模具的热处理及表面强化技术.docx

第9章 模具的热处理及表面强化技术模具热处理及表面强化是模具制造中的关键工艺之一，直接关系到模具的制造精度、力学性能(如强度等)、使用寿命以及制造成本，是保证模具质量和使用寿命的重要环节。模具在实际生产使用中表明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起的失效居于首位。在模具设计制造过程中，若能正确选用钢材，选择合理的热处理及表面强化技术工艺，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。当前模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术和模具的表面强化技术。9.1模具的热处理9.1.l模具钢的热处理模具钢的热处理工艺是指模具钢在加热、冷却过程中，根据组织转变规律制定的具体热处理加热、保温和冷却的工艺参数。根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，热处理工艺可分为常规热处理、表面热处理（表面淬火和化学热处理等）等。根据热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用，热处理又可分为预备热处理和最终热处理。模具钢的常规热处理主要包括退火、正火、淬火和回火。由于真空热处理技术具有防止加热氧化、不脱碳、真空除气、变形小及硬度均匀等特点，近年来得到广泛的推广应用。1.退火工艺退火一般是指将模具钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后使其缓冷至室温，获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。其组织为铁素体基体上分布着碳化物。目的是消除钢中的应力，降低模具材料的硬度，使材料成分均匀，改善组织，为后续工序(机加工、冷加工成形、最终热处理等)做准备。退火工艺根据加热温度不同可分为： 1）完全退火 将模具钢加热到临界温度Ac3以上2030，保温足够的时间，使其组织完全奥氏体化，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。其目的是为了降低硬度、均匀组织、消除内应力和热加工缺陷、改善切削加工性能和冷塑性变形性能，为后续热处理或冷加工做准备。2）不完全退火 将钢加热到Ac1Ac3（亚共析钢）或Ac1Accm（过共析钢）之间，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。不完全退火用于过共析钢和合金钢制作的模具。3）等温退火 将钢加热到临界温度以上，保温足够的时间，使其组织完全奥氏体化，然后在低于Ac1温度以下的适当温度进行保温，使奥氏体在此温度下进行等温转变，完成组织转变,然后从炉中取出空冷。等温退火的特点是可以缩短退火时间，最适合用于合金工具钢、高合金工具钢模具，有利于获得更为均匀的组织和性能。(4)球化退火 是使钢中的碳化物球化，获得球状珠光体的一种热处理工艺，它实际上是不完全退火的一种。球化退火主要应用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是为了降低硬度、改善切削加工性能，以及获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，为以后的淬火作组织准备。图9.1.1为三种常用的球化退火工艺。图9.1.1常用球化退火工艺 图9.1.2正火工艺1-一次球化退火；2-等温球化退火；3-多次球化退火2.正火工艺正火工艺是将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或Accm(对于过共析钢)以上适当的温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，得到珠光体类型组织的热处理工艺。正火与完全退火相比，两者的加热温度基本相同，但正火的冷却速度较快，转变温度较低。冷却方式通常是将工件从炉中取出，放在空气中自然冷却，对于大件也可采用鼓风或喷雾等方法冷却。因此，对于亚共析钢来说，相同钢正火后组织中析出的铁素体数量较少，珠光体数量较多，且珠光体的片间距较小，对于过共析钢来说，正火可以抑制先共析网状渗碳体的析出。钢的强度、硬度和韧性也比较高。正火工艺规范如图9.1.2所示。3.淬火与回火淬火和回火是模具钢或模具零件强化的主要手段。将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度进行冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。回火是淬火工艺的后续工序，是将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度(根据回火后的组织和性能要求而定)，充分保温后，以适当的速度进行冷却的热处理工艺。淬火工艺的关键是要控制加热速度、淬火温度、保温时间以及冷却速度。(1) 淬火温度的确定淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。淬火加热温度主要根据钢的临界点来确定。表9.1.1 为常用模具钢的相变点及淬火加热温度。另外，淬火温度还应考虑模具的形状尺寸、原始组织等因素。表9.1.1常用模具钢的相变点及淬火加热温度牌号Ac1或Ac3/淬火温度/牌号Ac1或Ac3/淬火温度/45T8ATl2A40cr60Si2Mn GCr5 7807307808207458208507708008308608408708208609SiCrCrl2MoV3Cr2W8VW6Mo5Cr4V2Wl8Cr4v77081081081082086088010001050105011001190123012601290（2）淬火时间的确定淬火加热时间通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，而统称为加热时间。影响加热时间的因素很多，如加热介质、钢的成分、炉温、工件的形状及尺寸、装炉方式及装炉量等。淬火加热时间参见有关热处理手册。 （3）淬火介质为了使钢获得马氏体组织，淬火时冷却速度必须大于临界冷却速度。但是。冷却速度过大又会使工件内应力增加。产生变形或开裂。工件淬火冷却时要使其得到合理的淬火冷却速度，必须选择适当的淬火介质。淬火介质种类很多，常用的淬火介质有水、NaCl（5%10%）水溶液、NaOH (10%一50%)水溶液以及各种矿物油等。模具淬火可以在水、油或空气中进行。（4）回火回火是紧接淬火的一道热处理工艺，大多数淬火模具钢都要进行回火。目的是稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，以满足不同模具的性能要求。决定模具回火后的组织和性能最重要的因素是回火温度。回火可分为低温、中温和高温回火。1）低温回火 钢大部分是淬火高碳钢和淬火高合金钢。经低温回火后得到回火马氏体，具有很高的强度、硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性。冷冲压、冷镦、冷挤压模具，需要相当高的硬度和耐磨性，常采用低温回火。2）中温回火 中温回火后模具的内应力基本消除，具有高的弹性极限、较高的强度和硬度、良好的塑性和韧性。中温回火主要用于热锻模具。3）高温回火 压铸模和橡胶模要求较高的强度和韧性，常采用高温回火，回火时间一般不少于1h。 4真空热处理在热处理时，被处理模具零件表面发生氧化、脱碳和增碳等效应，都会给模具使用寿命带来严重的影响。为了防止氧化、脱碳和增碳。利用真空作为理想的加热介质，制成真空热处理炉。零件在真空炉中加热后，将中性气体通入炉内的冷却室，在炉内利用气体进行淬火的为气冷真空处理炉，利用油进行淬火的为油冷真空处理炉。 近年来，真空热处理技术在我国发展较为迅速。它特别适合用于模具的热处理工艺。模具钢经过真空热处理后具有良好的表面状态，其表面不氧化、不脱碳，淬火变形小。而与大气下的淬火工艺相比，真空淬火后，模具表面硬度比较均匀，而且还略高一点。真空加热时，模具钢表面呈活性状态，不脱碳，不产生阻碍冷却的氧化膜。真空淬火后，钢的断裂韧度有所提高，模具寿命比常规工艺提高40%400%，甚至更高。模具真空淬火技术在我国已得到较广泛的应用。（1）真空热处理的特点1）因为在真空中加热和冷却，氧的分压很低，零件表面氧化作用得到抑制，从而可得到光亮的处理表面。2）在大气中熔炼的金属和合金，由于吸气而使韧性下降，强度降低，在真空热处理时，可使吸收的气体释放，从而增加了强度和韧性，提高了模具的使用寿命。3）真空热处理淬火变形小。如W6Mo5Cr4V2钢凸模真空热处理后，在氮气中冷却，变形实测结果表明，只要留0.08mm磨削余量即可。冷作模具钢制成的凹模，变形量为盐浴淬火变形量的1/31/5。 4）由于在密封条件下处理，有无公害和保护环境等优点。5）真空中的传热只是发热体的辐射，并非以对流、传导来传热、因此零件背面部分的加热有时会不均匀。（2）真空热处理设备真空热处理技术的关键是采用合适的设备(真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉)。真空加热最早采用真空辐射加热，后来逐步发展为真空辐射加热、负压载气加热、低温阶段正压对流加热等。1）真空退火炉 真空退火炉的真空度为10-210-3Pa，温度的升降应能自动控制。热处理工艺与非真空炉退火工艺基本相同。2）真空淬火炉 真空淬火分为油淬和气淬。油淬时，零件表面出现白亮层，其组织为大量的残余奥氏体，不能用560左右的一般回火加以消除，需要更高的温度(700800)才能消除。气淬的零件表面质量好，变形小，不需清洗，炉子结构也较简单。对于高合金或高速钢模具零件，应选用高压气淬炉。3）真空回火炉 对于热处理后不再进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火，特别是真空淬火的工件(模具)，它可以提高与表面质量相关的力学性能，如疲劳性能、表面光亮度、耐腐蚀性等。（3）真空热处理工艺真空热处理工艺也是真空热处理技术的关键。1）清洗 通常来用真空脱脂的方法。2）真空度 真空度是主要的工艺参数。在高温高真空下，模具钢中的合金元素容易蒸发，影响模具表面质量和性能。 3）加热温度 真空热处理的加热温度为10001100时，需要在大约800进行预热。加热温度为1200时，简单、小型模具可在850进行一次预热，大型、复杂模具可采用两次预热。第一次在500600；第二次在850左右。4）保温时间 真空中的加热速度比盐浴处理的加热速度慢，主要是由于传热方式以辐射为主。一般加热时间是盐浴炉加热时间的6倍左右，是空气炉加热时间的2倍左右。另外，恒温时间也应长于盐浴炉加热。5）冷却 真空冷却分油淬和气淬。油淬应使用特制的真空淬火油，气淬又分为负压气淬和高压气淬等。负压气淬由于负压气体冷却能力低，只能对小件实施淬火；高压气淬则可对大件实施淬火，现在国际上(56)×105Pa的单室真空高压气冷技术已得到普遍应用。加热的保护性气体和冷却所用气体主要是氨气、氮气、氦气、氢气。其冷却能力从大到小的顺序依次是氢气、氦气、氮气和氨气，其冷却能力之比为2.2：1.7：1：0.7。氮气和氦气的混合气氛比单纯氦气的冷却能力高。60%的氮气与40%的氦气的混合气氛相当于纯净氦气的冷却能力，这样不仅降低了价格，而且还达到了高的冷却能力。提高冷却能力的方法有冷却气体高压化、高速化，利用辐射冷却、优化工件放置方式等。9.1.2一些常用模具钢的真空热处理工艺牌号预热淬火回火温度/硬度/HRC温度/心真空度/Pa温度/ 真空度/Pa冷却介质9SiCr5006000.18508700.1油(40以上)170185 6163CrWMn500600 0.18208400.1油(40以上)17018562633CrW8V一次480520二次8008500.1105011000.1油或高纯氮气56058060064042473944Crl2MoV一次500550二次8008500.19801050108011200.1油或高纯氮气18024050054058606064W6Mo5Cr4V2一次500600二次8008500.111001150115012500.1油或高纯氮气20030054060058626266Wl8Cr4V一次500600二次8008500.110001100124013000.1油或高纯氮气180220540600586262669.1.2常用冷作模具钢热处理1.冷作模具的工作条件和对模具材料的性能要求 冷作加工是金属在室温下进行冲压、剪断或形变加工的制造工艺，如冷冲压、冷镦锻、冷挤压和冷轧加工等。由于各种冷作加工的工作条件不完全相同，因此对冷作模具材料的要求也不完全一致。 如在冲压过程中，被冲压的材料变形抗力很大，模具的工作部分，特别是刃口承受着强烈的摩擦和挤压，所以对冲裁、剪切、拉深、压印等模具材料的要求主要是高的硬度和耐磨性。同时模具在工作过程中还将受到冲击力的作用，要求模具材料也应具有足够的强度和适当的韧性。此外为便于模具制造，模具材料还要求有良好的冷热加工性能，包括退火状态下的可加工性、精加工时的可磨削性以及缎造、热处理性能等。 冷挤压时，模具整个工作表面除承受巨大的变形抗力和摩擦，在300左右，要求具有足够的强度和耐磨性，所以要求模具材料还应具有一定的红硬性和耐热疲劳性。2.碳素工具钢的热处理要求不太高的小型简单冷作模具可以采用碳素工具钢。应用较多的为T8A和Tl0A。Tl0A钢热处理后硬而耐磨，但淬火变形收缩明显；T8A钢韧性较好，但耐磨性稍差。除了碳元素以外，碳素工具钢不含有其他合金元素，因此其淬透性较差，常规淬火后硬化层仅有1.53mm。 碳素工具钢淬火后得到马氏体组织，使模具具有高硬度和耐磨性。如果淬火温度过高，会使奥氏体组织晶粒粗大，并导致马氏体组织粗大，增加了淬火变形开裂的可能性，力学性能降低；但是，若淬火温度太低，奥氏体组织不能溶入足够的碳，且碳浓度不能充分均匀化，则同样会降低其力学性能。碳素工具热处理工艺规范见有关热处理手册。3.低合金模具钢的热处理冷作模具常用的低合金工具钢有：CrWMn、9Mn2V、9SiCr、GCrl5等。此类钢是在碳素工具钢的基础上，加人了适量的Cr、W、Mo、V、Mn等合金元素。合金元素总含量低于5%为低合金工具钢。合金元素的加入提高了钢的淬透性以及过冷奥氏体的稳定性。因此，可以降低淬火冷却速度，减少热应力、组织应力以及淬火变形开裂的倾向。1）CrWMn CrWMn钢的硬度、强度、韧性、淬透性及热处理变形倾向均优于碳素工具钢。钢中W形成的碳化物硬度很高，耐磨性好，W还能细化晶粒。主要用作轻载荷冲裁模、拉深模及弯曲、翻边模。但其形成网状碳化物的倾向大，不宜制作大截面模具。CrWMn钢一般需要进行球化退火处理，球化退火工艺规范如图9.1.3所示。 图9.1.3 CrWMn钢球化退火工艺规范 图9.1.4 9SiCr钢球化退火工艺规范CrWMn钢的淬火温度一般为820840，油冷，4060mm尺寸的工件油冷能够淬透。回火温度一般为170200，回火后硬度可以达到6062HRC左右。淬火及低温回火后含有较多碳化物，具有较高的硬度和耐磨性。但在250350回火时，其韧性降低，应予避免。2) 9Mn2V钢 9Mn2V钢是不含有Cr、Ni等较贵重元素的经济性低合金模具钢。由于含有少量的V，细化了钢的晶粒，减小了钢的过热敏感性。该钢冷加工性能和热处理工艺良好，变形开裂倾向小。但其淬透性、淬硬性、回火抗力、强度等性能不如CrWMn钢。适合用于尺寸较小的冷冲模、冷压模、雕刻模、落料模等。主要热处理工艺如下：等温退火工艺：750780，保温35h，等温温度670700，保温46h。淬火工艺：淬火温度780820，油冷，硬度61HRC以上。回火工艺:：回火温度150200，空冷，硬度5962 HRC。回火温度在200300时有回火脆性存在，应避免在此温度范围回火。3）9SiCr钢 9SiCr钢在我国有悠久的使用历史。钢中含有Cr和Si，提高了钢在贝氏体转变区的稳定性，Si还可细化碳化物，有利于提高耐磨性、回火稳定性和塑性变形能力，淬透性较好，适合进行分级淬火或等温淬火，有利于防止模具淬火变形开裂。该钢主要用作中小型轻负荷冷作模具，如冷冲模、冷挤压模及打印模等。其主要热处理工艺如下：退火工艺：780810，保温24h，等温温度700720，保温46h（图9.1.4）。淬火工艺：淬火温度860880，油冷，硬度6265HRC。回火工艺；回火温度180200，空冷，硬度6062HRC。回火温度在200300有回火脆性存在，应避免在此温度范围回火。4.高合金模具钢的热处理高合金模具钢有含高铬和中铬工具钢、高速钢、基体钢等。此类钢含有较多的合金元素，具有淬透性好、耐磨性高及淬火变形小等特点，广泛用作承受负荷大、生产批量大、耐磨性要求高及形状复杂的模具。（1）高碳高铬钢 此类钢的成分特点是高铬量、高碳量，是冷作模具钢中应用范围最广、数量最大的。代表性钢号有Crl2、Crl2MoV、Crl2MolVl (D2)、Crl2W等。 该类钢锻后通常采用球化退火处理，退火后硬度为207255HB。常用的淬火工艺为： 1）较低温度淬火 将Crl2钢加热到960980，油冷，淬火后硬度为62HRC以上。对Crl2MoV钢，淬火温度为10201050，油冷，淬火后硬度为62HRC以上。采用此种方法可使钢获得高硬度、高耐磨性和高精度尺寸，用于制作冷冲压模具。2）较高温度淬火及多次高温回火 对Crl2钢，加热到10501100，油冷，淬火后硬度为4250HRC。对Crl2MoV钢，淬火温度为11001150，油冷，淬火后硬度为4250HRC。较高温度淬火加上多次高温回火，可以使钢获得高红硬性和耐磨性，用于制作高温下工作的模具。 Crl2型钢淬火后应及时回火，回火温度可以根据要求的硬度而定。对于要求高硬度的冷冲压模具，回火温度在150170之间，回火后硬度在60HRC以上。对要求较高强度、硬度和一定韧性的冷冲压模具，回火温度取250270，回火后硬度为5860HRC。对于要求高冲击韧性和一定硬度的冷冲压模具，回火温度可以提高到450左右，回火后硬度为5558HRC, Crl2型钢要避开275375的回火脆性区。(2)高碳中铬钢 主要有Cr6WV钢、Cr4W2MoV钢、Cr6MolV钢。(3)高速钢 铜或铝零件冷挤压时，模具受力不太剧烈，一般可以采用Crl2型模具钢。但黑色金属冷挤压时，受力剧烈，工作条件十分恶劣，对模具提出了更高的要求。因此需要采用更高级的模具钢，如高速钢来制造模具。高速钢热处理后具有高的硬度和抗压强度、良好的耐磨性，能满足较为苛刻的冷挤压条件。常用的冷挤压高速钢有W6 Mo5 Cr4 V2钢、Wl8Cr4V钢、6W6Mo5Cr4V钢。Wl8Cr4V钢具有良好的红硬性，在600时仍具有较高的硬度和较好的韧性，但其碳化物较粗大，强度和韧性随尺寸增大而下降。W6Mo5Cr4V2钢具有良好的红硬性和韧性，淬火后表面硬度可以达到6466HRC，是一种含Mo低W的高速钢，其碳化物颗粒较为细小，分布较均匀，强度和韧性较Wl8Cr4V钢为好。大多数高速钢制作的冷挤压（包括冷镦）模具，可以采用略低于高速钢刀具淬火温度的温度进行淬火，如Wl8Cr4V钢采用12401250，W6 Mo5 Cr4 V2钢采用11801200，然后在560进行三次回火。对于一些细长或薄壁的模具，要求有很高的韧性，则可以进一步降低淬火温度，以提高其使用寿命。但低温淬火后，高速钢抗压强度降低，不能用于高负荷模具，也会使耐磨性降低。表9.1.3常用冷挤压高速钢经过淬火和不同温度回火热处理后的硬度和冲击韧性。表9.1.3常用冷挤压高速钢经过淬火和不同温度回火热处理后的硬度和冲击韧性牌号淬火温度/硬度/HRC无缺口冲击韧性/kgf·cm-2500回火530回火550回火580回火500回火530回火550回火580回火6W6Mo5Cr4VWl8Cr4VW6Mo5Cr4 V212001260122060.964.463.562.364.464.862.363.865.360.66362.85.72.05.32.76.33.43.25.73.63.59.1.3热作模具钢热处理1.热作模具的工作条件和对模具材料的性能要求热作模具主要用于热压力加工（包括锤模锻、热挤压、热镦锻、精密锻造、高速锻造等)和压力铸造，也包括塑料成型。 热锻模，承受着较大的冲击载荷和工作压力，模具的型腔除产生剧烈的摩擦外，还经常与被加热到10501200高温的毛坯接触，型腔表面温度一般在400以上，有时能达到600700，随后又经水、油或压缩空气对锻模进行冷却，这样冷热反复交替使模具极易产生热疲劳裂纹。因此要求热锻模材料要具有较高的高温强度和热稳定性(即红硬性)、适当的冲击韧性和尽可能高的导热性、良好的耐磨性和耐热疲劳性，在工艺性能方面具有高的淬透性和良好的切削加工件能。近年来被推广的热挤压、热镦锻、精密锻造、高速锻造等先进工艺，由于模具的工作条件比一般热锻模更为恶劣，因此对模具材料提出了更高的要求。这些模具在工作时需长时间与被变形加工的金属相接触，或承受较大的打击能量，模具型腔的受热程度往往比锤锻模具高，承受的负荷也比锤锻模大，尤其是黑色金属挤压和高速锻造，模具型腔表面温度通常在700以上，高速锻造时，型腔表面的加热速度为20004000/s，温度可达950左右，造成模具寿命显著下降。所以特别要求模具材料要有高的热稳定性和高温强度、良好的耐热疲劳特性能以及高的耐磨性。2.锤锻模具的热处理常用作锤锻模的钢种有5CrNiMo, 5CrMnMo, 5CrMnSiMoV等。5CrNiMo钢具有高的淬透性，良好的综合力学性能，主要用作形状复杂、冲击负荷大的较大型锻模。5CrMnMo钢中不含有Ni，以Mo代替Ni不降低强度，但塑性和韧性降低，适于制造中型锻模。5CrNiMo钢的淬火温度通常采用830860。由于淬透性高，奥氏体稳定性大，冷却时可采用空冷、油冷、分级淬火或等温淬火。一般是淬火前先在空气中预冷至750780，然后油冷到150180左右出油，再行空冷。模具淬火后要立即回火，以防止变形与开裂。 一般热锻模回火后的硬度无需太高，以保证所需的韧性。生产上对不同尺寸的热锻模有不同硬度要求，因而回火温度也应不同，如小型模的硬度要求4447HRC，回火温度可选择在190510；中型模的硬度要求3842HR，回火温度为520540；大型模具要求3437HRC，回火温度为560580。模具淬火后内应力较大，回火加热时应缓慢升温或预热(350400)均匀后，升至所需的回火温度，保温时间不少于3h。 3.热挤压及压铸等模具的热处理热挤压及压铸等模具要求模具钢有较高的高温性能，如热强性、热疲劳、热熔损、回火抗力及热稳定性等。因此，此类钢含有较多的Cr、W、Si、Mo、V等元素，以保证拥有以上性能。我国标准中应用最多的代表性牌号有3Cr2W8V、4Cr5MoSiVl、4Cr5MoSiV、4Cr3Mo3SiV、 4Cr5W2VSi等。3Cr2W8V钢虽然只含有0.3%0.4%C，但由于钨、铬含量高，组织上仍属于过共析钢。其工艺性能、热处理规范与Crl2MoV钢颇为类似。退火工艺为830850保温34h，常用的淬火处理温度为10501150，除缓慢加热外，大件或复杂模具应在800850预热均温，回火时也有二次硬化现象，回火选择550620的高温回火。 3Cr2W8V钢广泛用做黑色和有色金属热挤压模以及Cu、Al合金的压铸模。这种钢的热稳定性高，使用温度达650，但钨系热作模具钢的导热性低，冷热疲劳性差。我国在20世纪80年代初引进国外通用的铬系热作模具钢H13(4Cr5MoSiVl)，Hl3钢的合金含量比3Cr2W8V钢低，但淬透性、热强性、热疲劳性、韧性、塑性都比前者好，在使用温度不超过600时，代替3Cr2W8V钢，模具寿命有大幅度提高，因此H13钢迅速得到推广应用。 H13钢的热处理工艺为：退火温度800840，保温36h，以30/h冷至500以下空冷，也可以采用球化退火工艺。淬火温度为10401080，油冷至500550后出油空冷。回火温度为580620，保温23，回火2次。经上述工艺处理后的H13钢模具硬度为4451HRC。9.1.4塑料模具钢热处理塑料制品已在工业及日常生活中得到广泛应用。塑料模具已向精密化、大型化方向发展，对塑料模具钢的性能要求越来越高。塑模钢的性能应根据塑料种类、制品用途、成型方法和生产批量大小而定。一般要求塑料模具钢有良好的综合性能，对模具材料的强度和韧要求不如冷作和热作模具高，但对材料的加工工艺性能要求高，如热处理工艺简便、处理变形小或者不变形、预硬状态的切削加工性能好、镜面抛光性能和图案蚀刻性能优良等。塑料模具钢所要求的基本性能如下：1)综合力学性能 成型模具在工作过程中要受到不同的温度、压力、侵蚀和磨损用。因此要求模具材料组织均匀，无网状及带状碳化物出现，热处理过程应具有较小的氧化、脱碳及畸变倾向，热处理以后应具有一定的强度。为保证足够的抗磨损性能，许多塑料模具经调质后再进行渗氮或镀铬等表面强化处理。2)切削加工性能 对于大型、复杂和精密的注射模具，通常预硬化到2835HRC之间，再进行切削和磨削加工，至所要求的尺寸和精度后再投人使用，从而排除热处理变形、氧化和脱碳的缺陷。因此常用加入易切削元素S、Co和稀土，以改善预硬的切削加工性能。3)镜面加工性 能做光盘和塑料透镜等塑料制品的表面粗糙度要求很高，主要由模具型腔的粗糙度来保证。一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一级。模具钢的镜面加工性能与钢的纯洁度、组织、硬度和镜面加工技术有关。高的硬度、细小而均匀的显微组织、非金属夹杂少，均有利于镜面抛光性提高。镜面抛光性要求高的塑料模具钢常采用真空熔炼、真空除气。4)图案蚀刻性能 某些塑料制品表面要求呈现清晰而丰满的图案花纹，皮革工业中大型皮纹压花版，都要求模具钢有良好的图案光刻性能。图案光刻性能对材质的要求与镜面抛光性能相似，钢的纯洁度要高，组织要致密，硬度要高。5)耐蚀性能 含氯和氟的树脂以及在ABS树脂中添加抗燃剂时，在成型过程中将释放出有腐蚀性的气体。因此，这类塑料模具要选用耐蚀塑料模具钢，或镀铬，或采用镍磷非晶态涂层。另外，还要求塑料模具钢有良好的预硬化性能、较高的冷压性能和补焊性能等。 塑料模具钢根据化学成分和使用性能，可以分为：渗碳型、预硬化型、耐蚀型、时效硬化型和冷挤压成形型等。它们的热处理分述如下。1.渗碳型塑料模具钢的热处理受冲击大的塑料模具零件，要求表面硬而心部韧，通常采用渗碳工艺、碳氮共渗工艺等来达到此目的。 一般渗碳零件可采用结构钢类的合金渗碳钢，其热处理工艺与结构零件基本相同。对于表面质量要求很高的塑料模具成型零件，宜采用专门用钢。热处理的关键是选择先进的渗碳设备，严格控制工艺过程，以保证渗碳层的组织和性能要求。 渗碳或碳氮共渗工艺规范可参考热处理行业工艺标准：JB/T3999-1999钢的渗碳与碳氮共渗淬火回火处理。常用渗碳型橡塑模具钢有20、20Cr、l2CrNi2、l2CrNi3、l2Cr2Ni4、20Cr2Ni4钢等。1）l2CrNi3钢 l2CrNi3钢是传统的中淬透性合金渗碳钢，冷成形性能属中等。该钢碳含量较低，加入合金元素镍、铬，以提高钢的淬透性和渗碳层的强韧性，尤其是加入镍后，在产生固溶强化的同时，可明显提高钢的塑性。该钢的锻造性能良好，锻造加热温度为1200，始锻温度1150，终锻温度大于850，锻后缓冷。l2CrNi3钢主要用于冷挤压成形复杂的浅型腔塑料模具，或用于切削加工成形的大、中型塑料模具。采用切削加工制造塑料模具，为了改善切削加工性能，模坯需经正火处理。采用冷挤压成形型腔，锻后必须进行软化退火工艺。12CrNi3钢采用气体渗碳工艺时，加热温度为900920，保温67h，可获得0.91.0mm的渗碳层，渗碳后预冷至800850直接油冷或空冷淬火，淬火后表层硬度可达5662HRC，心部硬度为250380HBS。2）20Cr2Ni4钢 20Cr2Ni4钢为高强度合金渗碳钢，有良好的综合力学性能，其淬透性、强韧性均超过l2CrNi3钢。该钢锻造性能良好，锻造加热温度为1200始锻温度为1150，终锻温度大于850，锻后缓冷。2.预硬化型塑料模具钢的热处理预硬型塑料模具钢是指将热加工的模块，预先调质处理到一定硬度(一般分为10HRC、20HRC、30HRC、40HRC四个等级)供货的钢材，待模具成形后，不需再进行最终热处理就可直接使用，从而避免由于热处理而引起的模具变形和开裂，这种钢称预硬化钢。预硬化钢最适宜制作形状复杂的大、中型精密塑料模具。常用的预硬型橡塑模具钢有3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMo(P4410)、8Cr2MnWMoVS、4Cr5MoSiVl、P20SRe、5NiSCa等。1) 3Cr2Mo钢 3Cr2Mo(现为SM3Cr2Mo)钢是最早列入标准的预硬化塑料模具钢，相当于美国P20钢，同类型的还有瑞典(ASSAB)的718、德国的40CrMnMo7、日本的HPM2钢等。3Cr2 Mo钢是GB/T 1299-1985中惟一的塑料模具钢，主要用于聚甲醛、ABS塑料、醋酸丁酸纤维素、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PEF)、聚乙烯(DPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等热塑性塑料的注射模具。我国某厂推荐的3Cr2Mo钢的强韧化热处理工艺：淬火温度840880，油冷；温度600650，空冷，硬度2833HRC。美国标准(AISI, SAE)推荐的P20钢渗碳后的热处理工艺：淬火温度820870，回火温度150260，空冷，硬度5864HRC (渗碳层表面硬度)。 2）8Cr2MnWMoVS (8Cr2S)钢 为了改善预硬化钢的切削加工性，在保证原有性能的前提下添加一种或几种易切削合金元素，成为一种易切削型的预硬化钢。8Cr2S钢是我国研制的硫系易切削预硬化高碳钢，该钢不仅用来制作精密零件的冷冲压模具，而且经预硬化后还可以用来制作塑料成型模具。此钢具有高的强韧性、良好的切削加工性能和镜面抛光性能，具有良好的表面处理性能，可进行渗氮、渗硼、镀铬、镀镍等表面处理。8Cr2S钢热处理到硬度为4042HRC时，其切削加工性相当于退火态的Tl0A钢(200HBS)的加工性。综合力学性能好，可研磨抛光到Ra0.025µm，该钢有良好的光刻浸蚀性能。8Cr2S钢的淬火加热温度为860920,油冷淬火、空冷淬火或在240280硝盐中等温淬火都可以。直径100mm的钢材空冷淬火可以淬透，淬火硬度为6264HRC。回火温度可在550620温度范围内选择，回火硬度为4048HRC。因加有S，预硬硬度为4048HRC的8Cr2S钢坯，其机械加工性能与调质到30HRC的碳素钢相近。3.时效硬化型塑料模具钢的热处理对于复杂、精密、高寿命的塑料模具，模具材料在使用状态必须有高的综合力学性能，为此，必须采用最终热处理。但是，采用一般的最终热处理工艺，往往导致模具的热处理变形，模具的精度就很难达到要求。而时效硬化型橡塑模具钢在固溶处理后变软(一般为2834HRC)，可进行切削加工，待冷加工成形后进行时效处理，可获得很高的综合力学性能。时效热处理变形很小，而且该类钢一般具有焊接性能好，可以进行渗氮等优点。适合于制造复杂、精密、高寿命的塑料模具。时效硬化型塑料模具钢有马氏体时效硬化钢和析出（沉淀）硬化钢两大类。1)马氏体时效硬化钢 马氏体时效硬化钢有屈强度比高、切削加工性和焊接性能良好、热处理工艺简单等优点。典型的钢种是18Ni系列，屈服强度可高达14003500MPa。这一类钢制造模具虽然价格昂贵，但由于使用寿命长，综合经济效益仍然很高。 2)析出(沉淀)硬化钢 析出硬化型钢也是通过固溶处理和沉淀析出第二相而强化，硬度在3743HRC左右，能满足某些塑料模具成型零件的要求。市场以40HRC级预硬化供应，仍然有满意的切削加工性。这一类钢的冶金质量高，一般都采用特殊冶炼，所以纯度、镜面研磨性、蚀花加工性良好，使模具有良好的精度和精度保持性。其焊接性好，表和心部的硬度均匀。析出硬化型塑料模具钢的代表性钢号有25CrNi3MoAl，属低碳中合金钢，相当于美国P21钢。析出硬化型钢制的模具零件还可通过渗氮处理进一步提高耐磨性、抗咬合能力和模具使用寿命。 4.耐腐蚀型塑料模具钢的热处理生产对金属有腐蚀作用的塑料制品时，工作零件采用耐蚀钢制造。常用钢种有Crl3型和9Crl8钢等可强化的马氏体型不锈钢。9.1.4耐腐蚀塑料模具钢的热处理规范序号钢号热处理硬度备注1Crl3系列 9801050油冷，650700回火，油冷。可进行渗氮提高表面硬度和耐磨性,但耐蚀性会下降229341HBS29crl8 850预热，10501100奥氏体化油冷,80冷处理，160260回火3H，130140去应力退火1520h5862HR 3S-STAR第一次预热500，第二次预热80，奥氏体化温度10201070，空冷、油冷或气冷均可，回火：要求酎蚀性，200400回火,按6090min/25mm;要求高硬度，490510回火,按5090min/25mm 精度保持要求高的模具零件需进行冷处理 以预硬化钢交货, 3134HRC；淬火回火态交货,229HBS日本大同特特钢公司 需要指出的是，用现有不锈钢标准的钢号制作高镜面要求的塑料模具钢成型零件，其表面质量的要求是难以满足的。因此开发了耐腐蚀镜面塑料模具钢。例如已进入中国市场的法国CLC2 316 H钢(同类型的德国X36CrMol7)，是预硬化型的抗腐蚀镜面塑料模具钢。 耐腐蚀塑料模具钢零件的热处理与一般不锈钢制品的热处理基本相同，其热处理工艺可以参考我国行业标准:热处理工艺标准在ZB/T36017一1990不锈钢和耐热钢热处理。9.2模具的表面化学热处理化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化性等性能。几乎所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。化学热处理