高速鋼冷作模具深冷處理及應(yīng)用
關(guān)鍵詞 高速鋼 模具 殘留奧氏體 超細(xì)碳化物 使用壽命
1 引言
高速鋼自1990年問世以來，一直是以制造金屬切削刀具而著稱，隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，高速鋼的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。從60年代開始，日本以汽車、自行車工業(yè)為中心，試用高速鋼做模具取得成功，現(xiàn)在生產(chǎn)的高速鋼約有15%用于制造模具。高速鋼主要是用來制造冷擠壓模具及冷墩壓模具，特別是Mo系高速鋼比W系高速鋼韌性更加優(yōu)越。高速鋼用于模具的主要工藝難點(diǎn)在于熱處理技術(shù)的掌握。目前我國使用最廣泛的高速鋼是鎢系W18Cr4V（簡稱18-4-1）鋼和鎢鉬系W6Mo5Cr4V2（簡稱6-5-4-2）鋼[1]。這兩種鋼的傳統(tǒng)淬火回火工藝特點(diǎn)是：高溫淬火后需在一次硬化范圍內(nèi)回火三次，以獲得高硬度和熱硬性，工藝規(guī)范如表1所示。主要缺點(diǎn)是在某些場所硬度不足。為了改善模具強(qiáng)韌性，近年來高速鋼的傳統(tǒng)淬火回火工藝也發(fā)生了變革。
表1 高速鋼常用熱處理規(guī)格
| 鋼號(hào) | 淬火加熱溫度范圍（℃） | 回火規(guī)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 深冷處理法原理及工藝過程
高速鋼的冷處理是在三十年代后期提出的，按傳統(tǒng)概念，冷處理的目的是將淬火鋼件冷卻到零下（一般為-60℃――-70℃），使鋼內(nèi)的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。過去工業(yè)上采用高速鋼冷處理主要應(yīng)用于縮短熱處理生產(chǎn)周期，即用淬火+冷處理+一次回火來代替處理方法[2]，即在-100℃― -196℃（液氮）處理淬火零件，其后在400℃回火一次，不必需原來2―3次的重復(fù)回火。經(jīng)深冷處理后零件的硬度和耐磨性進(jìn)一步改善，耐磨性可提高 40%，既縮短回火時(shí)間，節(jié)省了能量，又明顯提高了模具使用壽命。20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外對(duì)深冷處理的研究工作卓有成效，前蘇聯(lián)、美國、日本等國均已成功利用深冷處理提高工模具的使用壽命、工件的耐磨性及尺寸穩(wěn)定性。
（1）深冷處理后的組織轉(zhuǎn)變。
經(jīng)深冷處理的淬火高速鋼不但引起了奧氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)也引起了馬氏體轉(zhuǎn)變。過去幾十年來強(qiáng)調(diào)的是殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體分解這一新發(fā)現(xiàn)可以看作近年來高速鋼深冷處理研究的新進(jìn)展。
高速鋼種的馬氏體最終轉(zhuǎn)變點(diǎn)Mf非常低，例如W18Cr4V鋼的Mf點(diǎn)約-100℃，因此淬火冷卻到室溫會(huì)殘留大量的奧氏體，一般認(rèn)為鋼中殘留較多的奧氏體是有害的，會(huì)降低鋼的硬度、耐磨性及使用壽命，還使許多物理性能特別是熱性能和磁性下降。試驗(yàn)證明：采用深冷處理可使鋼中殘留奧氏體降至最低極限，由表2可以看出W18Cr4V高速鋼經(jīng)淬火、回火后，深冷處理可以使回火后的殘留奧氏體量降低24%。
表2 不同處理工藝對(duì)W18Cr4V鋼殘留奧氏體的影響（體積百分?jǐn)?shù)%）
| 熱處理工藝 | 殘留奧氏體AR |
| 1280℃淬火+500℃×1h×3次回火 | 10 |
| -196℃深冷處理 | 7.6 |
前蘇聯(lián)列寧格勒工業(yè)大學(xué)研究了-196℃液氮中15min的深冷處理對(duì)高速鋼轉(zhuǎn)變的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，-70℃――-75℃到-130℃―― -140℃范圍內(nèi)進(jìn)行深冷處理時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，當(dāng)冷卻到-196℃時(shí)轉(zhuǎn)變停滯。在-90℃――-120℃溫度范圍內(nèi)，出現(xiàn)試樣容積的見效，這證明馬氏體已部分分解并在位錯(cuò)面上析出了碳原子和形成了超顯微碳化物?？梢姡缋涮幚硎垢咚黉撐龀鎏蓟锏念w粒明顯增多，且彌散均勻，W18Cr4V鋼經(jīng)深冷處理后碳化物顆粒約增加8%，W6Mo5Cr4V2鋼析出的碳化物顆粒約增加76%，基體組織亦明顯細(xì)化。
?。?）深冷處理對(duì)高速鋼性能的影響。
深冷處理過程中，大量的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，特別是過飽和的亞穩(wěn)定馬氏體在從-196℃至室溫過程中會(huì)降低過飽和度，析出彌散、尺寸僅為 20―60A并與基體保持共格關(guān)系的超微細(xì)碳化物，可以使馬氏體晶格畸變減小，微觀應(yīng)力降低，而細(xì)小彌散的碳化物在材料塑性變形時(shí)可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而強(qiáng)化基體組織。同時(shí)由于超微細(xì)碳化物顆析出，均勻分布在馬氏體基體上，減弱了晶界催化作用，而基體組織的細(xì)化既減弱了雜質(zhì)元素在晶界的偏聚程度，又發(fā)揮了晶界強(qiáng)化作用，從而改善了高速鋼的性能，使硬度、沖擊韌性和耐磨性都顯著提高[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%。
可看出深冷處理后模具的相對(duì)耐磨性提高40%，延長深冷處理時(shí)間后，在硬度沒有太大變化的情況下，相對(duì)耐磨性ξ有所增大[4]。
?。?）高速鋼模具深冷處理工藝過程
為防止高速鋼模具（特別是形狀復(fù)雜的模具）在深冷處理中發(fā)生斷裂和變脆，建議淬火后的高速鋼模具在560℃回火1h再進(jìn)行液氮深冷處理，然后在400℃進(jìn)行最終回火30-60min，這種熱處理工藝不但可以防止模具斷裂和脆化，而且可以提高模具壽命1.5―2倍。
高速鋼模具深冷處理工藝過程為”，模具除油垢→放入保溫罐中→少量多次注入液氮→保溫4h→取出模具→400℃回火45min。
3 高速鋼模具深冷處理應(yīng)用實(shí)例
（1）凸模：汽車廠的高速鋼凸模，未經(jīng)深冷處理時(shí)只能使用10萬次，而采用液氮經(jīng)-196℃×4h深冷處理后再400回火，使用壽命提高到130萬次。
?。?）沖壓凹模：生產(chǎn)使用結(jié)果表明，深冷處理后產(chǎn)量提高二倍多。
?。?）硅鋼片冷沖模：為降低模具深冷處理后的脆性和內(nèi)應(yīng)力，將深冷處理與中溫回火相配合，可改善模具抗破壞性及其它綜合性能，模具的刃磨壽命提高3倍以上，穩(wěn)定在5―7萬沖次。
4 結(jié)束語
（1）高速鋼深冷處理過程中，由于殘留奧氏體向馬氏體以及超細(xì)碳化物的析出，硬度、耐磨性、沖擊韌性、紅硬性得到提高。
?。?）作為一種新工藝深冷處理應(yīng)用在高速模具鋼的熱處理中，可顯著提高模具的使用壽命，具有很大的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
1 陳景榕.高速鋼冷作模具[J].機(jī)械工業(yè)材料，1994，（8）
2 中山久彥.用液氮進(jìn)行的液體超冷處溫[J].國外金屬熱處理，1987，（1）
3 叢吉遠(yuǎn)等.高速鋼深冷處理的組織轉(zhuǎn)變及耐磨性[J].熱加工工藝，1998，（3）
4 陳長風(fēng)等.深冷處理對(duì)T12鋼磨料磨損性能的影響[J].金屬熱處理，2000，（10）
作者：空軍航空維修技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系（湖南長沙 410124） 劉勁松