高速钢冷作模具深冷处理及应用

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高速钢冷作模具深冷处理及应用

摘要：指出了对高速钢采用-196℃液氮深冷处理可使组织发生明显变化，有效促使残留奥氏体向马氏体转变及超细碳化物的析出，使模具获得较佳的综合力学性能，深冷处理后高速钢模具的使用寿命较常规热处理提高三倍以上，具有十分重要的使用价值。
　　关键词 高速钢  模具  残留奥氏体 超细碳化物  使用寿命
1   引言
　　高速钢自1990年问世以来，一直是以制造金属切削刀具而著称，随着科学技术的飞跃发展，高速钢的应用范围不断扩大。从60年代开始，日本以汽车、自行车工业为中心，试用高速钢做模具取得成功，现在生产的高速钢约有15%用于制造模具。高速钢主要是用来制造冷挤压模具及冷墩压模具，特别是Mo系高速钢比W系高速钢韧性更加优越。高速钢用于模具的主要工艺难点在于热处理技术的掌握。目前我国使用最广泛的高速钢是钨系W18Cr4V（简称18-4-1）钢和钨钼系W6Mo5Cr4V2（简称6-5-4-2）钢[1]。这两种钢的传统淬火回火工艺特点是：高温淬火后需在一次硬化范围内回火三次，以获得高硬度和热硬性，工艺规范如表1所示。主要缺点是在某些场所硬度不足。为了改善模具强韧性，近年来高速钢的传统淬火回火工艺也发生了变革。

表1  高速钢常用热处理规格

钢号        淬火加热温度范围（℃）        回火规范
切削刀具        冷作模具
W18Cr4V        1240-1310        1240-1250        560℃×1h×3次
W6Mo5Cr4V2        1200-1250        1180-1200        560℃×1h×3次

2   深冷处理法原理及工艺过程
　　高速钢的冷处理是在三十年代后期提出的，按传统概念，冷处理的目的是将淬火钢件冷却到零下（一般为-60℃――-70℃），使钢内的残余奥氏体转变为马氏体。过去工业上采用高速钢冷处理主要应用于缩短热处理生产周期，即用淬火+冷处理+一次回火来代替处理方法[2]，即在-100℃― -196℃（液氮）处理淬火零件，其后在400℃回火一次，不必需原来2―3次的重复回火。经深冷处理后零件的硬度和耐磨性进一步改善，耐磨性可提高40%，既缩短回火时间，节省了能量，又明显提高了模具使用寿命。20世纪70年代以来，国内外对深冷处理的研究工作卓有成效，前苏联、美国、日本等国均已成功利用深冷处理提高工模具的使用寿命、工件的耐磨性及尺寸稳定性。
　　（1）深冷处理后的组织转变。
　　经深冷处理的淬火高速钢不但引起了奥氏体转变，同时也引起了马氏体转变。过去几十年来强调的是残余奥氏体转变，马氏体分解这一新发现可以看作近年来高速钢深冷处理研究的新进展。
　　高速钢种的马氏体最终转变点Mf非常低，例如W18Cr4V钢的Mf点约-100℃，因此淬火冷却到室温会残留大量的奥氏体，一般认为钢中残留较多的奥氏体是有害的，会降低钢的硬度、耐磨性及使用寿命，还使许多物理性能特别是热性能和磁性下降。试验证明：采用深冷处理可使钢中残留奥氏体降至最低极限，由表2可以看出W18Cr4V高速钢经淬火、回火后，深冷处理可以使回火后的残留奥氏体量降低24%。

表2  不同处理工艺对W18Cr4V钢残留奥氏体的影响（体积百分数%）

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热处理工艺        残留奥氏体AR
1280℃淬火+500℃×1h×3次回火        10
-196℃深冷处理        7.6
前苏联列宁格勒工业大学研究了-196℃液氮中15min的深冷处理对高速钢转变的影响，试验结果表明，-70℃――-75℃到-130℃―― -140℃范围内进行深冷处理时发生马氏体转变，当冷却到-196℃时转变停滞。在-90℃――-120℃温度范围内，出现试样容积的见效，这证明马氏体已部分分解并在位错面上析出了碳原子和形成了超显微碳化物。可见，社冷处理使高速钢析出碳化物的颗粒明显增多，且弥散均匀，W18Cr4V钢经深冷处理后碳化物颗粒约增加8%，W6Mo5Cr4V2钢析出的碳化物颗粒约增加76%，基体组织亦明显细化。
　　（2）深冷处理对高速钢性能的影响。
　　深冷处理过程中，大量的残留奥氏体转变为马氏体，特别是过饱和的亚稳定马氏体在从-196℃至室温过程中会降低过饱和度，析出弥散、尺寸仅为20―60A并与基体保持共格关系的超微细碳化物，可以使马氏体晶格畸变减小，微观应力降低，而细小弥散的碳化物在材料塑性变形时可以阻碍位错运动，从而强化基体组织。同时由于超微细碳化物颗析出，均匀分布在马氏体基体上，减弱了晶界催化作用，而基体组织的细化既减弱了杂质元素在晶界的偏聚程度，又发挥了晶界强化作用，从而改善了高速钢的性能，使硬度、冲击韧性和耐磨性都显著提高[3]。模具硬度高，其耐磨性也就好，如硬度由60HRC提高至62-63HRC，模具耐磨性增加30%―40%。
　　可看出深冷处理后模具的相对耐磨性提高40%，延长深冷处理时间后，在硬度没有太大变化的情况下，相对耐磨性ξ有所增大[4]。
　　（3）高速钢模具深冷处理工艺过程
　　为防止高速钢模具（特别是形状复杂的模具）在深冷处理中发生断裂和变脆，建议淬火后的高速钢模具在560℃回火1h再进行液氮深冷处理，然后在400℃进行最终回火30-60min，这种热处理工艺不但可以防止模具断裂和脆化，而且可以提高模具寿命1.5―2倍。
　　高速钢模具深冷处理工艺过程为”，模具除油垢→放入保温罐中→少量多次注入液氮→保温4h→取出模具→400℃回火45min。
  
3   高速钢模具深冷处理应用实例
　　（1）凸模：汽车厂的高速钢凸模，未经深冷处理时只能使用10万次，而采用液氮经-196℃×4h深冷处理后再400回火，使用寿命提高到130万次。
　　（2）冲压凹模：生产使用结果表明，深冷处理后产量提高二倍多。
　　（3）硅钢片冷冲模：为降低模具深冷处理后的脆性和内应力，将深冷处理与中温回火相配合，可改善模具抗破坏性及其它综合性能，模具的刃磨寿命提高3倍以上，稳定在5―7万冲次。
  
4   结束语
　　（1）高速钢深冷处理过程中，由于残留奥氏体向马氏体以及超细碳化物的析出，硬度、耐磨性、冲击韧性、红硬性得到提高。
　　（2）作为一种新工艺深冷处理应用在高速模具钢的热处理中，可显著提高模具的使用寿命，具有很大的实用价值。

参考文献
1  陈景榕.高速钢冷作模具[J].机械工业材料，1994，（8）
2  中山久彦.用液氮进行的液体超冷处温[J].国外金属热处理，1987，（1）
3  丛吉远等.高速钢深冷处理的组织转变及耐磨性[J].热加工工艺，1998，（3）
4  陈长风等.深冷处理对T12钢磨料磨损性能的影响[J].金属热处理，2000，（10）
作者：空军航空维修技术学院机电工程系（湖南长沙  410124）  刘劲松