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摘要：根据作者从事高速钢模具热处理实践经验，对热处理工艺参数如加热温度、加热时间、冷却介质、回火温度、表面强化等提出建议，并列举具体实例。
关键词：高速钢模具；热处理工艺；表面强化
1、引言 高速钢自1900年问世以来，一直是以制造金属切削刀具称著。随着科学技术的不断发展，高速钢的应用领域日渐扩大。日本从60年代开始，以汽车、自行车工业为中心，试用高速钢模具取得了成功，1970年以后，作为一种稳定的工艺在文献中固定下来，现在生产的高速钢约有20%用于制造模具。笔者1975年还在桂林广西301厂工作时，应桂林某五金工具厂的要求，试用M2钢制造梅花扳手六角冲头取得成功，1984年到浙江工作后，用M2钢制作冲棒，寿命较原Cr12MoV提高近10倍，为此公司专门组建冲棒制造车间，产品远销全国各地。经过长期的实践，摸索出比较成熟的高速钢模具盐浴热处理工艺。现作简单介绍，不妥之处请批评指正。
2、加热温度的选择 在某种程度上讲，温度决定一切，温度是热处理的灵魂，因为一切相变及力学性能的获得，都是在温度的驱动下实现的，因此，温度的选择至关重要。 高速钢既可以用于冷作模具，也可以用作热作模具，工作条件各异，服役情况复杂，淬火加热温度可依据以下方面选择。
2·1 根据模具使用条件来选择淬火温度 2·1·1 冷作模具 2·1·1·1 采用较高的加热温度 其淬火加热温度相当于金属切削刀具的淬火下限，如W18Cr4V钢用1270℃、W6Mo5Cr4V2钢用1210℃、W9Mo3Cr4V钢用1215℃、M35钢用1205℃、M42钢用1165℃。淬火晶粒度控制在10.5~11级。HSS钢淬火回火后硬度在64~65HRC、HSS-E钢在65~66HRC。此温度制作的模具用于工具钢、不锈钢表面标记的机用滚字头、用于镍板冲孔冲头，用于冷挤压模具、拉丝模、粉末冷压模等。 2·1·1·2 采用略低于刀具淬火温度的下限 如W18Cr4V钢用1240~1250℃、W6Mo5Cr4V2钢用1170~1190℃、W9Mo3Cr4V钢用1180~1200℃。淬火晶粒度控制在11~11.5级。此类模具大多是冷镦模、切边模、滚丝模及小型冷轧辊等。经适当的回火后硬度为60~64HRC不等。 2·1·1·3 选择更低的淬火温度 如W18Cr4V钢用1180~1210℃、W6Mo5Cr4V2钢用1150~1160℃、W9Mo3Cr4V钢用1150~1170℃。淬火晶粒度为11.5~12级，经适当的回火后模具硬度为58~61HRC。 2·1·2 热作模具 高速钢具有高的高温硬度和红硬性，适于在600~700℃的工况下工作，且对耐磨性要求高的模具。如热切边模和热挤压模、热镦模及热成形轧辊等高温下服役的模具。用于制造热作模具者其淬火温度不宜过高，如W18Cr4V钢用1200~1210℃、W6Mo5Cr4V2钢用1160~1180℃、W9Mo3Cr4V钢用1170~1190℃。淬火晶粒度为11~12级，经适当回火后硬度为58~60HRC。
2·2 根据模具使用中主要失效形式选择淬火温度 据有关部门统计分析 材料和热处理占模具失效约70%，其中因热处理引起的失效占52%，可见热处理在模具制造生产中的重要性。常见的模具失效形有两大类。 （1）模具在使用的早、中期发生开裂、崩角、折断等脆性表征。此类情况多见于冷作模具，主要原因是硬度高、韧性差所致。通常反映淬火温度过高且保温时间过长所造成的，可以通过适当降低加热温度等手段来调整，反复试验，定能找到一个合适的淬火温度。 （2）模具在使用中、后期发生塌陷和严重磨损 此类情况在冷、热作模具中都有发生。主要是淬火温度偏低，合金碳化物溶入有限，造成基体强度和耐磨性下降，适当提高淬火温度即可解决问题。此外，热作模具的工作温度高，模具的韧性比冷态高，而被加工的材料强度、硬度低，淬火温度带稍宽。而对冷作模具淬火温度带比较窄，必须严格控制。如用M2钢制08Bφ12mm冲头，原1160~1170℃淬火，冲头变形严重，后改为1185~1190℃淬火又出现崩块，最终用1180~1185℃淬火，冲头寿命很高。可见对于某一具体产品，确实存在一个很窄的淬火温度问题。实践证明：W18Cr4V钢不得低于1200℃、W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2不得于1150℃。
2·3 根据模具的硬度要求确定淬火温度 不管何种模具，都有硬度值的具体要求，笔者在实践中总结出非常适用的经验公式[1]： W18Cr4V t＝1260-（64-HRC）×10 W6Mo5Cr4V2 t＝1190-（64-HRC）×10 式中 t —选择的淬火温度（℃）；HRC — 要求硬度的平均值。 需要特别指出的是：淬火后选用580~590℃的回火温度，如采用高速钢刀具常规回火温度550~570℃时，则计算出来的淬火温度再减去20℃，回火后的硬度正好落在工艺要求范围内。 前苏联处理高速钢P6M5（相当于M2）冲头的经验值得借鉴[2]，他们认为将冲头淬火温度定格在1160~1180℃，因为在此区间淬火，钢中的残留奥氏体量及奥氏体晶粒几乎一致，所以没有必要选择什么最佳淬火温度。但国内不少学者有异议，笔者在多篇论文中反复强调“硬度是表面现象，金相组织才是本质”的基本观点，不能以硬度来核量热处理质量优劣，它只是力学性能的一项指标，而不是唯一。
3、加热时间 在高速钢热处理工艺中，加热时间是非常重要的工艺参数。为了表征淬火效果，常用淬火参量[3]来描述，即P＝t（37+Igτ），式中P—淬火参量；t—淬火加热温度；τ—淬火加热时间。在淬火过程中，无论淬火加热时间和加热温度怎样变化，只要两者的作用最终结果即淬火参量相同，那么奥氏体化的程度就应该是相同的。 为了避免学术上的糊涂概念，笔者撰文[4]建议将高速钢加热时间应易名为浸液时间，即入高温炉到出高温炉的那段时间。诸如学术上的压温时间、升温时间、透烧时间、保温时间、碳化物溶解程度等微妙的东西，谁也说不清楚。我们要把复杂问题简单化。易加热时间为浸液时间，避免了模棱两可的概念，给高温加热时间以量的定位，无争辩余地。影响浸液时间的因素很多，主要有： （1） 预热温度的高低； （2） 模具的几何形状及尺寸大小； （3） 装炉方式和装炉量； （4） 炉子功率大小及炉膛尺寸； （5） 加热温度高低； （6） 高速钢的内在质量（碳饱和度高低）。 加热时间一般取刀具加热时间的两倍，如有效直径8~20mm的刀具高温加热按10s/mm计，模具则按20s/mm算；再则加热温度高低有别，加热时间也应灵活调节。
4、回火温度等工艺参数 淬火以后要不要高温回火？有资料有明[5]：M2钢无论淬火温度高低，在二次硬化峰的550℃左右回火，冲击值都具有极小值。1150℃淬火，在200~250℃或400~450℃这两个区间内回火的模具，都具有较高的冲击韧性，但回火后的硬度比淬火后硬度还低，往往达不到60HRC，不符合技术要求。笔者惯用的第一次580~590℃高温回火，后550℃常规回火的工艺，已被越来越多的同行所认同，日本学者也赞同高速钢模具用580~600℃的高温回火[6]。实践是检验真理的唯一标准，因为按此工艺处理的模具有较高的使用寿命。 为了提高模具的韧性，也有人采用先低后高的回火工艺，即第一次采用350℃左右，第二次570℃的回火工艺。 回火的保温时间视具体情况而定，一般为1~2h，回火次数2~3次。 不管采用何种回火工艺，也不管回火后硬度高低，最终落实到提高模具寿命课题上来，只要模具寿命大大提高了，你就是胜利者。
5、模具表面强化 在高速钢刀具上进行的任何表面强化工艺，在模具上均可以实施，但必须掌握两点：前处理一定要良、要有针对性。 前处理不好，比如过热或硬度不足，再好的表面强化犹如鲜花插在牛粪上，任何一项新技术均不是万能的，只有在合适的场合才能发挥作用。 蒸汽处理、氧氮化、TiN涂层、QPQ等不同表面强化工艺的模具上均有成功应用的实例。 耐磨性是影响冷冲模使用寿命的一项主要性能指标，研究表明在冲击载荷下模具表面的磨损是一种粘着——疲劳剥落——磨粒磨损过程。脆性的化合物和硫化物表面会降低冲击载荷下的磨损性。N-C共渗层在冲击载荷下具有较佳的耐磨性。M2钢制冲头经气体N-C共渗或盐浴S-N-C共渗处理，大大提高了耐磨性并延长模具寿命。
6、高速钢模具热处理工艺应用实例 （1）M35钢制φ15.2mm冲棒 被冲材料不锈钢，要求硬度64~66HRC。1180~1200℃盐浴加热，550℃中性盐浴分级，晶粒度11级，580℃+550℃回火，64.5~65.5HRC。 （2）M42钢制φ16.2mm冲棒 被冲材料不锈钢，要求硬度65~67HRC。1160~1170℃盐浴加热，550℃中性盐浴分级，晶粒度11级，580℃+550℃回火，66~66.5HR——成品工作部位涂TiN。 （3）M2钢制精冲模具 1160~1170℃盐浴加热，500℃中性盐分级，晶粒度12级，580℃×1h回火+-196℃深冷处理+550℃×1h×2次回火，硬度62~63HRC。 （4）W18Cr4V钢制热作模冲头 1250℃盐浴加热，300~320℃×3h硝盐等温淬火，出炉空冷后再回炉300~320℃×4h回火，硬度61~62HRC，使用寿命较常规工艺提高近20倍。 （5）W12Cr4Mo3V3N(V3N)制硅钢片冲模 1200~1120℃盐浴加热，500℃中性盐分级，晶粒度11.5~12级，550℃×1h×4次回火，64~66HRC，使用寿命达130万次。 （6）W9Mo3Cr4V(9341)钢制冲头，φ8mm冲头，冲制1.8mm厚高速钢钢板，1180~1190℃盐浴加热，油淬，580℃+560℃回火，硬度58~60HRC。另一种工艺：1190~1200℃盐浴加热，油淬，晶粒度11~12级，先350℃回火，后两次550℃回火，硬度61~62HRC。 （7）W6Mo5Cr4V2钢制热剪切模，被加工材料为30Cr13，1160~1170℃盐浴加热，550℃中性盐浴分级，590℃+550℃回火，硬度59~61HRC。 （8）M2钢制链条冲棒 被加工材料为低碳钢板片，1170~1190℃盐浴加热，500℃中性盐分级，金相晶粒度11~12级，580~590℃第一次回火后第二、三次用550℃常规回火，硬度59~63HRC不等，根据冲棒具体硬度要求，酌情调整加热温度和第一次回火温度，就可以得到满意的效果。 （9）W4Mo3Cr4VSi(4341)钢制冲棒 被加工材料为低碳钢钢板制作的各种链条等，1150~1160℃盐浴加热，550℃中性盐分级，580~590℃×1h+550℃×1h×2次回火，硬度61~63HRC。韧性高，使用寿命和M2钢相当。 （10）粉末高速钢S390制作冲头 笔者曾用φ6.50mmS390（W10Mo3Cr5V5Co8）钢制作φ6mm×58mm链条冲头，使用寿命在23~32万件，远远超过进口冲头8万件的水平[7]。盐浴热处理工艺简介如下。 1215℃×2min盐浴加热，600℃中性盐分级2min，280℃×30min硝盐等温，晶粒度12~11.5级，淬火后硬度64~65HRC。560℃×1h+550℃×1h×3次共4次回火，回火后硬度67.2HRC。 如此高的硬度冲棒，简直不可思议，但粉末高速钢的韧性特别高，据试验考证，66HRC时S390钢的抗弯强度为4950MPa，与M2钢63HRC的抗弯强度相当。经6家链条厂试验，φ6mm冲棒的使用寿命最低为23万件，最高为32万件，一般为29~30万件，最终仍以磨损失效。说明硬度还有提升空间。 还有很多高速钢模具热处理例子，不再一一赘举。
7、结束语 高速钢模具低温淬火使其寿命提高理由： （1）低温淬火使合金碳化物溶量减少，奥氏体中碳含量降低，导致Ms点上升，从而显著降低了孪晶马氏体数量，获得以板条马氏体为主的淬火组织。板条马氏体比孪晶马氏体韧性高得多。板条马氏体是韧性提高的主要因素。任何高速钢制作的模具，最低淬火温度不应低于1150℃。 （2）超细晶粒是强化的主要机构。众所周知，淬火温度和晶粒度之间有一定的对应关系，淬火温度越高晶粒越粗大。低温淬火的基本特征，除获得以板条马氏体为主的组织外，还得得超细晶粒。根据霍尔－佩茨公式，晶粒越细，钢的强度越高。 （3）高速钢低温淬火，保留有较多的细小弥散碳化物，间距很小，有钉扎晶界的能力，阻碍了晶界移动，从而亦能阻止细小晶粒长大。 参考文献 [1] 赵步青·高速钢模具的热处理[1]·金属热处理，1988（8）：36~38 [2] 梅大明·P6M5钢制冷镦冲头的热处理[J]·国外金属热处理，1990（3）：40~43 [3] 中国机械工程学会热处理学会·热处理手册—第二卷（第4版修订本）[M]·北京：机械工业出版社，2013：338 [4] 赵步青·高速钢加热时间应易名为浸液时间[J]·五金科技，2002（5）：30~31 [5] 高速钢热处理新技术[M]·北京：机械工业出版社，1976：45~46 [6] [日] 日本塑性加工学会·压力加工手册[M]·北京：机械工业出版社，1984：1156~1157 [7] 赵步青·高速钢工具的硬度与热处理[J]·金属加工—热加工，2008（17）：36~39 作者简介：赵步青，男，1943年12月生，江苏阜宁县人，高级工程师，已发表论文及适用文章230多篇，出版热处理专著4部,协编图书两部。研究方向：工模具热处理工艺。 通讯：321000, 浙江省金华市青春路162号2-1-102室 E-mial:zsg4272@163.com | 
发表于 2018-3-7 21:41:47
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