芻議高速鋼模具的熱處理工藝

黃祖平

(江門市新會岡州職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 江門 529100）

從20世紀(jì)60年代日本以汽車工業(yè)為中心試用高速鋼做模具取得成功后，高速鋼模具使用經(jīng)久不衰，主要是由于高速鋼具有超硬材料所不能比擬的韌性及優(yōu)良的可加工性。同時(shí)也由于高速鋼比超硬材料成本低廉，具有比碳素鋼、低合金鋼、鉻模具鋼更優(yōu)良的熱硬性及耐磨性能的緣故。在現(xiàn)代模具中，高速鋼模具仍占有很重要的位置，而高速鋼用于模具的主要工藝難點(diǎn)在于熱處理技術(shù)。

1 高速鋼模具的預(yù)熱

高速鋼模具第一次預(yù)熱一般是在空氣爐中進(jìn)行，主要是起烘干工件的作用。顯然第一次預(yù)熱看起來要比第二次預(yù)熱的重要性差一些，但不論從操作安全角度來看，還是從工件的均勻加熱來看，第一次預(yù)熱仍然是必要的。第一次預(yù)熱采用的溫度，大致在500～600℃之間。其加熱時(shí)間是根據(jù)工件的有效厚度，為1～2分鐘/毫米。為了和高溫爐的生產(chǎn)效率相協(xié)調(diào)，一般是將第一次預(yù)熱的爐膛加大，其預(yù)熱的工件數(shù)，是高溫爐加熱工件數(shù)的10倍以上。

第二、次預(yù)熱一般是在鹽浴爐中進(jìn)行，溫度常為800-900℃。對于精度要求低、形狀簡單的工件，可采用預(yù)熱溫度的上限，反之取預(yù)熱溫度的下限。對于含鈷高速鋼，一般推薦用950℃預(yù)熱，而對于要嚴(yán)格防止脫碳的工件，可采用較低溫度，即750℃左右，或705～790℃。第二次預(yù)熱時(shí)間，大致是高溫加熱時(shí)間的一倍。一般來說，第一次預(yù)熱，第二次預(yù)熱與高溫加熱時(shí)間按一定比例進(jìn)行計(jì)算，一般為：高溫加熱：第二次預(yù)熱：第一次預(yù)熱=1：2：3或1：3：5。

預(yù)熱是整個(gè)加熱過程的一部分，如果將預(yù)熱工藝和最后加熱工藝互相適當(dāng)調(diào)整，即使改變預(yù)熱溫度，也不會致對工件的淬火加熱產(chǎn)生很大影響。僅從這個(gè)角度來看，我們可以認(rèn)為具體選定的預(yù)熱溫度，一般不會對工件質(zhì)量產(chǎn)生重大作用。但在熱處理生產(chǎn)線中，如果只注意最后高溫加熱溫度和時(shí)間的控制，而不注意預(yù)熱這一環(huán)節(jié)，則其爐溫或時(shí)間的變化，勢必影響最終熱處理質(zhì)量，可能給工件性能帶來很大影響。

2 高速鋼模具的加熱溫度

高速鋼的合金元素溶解量多少，取決于淬火加熱溫度的高低。在選擇高速鋼的淬火加熱溫度時(shí)，首先要考慮鋼的化學(xué)成分，不同型號高速鋼，有其規(guī)定的加熱溫度范圍。在這個(gè)前提下，由于對工件有各種不同的要求及尺寸形狀，所以具體選定時(shí)要更為復(fù)雜些。通常，我們應(yīng)根據(jù)下述原則來確定加熱溫度。

(1)在保證必要的熱硬性前提下，應(yīng)適當(dāng)降低加熱溫度。另外對于精度要求很高的工件，為了減少變形，也應(yīng)適當(dāng)降低加熱溫度。

(2)鋼材碳化物偏析級別也影響加熱溫度。對于大型工件，即使經(jīng)過鍛造，也不易使其材質(zhì)分布充分均勻，尤其是心部，更是如此。這種碳化物不均勻度過大的鋼件在加熱時(shí)，為了防止開裂，宜采用下限加熱溫度，而加熱時(shí)間可適當(dāng)延長。對碳化物不均勻度大的鋼件，如采用上限溫度加熱，則奧氏體晶粒易于長大，因而降低了工件的強(qiáng)度和韌性。而且在碳化物堆集處，由于含碳量高，如采用上限加熱溫度，容易產(chǎn)生過熱，同樣會降低鋼材的強(qiáng)度和韌性。還有，由于碳化物分布不均勻，造成奧氏體的合金度不一樣，以致使Ms點(diǎn)不一致，于是馬氏體轉(zhuǎn)變有前有后，增加了工件的組織應(yīng)力。這些都是形成工件變形和開裂的重要因素。

（3）根據(jù)工作條件來選擇加熱溫度。這可從以下幾個(gè)方面來考慮：對于截面小的模具，在使用過程中，往往感到強(qiáng)度不足，一般導(dǎo)致因熱硬性不高而造成損壞。為了使工件具有綜合的機(jī)械性能，應(yīng)采用較低的淬火溫度，以便于得到足夠的強(qiáng)度，并保持一定的熱硬性。對于截面積較大、承受單位載荷較小的工件，強(qiáng)度不致發(fā)生問題，故宜采用較高的淬火溫度，以求提高其熱硬性。對于工件刃部工作時(shí)受熱較高，但沖擊載荷小、形狀簡單的模具，則宜采用較高的淬火溫度，以期獲得較高的熱硬性。

（4）對于不同產(chǎn)地的鋼材，應(yīng)選擇不同淬火溫度，例如國內(nèi)大連鋼廠、大冶鋼廠、上鋼五廠的高速鋼，可采用較高的加熱溫度。

3 高速鋼模具的加熱時(shí)間

我們認(rèn)為加熱時(shí)間，從定義上講，應(yīng)包括三部分，即壓溫時(shí)間、透燒時(shí)間和保溫時(shí)間。當(dāng)然尺寸不大的工件，壓溫現(xiàn)象不明顯。但我們認(rèn)為在實(shí)際情況下的鹽浴中加熱，即使是小工件，在成批生產(chǎn)條件下，也應(yīng)考慮壓溫時(shí)間，否則將影響熱處理質(zhì)量。所謂壓溫時(shí)間系指在大批量生產(chǎn)過程中，成批工件裝入爐內(nèi)，迫使高溫爐降溫，然后又逐漸回升到規(guī)定的溫度那一段加熱時(shí)間?？紤]壓溫時(shí)間，實(shí)質(zhì)上就是考慮裝爐方法、裝爐量的多少、加熱溫度的高低、高溫爐的功率大小、爐膛形式以及預(yù)熱溫度的高低。對透燒時(shí)間，主要考慮工件的形狀及大小。而對保溫時(shí)間，主要考慮鋼的化學(xué)成分以及碳化物的形狀和分布狀況。

4 高速鋼模具的淬火

在淬火過程中，冷卻是一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。淬火冷卻方法必須根據(jù)工件的形狀和尺寸等條件進(jìn)行選擇。高速鋼的淬火冷卻方式目前主要有三種，即氣冷、油冷、鹽浴冷卻。目前在我國采用鹽浴冷卻最為普遍。筆者在此談?wù)劶訜岷屠鋮s過程中工件溫度的變化。熱處理過程中，工件本身溫度與工藝規(guī)定溫度之間，必然存在著一定的差別，而且同一工件的各個(gè)部位也存在著差別。當(dāng)工件在加熱時(shí)，表面要比內(nèi)部升溫快，通過預(yù)熱及爐中的停留，可使工件的表面和內(nèi)部的溫度基本趨于一致。而在冷卻過程中，由于工件表面降溫快，所以內(nèi)部的溫度要比外部的溫度高。而通過某一溫度鹽浴的分級和等溫，可使工件的表面和內(nèi)部的溫度差減少。這些具體問題，不論在編制熱處理工藝，還是在熱處理操作中，都必須充分考慮。

分級淬火指將工件加熱后淬入溫度高于Ms點(diǎn)的熱浴中，進(jìn)行短時(shí)間的停留，使工件各部位的溫度趨于一致，然后通過空冷獲得馬氏體及殘余奧氏體組織。對于高速鋼而言，就是將工件從高溫爐中出爐后，放入溫度處于高速鋼奧氏體穩(wěn)定性最大的溫度區(qū)之內(nèi)的鹽浴中，進(jìn)行短時(shí)間停留，然后在空氣中冷卻。這是避免油中冷卻工件變形較大而采取的一種冷卻方式。高速鋼分級淬火時(shí)，因?yàn)樵贛s點(diǎn)以下是空冷，內(nèi)應(yīng)力大為減少，另外采用此法時(shí)，殘余奧氏體量增多，與油淬相比，要增加2～3成，殘余奧氏體在回火過程中，也有利于減少內(nèi)應(yīng)力，可以使工件開裂、變形減少，而強(qiáng)度、韌性有所提高。高速鋼油淬與分級淬火的主要區(qū)別就在殘余奧氏體的數(shù)量不同。也就是說分級淬火時(shí)，Ms點(diǎn)升高，淬火馬氏體量減少，而殘余奧氏體量增多。

5 高速鋼模具的回火

回火是緊接著淬火后的一項(xiàng)重要熱處理操作，也往往是工件在整個(gè)熱處理操作過程中最后的一項(xiàng)操作，高速鋼模具高溫淬火后一般需在一次硬化范圍內(nèi)回火三次，以獲得高硬度和熱硬性，回火操作進(jìn)行的正確與否，對于工件的使用性能，同樣具有重要意義。在高速鋼的回火工藝中，應(yīng)當(dāng)充分注意回火溫度、保溫時(shí)間以及加熱和冷卻方法。下面重點(diǎn)研究回火溫度。淬火后的高速鋼，加熱至400～475℃以下，雖然物理性能及機(jī)械性能。發(fā)生顯著變化，但在光學(xué)顯微鏡下的金相組織并未發(fā)生變化。因?yàn)?00～475℃以下的回火，其組織仍為未溶碳化物、殘余奧氏體及析出少量s相或滲碳體的回火馬氏體。由于滲碳體碳化物顆粒大，不可能產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，故硬度將下降。而當(dāng)加熱到500～650℃保溫一段時(shí)間后，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀龃罅考?xì)小合金碳化物的回火馬氏體，殘余奧氏體冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這就是使鋼獲得二次硬化的回火。溫度再上升，則彌散碳化物開始集聚長大，導(dǎo)致硬度再次下降?？梢娀鼗饻囟葘Ω咚黉摰慕M織及性能的影響是很大的。

結(jié)語

高速鋼模具的熱處理工藝質(zhì)量的好壞對其性能和使用壽命的影響甚大。本文對高速鋼模具的熱處理工藝進(jìn)行了粗淺的論述，其目的是為了使大家更多地認(rèn)識高速鋼模具熱處理工藝的發(fā)展，從而在提高高速鋼模具的強(qiáng)度、韌性、冷熱疲勞性能、抗磨損性能，降低制造成本，提高使用性能等方面做出貢獻(xiàn)。

[1]吳連海.高速鋼模具的熱處理工藝研究[J].科技資訊，2011，(27):59-59.

[2]李東和.深冷處理工藝及其在高速鋼模具中的應(yīng)用[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25(3):333-334.