關(guān)于沖壓模具常用金屬材料及其熱處理工藝研究

王存邦

（華東冶金地質(zhì)勘查局超硬材料研究所，安徽 馬鞍山 243000）

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，都離不開模具的使用，而相關(guān)的材料使用是模具制造的基礎(chǔ)條件，模具主要可以分為冷作和熱作以及塑料模具鋼，在冷作模具中主要分為冷沖壓和擠壓以及沖裁等類型，而且在進(jìn)行分離和切削的過程中，會(huì)導(dǎo)致溫度變高，還有在沖擊和摩擦等作用力的影響下，容易產(chǎn)生變形和斷開等問題，所以在材料的選用方面，必須具有很好的耐磨和抗變形能力，由此可見，不同的模具制造對(duì)于材料的要求不同，因而要根據(jù)對(duì)應(yīng)的材料的性質(zhì)和特點(diǎn)，選用合適的方法進(jìn)行，并且結(jié)合熱處理工藝，來提高工作質(zhì)量和精度。

1 沖壓模具常用的金屬材料

1.1 碳素鋼

這種類型的材料現(xiàn)階段產(chǎn)量較大，不僅鍛造和可塑性較強(qiáng)，而且在熱處理的退火后，容易軟化，可以及時(shí)地進(jìn)行下一道工序，節(jié)約時(shí)間，提高工作效率，但是其強(qiáng)度較低，需要進(jìn)行切削加工處理，造價(jià)成本較低。主要的缺點(diǎn)表現(xiàn)在這幾個(gè)方面：一是淬透性不夠，在熱處理時(shí)需要使用水作為冷卻介質(zhì)，極易引發(fā)變形問題。二是只適合用來制造一些較為簡(jiǎn)單、規(guī)格較小，且受力少的模具中，因而不適合精度要求較高的模具制造中[1]。

1.2 高碳高鉻

這個(gè)材料的耐磨性和淬透性都較好，所以在熱處理中不易產(chǎn)生變形問題，通常情況下被運(yùn)用于耐磨性和微變形模具的制造中，但是材料承受的負(fù)載和壓力較小，還有其中存在的碳化物，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏析問題，在進(jìn)行沖壓操作中，需要進(jìn)行反復(fù)的改鍛和鐓拔作業(yè)，從而保證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻。

1.3 高速鋼

主要是運(yùn)用添加鉬元素進(jìn)行鍛造而制成的材料，它有很好的熱塑性和韌度在冷作模具的生產(chǎn)和制造中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，在高速鋼中有一種硬度較強(qiáng)的鋼材料，利用特殊工藝來提高材料的硬度，但是其韌性較差，加工難度較大，運(yùn)用這類材料來快速提升碳含量，當(dāng)產(chǎn)生的數(shù)量較多時(shí)，就會(huì)引起過燒問題。

1.4 基礎(chǔ)鋼

主要是由于高速鋼本身存在的問題，利用添加別的元素方式來彌補(bǔ)材料的不足之處，從而改變其基礎(chǔ)的碳含量，從而提升材料性能，適用于冷模具制造中強(qiáng)韌材料的使用，具有高速高和超硬鋼材料的優(yōu)點(diǎn)，成本低。

1.5 合金材料

其硬度和耐磨性能都較好，但是強(qiáng)度和韌性相對(duì)較差，根據(jù)這個(gè)情況，可以使用一定的黏合劑進(jìn)行加工，主要由鐵粉和合金粉末材料，從而使得形成硬質(zhì)合金材料，工藝開展過程中，可以運(yùn)用焊接和切削以及熱處理的根方式進(jìn)行[2]。

2 熱處理工藝

2.1 退火

主要是將相關(guān)的材料加熱到合適的溫度后，再進(jìn)行保溫處理和緩慢冷卻。

2.2 正火

將鋼材料加熱到合適的溫度時(shí)，并且在保溫一段時(shí)間后，利用空冷的方式進(jìn)行冷卻。

2.3 淬火

將鋼加熱到相變溫度以上，并且在保溫后進(jìn)行快速冷卻，從而獲得對(duì)應(yīng)的馬氏體組織。

2.4 回火

將淬火后的工件進(jìn)行重新加熱，在低于臨界溫度時(shí)進(jìn)行保溫，并且進(jìn)行冷卻。

3 熱處理方法

3.1 真空熱處理

主要是根據(jù)不同材料在常溫固態(tài)下的特點(diǎn)和性能，將工件放置在真空介質(zhì)中進(jìn)行加熱處理，使得在達(dá)到一定的溫度后，進(jìn)行保溫和冷卻處理，它具備節(jié)能環(huán)保和無污染特點(diǎn)，并且在這個(gè)方法處理下的變形問題出現(xiàn)較少，且質(zhì)量較高，其具體的是利用各種金屬元素在真空介質(zhì)中加熱的蒸發(fā)作用，來實(shí)現(xiàn)凈化處理，從而進(jìn)行無氧化和少量碳化物的加熱，并且結(jié)合脫氣作用，來提高材料的性能和質(zhì)量。但是要注意的是在溫度達(dá)到九百攝氏度以前，先進(jìn)行真空的抽氣，在一定的壓強(qiáng)下，然后進(jìn)行加熱和預(yù)熱，要控制好溫度和時(shí)間，當(dāng)溫度出現(xiàn)勻速下降時(shí)，可以降低充氣壓力[3]。

3.2 深冷方式

主要是以液氮作為冷卻劑，在較低的溫度下，對(duì)工件進(jìn)行處理，可以分為液體和氣體兩種。前者是直接將工件放于材料中，并且在零下一百五十度進(jìn)行處理，因而對(duì)于工件的沖擊力較大，容易引發(fā)變形和斷裂問題。而氣體方法主要是將材料先進(jìn)行氣化處理，然后開展吸熱制冷，從而提高材料的耐磨和韌性。模具鋼的深冷處理可以在進(jìn)行淬火和回火工序間或者是在它們完成后進(jìn)行，這種方法制造的材料可以用作冷、熱模具以及硬質(zhì)合金。

3.3 高溫和降溫淬火

在模具的淬火操作中，容易產(chǎn)生裂紋，繼而引起斷開問題，而在進(jìn)行高溫處理，主要是進(jìn)行溫度的提升，保障在加熱淬火下，降低材料中的碳化物，使得滿足制作要求，而且在淬火處理后，可以有效地提高模具的使用期限。

3.4 化學(xué)熱處理

主要是利用化學(xué)反應(yīng)或者結(jié)合物理方法，來改變材料的結(jié)構(gòu)和組織性能，而模具的零件大多在長(zhǎng)期的使用下，表面產(chǎn)生腐蝕、生銹和磨損問題，通過化熱處理使得在其表面形成一種特殊的材料，其中心部分是原有的鋼材料，而表面則是加入合金元素，進(jìn)一步保障它們緊密地結(jié)合，從而提高模具的抗氧化和耐磨性能。使用高溫回火的合金模具，可以在進(jìn)行回火的時(shí)候，同時(shí)開展表面滲氮處理，主要有離子和高頻滲氮兩種方法，運(yùn)用離子的方式進(jìn)行，可以減少作業(yè)時(shí)間，并且獲得高質(zhì)量的滲透層，而高頻處理主要是用來提高模具的抗腐蝕性和耐磨性[4]。

3.5 滲硼和金屬

主要有固體粉末、氣體、電解鹽等方式，主要是在材料中滲入硼元素，從而提高材料表面的強(qiáng)度和耐磨性能等，主要適用于冷作模具的制造中，可以更好地提高模具的使用壽命。

3.6 高能束熱

主要是在熱處理的過程中，運(yùn)用到的熱源是激光和電子束等，通過改變加熱源，可以提高加熱速度，降低變形，而且易于控制，還可以利用自動(dòng)化技術(shù)處理，從而大幅度提高制造精度和質(zhì)量。

4 金屬材料的熱處理工藝具體運(yùn)用

4.1 碳素鋼處理

可以使用水或者油性介質(zhì)材料，并且在800左右的溫度下，進(jìn)行淬火，然后在160℃～180℃時(shí)開展回火處理，使得其硬度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于高碳低合金鋼的處理，主要是在先進(jìn)行高溫淬火，然后冷卻處理，在進(jìn)行回火時(shí)將溫度控制在200℃。

4.2 高碳高鉻熱處理

主要是根據(jù)具體的模具使用要求和標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，當(dāng)模具對(duì)變形要求較小且韌性較高時(shí)，可以先用低溫淬火和回火方式進(jìn)行，如果模具對(duì)溫度的要求較高，可以采用高溫淬火和回火，淬火溫度在1100度左右，回火在500℃。對(duì)于耐磨性較高和微變形的高鉻材料，可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的要求，使用低溫或者高溫的方式進(jìn)行。

4.3 高速鋼

先用高溫進(jìn)行淬火，并且運(yùn)用熱油和硝鹽進(jìn)行分級(jí)冷卻，對(duì)于尺寸相對(duì)不大的可以使用空冷的方式進(jìn)行，在淬火后要立即開展回火處理。

4.4 基體鋼

先用較高的溫度進(jìn)行淬火，然后再進(jìn)行回火，但是要回火兩次。對(duì)于不同的鋼材料，要選用不同的方式處理，對(duì)于65Nb鋼可以先加入一定量的特殊材料，來細(xì)化晶粒，而在冷熱兼用的材料中，主要是加入適量的強(qiáng)化材料，來降低其中的碳化物，然后進(jìn)行淬火和回火等處理，從而提高其耐磨性、韌性以及鍛造性能，滿足不同的模具制造要求。

4.5 合金材料

對(duì)于微變形低合金鋼，可以先進(jìn)行淬火，并且進(jìn)行冷卻處理，在溫度200下回火一到三個(gè)小時(shí)左右，保障達(dá)到一定的強(qiáng)度。而韌性較好的低合金鋼，在溫度900時(shí)進(jìn)行淬火，使用鹽浴爐進(jìn)行加熱，然后采用空冷或者油冷以及風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻，還可以運(yùn)用火焰進(jìn)行加熱處理。還有在耐磨性和韌性都較好的合金材料處理中，先用高溫淬火，在530℃溫度進(jìn)行回火三次，對(duì)于一些負(fù)載較大的模具，先進(jìn)行淬火然后開展回火三次處理。

5 沖壓模具熱處理質(zhì)量控制措施

5.1 預(yù)熱處理

在進(jìn)行預(yù)熱工作時(shí)，先進(jìn)行正火，然后使用球化進(jìn)行退火，從而減少鍛件內(nèi)部的應(yīng)力和碳化物，為熱處理工作奠定質(zhì)量基礎(chǔ)，在零件的淬火前，可以先運(yùn)用低溫回火來穩(wěn)定其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，并且在精準(zhǔn)加工前，先開展調(diào)質(zhì)處理，從而減少變形問題。

5.2 淬火和回火處理工藝的調(diào)整和優(yōu)化

（1）回火控制。主要是在零件的淬火后，要及時(shí)放入到回火爐中進(jìn)行回火處理，要注意的是放置的時(shí)間不適宜過長(zhǎng)，在進(jìn)行回火的時(shí)候，要防止高溫和低溫脆性，保證其質(zhì)量，尤其是在一些精度要求較高的模具制造過程中，要進(jìn)行多次的回火，從而降低內(nèi)部的應(yīng)力，控制變形問題。

（2）零件的保護(hù)。在熱處理過程中，淬火和回火是影響模具產(chǎn)生變形和裂開問題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，所以在淬火時(shí)，對(duì)于一些極易出現(xiàn)變形的部位，要采取防護(hù)措施處理，保證零件內(nèi)部應(yīng)力的均勻和結(jié)構(gòu)對(duì)稱，具體的防護(hù)措施有填充和堵實(shí)、捆扎三種，可以根據(jù)實(shí)際的作業(yè)情況，選擇合適對(duì)的方法處理，從而保證模具的質(zhì)量。

（3）確定具體的加熱溫度。在熱處理中，如果淬火的溫度過高，就會(huì)導(dǎo)致相關(guān)的奧氏體顆粒變大還會(huì)引起氧化、變形等問題，而在特定的溫度下，如果加熱的溫度較低，導(dǎo)致零件內(nèi)控的收縮、尺寸降低，所以一定要加強(qiáng)溫度管控。還有在合金鋼加熱中，溫度較大，就會(huì)造成尺寸變大，所以針對(duì)這種情況，其具體的溫度可以選擇其下限值。

（4）改變加熱方法。對(duì)于一些較小的模具或者是圓柱形的零件可以先進(jìn)行預(yù)熱處理，將溫度控制在520℃～580℃之間，再將其放入到鹽浴爐中進(jìn)行加熱，在達(dá)到淬火溫度后，進(jìn)行回火處理，和使用電爐、反射爐加熱相比，可以有效地降低變形問題。在高合金加熱處理中，先進(jìn)行預(yù)熱，使得達(dá)到淬火溫度，但是要注意控制高溫段時(shí)間，以降低變形和裂紋的產(chǎn)生。

（5）合理選用冷卻劑。在合金鋼的處理中，可以運(yùn)用硝酸鉀或者亞硝酸鈉熱浴進(jìn)行等溫或者分級(jí)淬火方式來進(jìn)行，這個(gè)方法主要適用于精度要求較高的模具制作中，一些多孔的模具等溫處理的時(shí)間不能太長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致孔徑大小的變化。假如使用油介質(zhì)進(jìn)行冷卻，可以使用雙介質(zhì)淬火方式，來減少變形。

（6）淬火處理。在進(jìn)行線切割加工前，要采用分級(jí)淬火和多次回火的方式處理，從而提高其淬透性，以便于保證其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力均衡，當(dāng)其內(nèi)部的應(yīng)力越小時(shí)，產(chǎn)生的變形可能性越低。

（7）冷卻方式。主要是在零件加熱后，從爐中拿出來后，要放置一段時(shí)間然后在放入冷卻劑中進(jìn)行淬火，并且要進(jìn)行不同方向的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，可以保證各個(gè)部分冷卻得均勻、合理，從而減少變形和裂開問題。

6 結(jié)語

綜上所述，在沖壓模具加工和制造過程中，要根據(jù)具體的模具使用要求和材料特點(diǎn)以及性能，結(jié)合對(duì)應(yīng)的熱處理工藝，選擇合適的方法進(jìn)行，對(duì)正火、回火、淬火的溫度要嚴(yán)格控制，使得其具備一定的性能和強(qiáng)度，從而滿足具體的工作要求，還有針對(duì)其中可能出現(xiàn)的變形和裂開問題，要做好預(yù)防和控制。