱氧的盐浴、未高度净化的分解氨气及氢气，都不能保证模具表面不发生脱碳。脱碳层强度低、耐磨性差、易产生微裂纹，如未经去除，则会降低模具耐磨性及疲劳抗力。3Cr2W8V钢热冲模，在高温箱式炉内加热淬火时，为了防止氧化脱碳，操作者采用旧固体渗碳剂保护，引起了表面渗碳，淬火前为了清除渗碳剂，在空气中作了短时间停留则又引起表面脱碳，在渗碳层外面形成铁素体组织。冲模在服役过程中，由于表面脱碳，强度降低，使冲头表面产生强烈磨损，而脱碳层下面的增碳层降低了钢的热导率，使模具内外温度梯度加大，增加了热应力和热应变，沟槽处成了热疲劳裂纹的起源，导致冲模早期失效。

4Cr5MoSiV1是制作大、中型铝合金压铸模的最佳材料，即使脱碳层极薄，也明显损害疲劳抗力。用此材料制作的铝合金压铸模至少压铸上万次后才出现热疲劳裂纹。曾有一套上述模具仅压铸2000次就出现了早期热疲劳而失效，对热疲劳裂纹处横截面进行金相分析，发现表面存在0.1mm厚的贫碳层，距表面0.05mm处硬度为362HV，0.10mm处为386HV，0.15mm处为412HV，0.2mm处为426HV。