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!第二篇模具材料及其热处理第一章模具材料与热处理概述第一节模具材料的分类模具的用途很广，各种模具的工作条件差别很大，所以制造模具和材料范围很广，从一般的碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、高速工具钢、不锈耐热钢，直到适应特殊模具需要的硬质合金、钢结硬质合金、高温合金、难熔合金、马氏体时效钢、粉末高速钢、粉末高合金模具钢以及铜合金、铝合金、锌合金、增强塑料等。本章讨论的重点是应用最广的模具材料 合金工具钢中的合金模具钢。国内外对模具材料一般是根据其用途分为三大类，即冷作模具材料、热作模具材料和塑料成形用模具材料。一、冷作模具材料冷作模具材料主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成形的模具。如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、冷镦模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具一直是应用广泛的一类模具，其产值占模具总产值的!#左右，采用的材料也很广泛，从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、硬质合金、钢结硬质合金、粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢，直到结构钢、锌合金、增强塑料等。其中常用的冷作模具材料的化学成分见表$%!%!和表$%!%$。&第一章模具材料与热处理概述表!#常用的冷作模具钢化学成分钢号化学成分（质量分数）（$）%&()%*+(,-其他碳素工具钢./0123 4 01/5!0163!0150.#00173 4#105!0163!0150油淬冷作模具钢7()!-01/3 4 0173!0150#120 4!1!001#3 4 01!3%*+()0170 4#103!015001/0 4#1#0 0170 4#1!0#1!0 4#1807%*+()01/3 4 0173!01500170 4#1!0 0130 4 01/0 0130 4 01/07&%*01/3 4 0173#1!0 4#1800160 4 0180 0173 4#1!3%*!0173 4#1#0!0150!0150#160 4#120空淬冷作模具钢%*3(,#-0173 4#103!0130!#1005123 4 31300170 4#15001#3 4 0130%*8+-#100 4#1#3!0150!01503130 4 2100#1#0 4#1300130 4 0120/%*!()+(,-&0123 4 01/3!0150#160 4#120!160 4!180 0120 4#1#00130 4 01/001#0 4 01!3&0108 4#100%*5+!(,-#1#!4#1!30150 4 0120!01506130 4 5100#170 4!18001/0 4#1!001/0 4#1#0高碳高铬冷作模具钢%*#!(,-#153 4#120!0150!0150#100 4#!1300150 4 018001#3 4 0160%*#!100 4!160!0150!0150#130 4#6100%*#!(,#-#150 4#180!0180!0180#100 4#61000120 4#1!0!#1#0%,!#100基体钢和低碳高速钢8+8(,3%*5-0130 4 0183!0150!01806120 4 5160 8100 4 21005130 4 31300120 4#1#08%*5+6(,!-9:0180 4 0120!0150!015061/0 4 5150!130 4 6130#1/0 4!13001/0 4#1!09:01!0 401632+2%*5(,-0180 4 0120!0150!01505130 4 5100 8130 4 213001!0 4 01300150 4 0120/第二篇模具材料及其热处理钢号化学成分（质量分数）（!）#$%&(%)*其他高韧性高耐磨模具钢+%),*,#$-.+-/-.0-.+-/1.,-!-.2-3.4-/+.4-,.-/5.-1.+-/,.,-火焰淬火模具钢+#$%&%)*-.34/-.+4-.04/1.14-.34/1.-4-.6-/1.,-.5-/-.4-.14/-.5-表,7 1 7,冷作模具用硬质合和钢结硬质合金化学成分牌号化学成分（质量分数）（!）(8$89（:;）)硬质合金=3623=0:6110=06,0=110611=140414=,-0-,-?余量）348%(4-4-钢（-.0!/1.,!，1.,4!，%)1.,4!?余量）4-二、热作模具材料热作模具材料主要用于制造对高温状态下的工件进行压力加工的模具，如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦锻模具等。常用的热作模具材料为中、高含碳量的添加铬钨钼钡等合金元素的合金模具钢。对特殊要求的热作模具有时采用高合金奥氏体耐热模具钢、高温合金、难熔合金制造，常用的热作模具材料的化学成分见表,7 1 7 5,A60第一章模具材料与热处理概述表!#$常用的热作模具钢化学成分钢号化学成分（质量分数）（%）&()*&+,)-.其他锻压模块用钢/&+0()-12/1 3 1241!125112/1 3 1261 12/1 3 126112#/3 12$10(#251 3#261/0(&+)-.12/1 3 124112#1 3 1251124/3 127/#211 3#2!1125/3 12/1218 3 12#!0(#2/1 3#261/&+)*)-12/1 3 124112!/3 1241#2!1 3#241 1241 3 127112#/3 12$1/&+!0()-.1254 3 12/$1241 3 12711251 3 1241#2/1 3!2111261 3#2!112$1 3 12/10(1261 3#2!1铬系热作模具钢5&+/)-(.12$3 125$1261 3#2!112!1 3 12/1 528/3/2/1#2#1 3#24112$1 3 12415&+/)-,(#12$!3 125/1261 3#2!112!1 3 12/1 528/3/2/1#2#1 3#28/1261 3#2!15&+/)-(.12$1 3 12511261 3#2!112!1 3 12/1 528/3/2/1#211 3#281#2!/3#28/12!3 12/15&+/,!.(12$!3 125!1261 3#2!1!125152/1 3/2/1#241 3!2511241 3#211钨钼系热作模具钢5&+$)-$(.12$/3 125/1261 3#2!112!/3 1281$211 3$28/!211 3$21112!/3 128/$&+!,6.12$1 3 1251!1251!1251!2!1 3!281 82/1 3 721112!1 3 12/1$&+$)-$,!.12$!3 125!1241 3 1271!124/!261 3$2$1#2!1 3#261!2/1 3$2111261 3#2!1/&+5,!)-$(.125/3 12/1261 3#2#1!12/1$281 3 52$1#261 3!2!1#261 3!2!1#2!1 3#2$1奥氏体型热作模具钢/&+#/&+60(/)-$.!125/3 12/!#211#52/1 3#421182/3 62/!2/1 3$211#2/1 3!2110(52/1 3/2/1三、塑料模具材料近/1 年来，随着石化工业的迅速发展，塑料已经成为十分重要的工业材料，国内外广泛地采用各种塑料制品取代金属、木材、皮革等传统材料制品。塑料制品很多是采用模压成形的，所以塑料制品成形用模具的需要量迅速增加，不少工业发达国家塑料成形用模具的产值近来已经超过冷作模具的产值，在模具制造业中居首位。由于塑料的品种很多，对塑料制品的要求差别也很大，对制造塑料模具的材料也提17第二篇模具材料及其热处理出了各种不同的性能要求，所以不少工业发达国家已经形成了范围很广的塑料模具用材料系列，包括碳素结构钢、渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐蚀塑料模具钢、易切削塑料模具钢、整体淬硬型塑料模具钢、马氏体时效钢、镜面抛光用塑料模具钢以及铜合金、铝合金等。常用的塑料模具材料见表!#$!。表!#$常用的塑料成形具用钢化学成分钢号化学成分（质量分数）（%）&()*&+,)-.其他非合金塑料成型用模具钢$/01$!2 01/001#3 2 014301/0 2 0150/001$3 2 01/01#3 2 014301/0 2 0150/01/!2 016001#3 2 014301/0 2 015075013/2 015$!014/!01$07#0018/2#10$!014/!01$0渗碳型塑料模具钢!0&+01#3 2 01!$01#3 2 014301/0 2 0150 0150 2#1#0#!&+9(!01#0 2 01#301#3 2 01430140 2 0160 0160 2 01809(#1/0 2!1!0!0&+!9($01#3 2 01!401#3 2 01430140 2 0160#1!0 2#13/9(41!/2413/!0&+)*7(01#3 2 01!401#3 2 01430150 2#1#0#100 2#1407(010$201#0预硬型塑料模具钢4&+!)-01!5 2 01$001!0 2 01500160 2#100#1$0 2!1000140 2 01/4&+!9()*)-01!5 2 01$001!0 2 01500160 2#100#1$0 2!1000140 2 01/9(0150 2#1!09(015/2#1#/&+)()*)-.&:01/0 2 016001!0 2 0150015/2#1#/#100 2#1400140 2 016001#0 2 01400106 201#/，&:010!201505&+!)*,)-.013/2 015/!01$0#140 2#130!140 2!160 0130 2#1#001/0 2 015001#0 2 01!/0106 201#0/&+)*)-01/0 2 016001!/2 0160#1!0 2#160 0160 2 018001#/2 0140#8第一章模具材料与热处理概述钢号化学成分（质量分数）（!）#$%&(%)*其他耐蚀型塑料模具钢+,-./-0 1./+0!./2.!./3.,4/.1,+/.5,3./5.1,/./0.1./5.!./3.,6/.1,5/.,+%)./5.1,/.0./-.1./2.!./3.,4/.1,+/.,/+.1,/3.,3%)*,/,6 1,/40./0.1./5.!./3.,6/0.1,5/./0.1./3./,.1./4.,67$4./,1./,6!./3.!./3.,2/.1,3/.7$,/0.14/0.整体淬硬型塑料模具钢(%&./5.1,/.0!./+./3.1,/,./5.1,/4.,/4.1,/2.5(%&./30 1./50!./+./5.1,/4./0.1./3./0.1./3.5%&4*8./30 1./50!./+.,/6.1 4/./,0 1./40,4%)*,/+0 1,/6.!./+.!./+.,/.1,4/0./+.1./2./,0 1./-.,4%),*,/+.1,/2.!./2.!./2.,/.1,-/./6.1,/4.!,/,.)!,/.+0%)#$*,./-4 1./+0./3.1,/4./4.1./0.+/60 1 0/0.,/,.1,/60./3.1,/4.第二节模具材料的性能应该根据模具的生产条件和模具的工作条件的需要，结合模具材料的基本性能和相关的因素，来选择适合模具需要的，经济上合理、技术上先进的模具材料。对于一种模具，如果单纯从材料的基本性能考虑，可能几种模具材料都能符合要求，然而必须综合考虑模具的使用寿命、模具制造工艺过程的难易程度、模具制造的费用以及分摊到制造的每一个工件上的模具费用等多种因素，进行综合分析评价，才能得出符合实际的正确结论。45第二篇模具材料及其热处理一、模具材料的基本性能进行模具材料选择时，必须首先考虑模具的某些基本性能必须能适应所制造的模具的需要，在一般情况下，其中三种性能是主要的，即钢的耐磨性、韧性、硬度和红硬性。这三种性能可以比较全面地反映模具材料的综合性能，应可以在一定程度上决定其应用范围。当然对于一种模具的要求来说，可能其中的一种或两种是主要的，而另外的一种或两种是次要的。!模具材料的耐磨性模具工作时，表面往往要与工件产生多次强烈的摩擦，模具必须在此情况下仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度，不致于早期失效。要求模具材料既能承受机械磨损，而且在承受重载和高速摩擦时，模具被摩擦表面能够形成薄而致密附着的氧化模，保持润滑作用，防止模具和被加工工件的表面之间产生粘附、焊接招致工件表面擦伤，又能减少模具表面进一步氧化造成的损伤。为了改善模具材料的耐磨性，就要采取合理的生产工艺和处理工艺，使模具材料既具有高硬度又使材料中的碳化物等硬化相的组成、形貌和分布合理，当然模具工作过程中的润滑情况和模具材料的表面处理，也对改善模具的耐磨性能有良好的影响。#模具材料的韧性对于受强烈冲击载荷的模具，如冷作模具的冲头，锤用热锻模具、冷镦模具、热镦锻模具等，模具材料的韧性是十分重要的考虑因素，对于在高温下工作的模具，还必须考虑其在工作温度下的高温韧性。对于多向受冲击载荷的模具，还必须考虑其等向性。模具材料的化学成分、晶粒度、碳化物、夹杂物的组成数量、形貌、尺寸和分布情况：金相组织、微观偏析等，都会对材料的韧性带来影响。钢的纯净度、锻轧变形的方向会对横向性能产生很大的影响。模具材料的韧性往往和耐磨性、硬度是互相矛盾的。因之根据模具的具体工作情况，选择合理的模具材料，并采用合理的精炼、热加工和热处理、表面处理工艺使模具材料得到耐磨性和韧性等综合性能的最佳配合，以适应模具的需要，足模具材料的重要发展的途径。$硬度和红硬性硬度是模具材料的主要技术性能指标，模具在工作时必须具有高的硬度和强度，才能保持其原来的形状和尺寸，一般冷作模具钢，要求其淬回火硬度为%&()左右，而热作模具钢为*+,+&()左右，并且要求热作模具材料在其工作温度下仍保持一定的硬度。红硬性是指模具材料在一定温度下保持其硬度和组织稳定性抗软化的能力，对于热作模具材料和部分重载荷冷作模具材料，是重要的性能指标。另外，还要根据不同模具的实际工作条件，分别考虑其实际要求的性能，如对热作模$-第一章模具材料与热处理概述具钢要考虑其抗冷热疲劳性能，对压铸模具应考虑其耐融熔金属的冲蚀性能；对于重载荷型腔模具应注意其等向性；对于高温工作的热作模具应考虑其在工作温度下的抗氧化性能；对于在腐蚀介质工作的模具，应注意其抗腐蚀性能；对在高载荷下工作的模具应考虑其抗压强度、抗拉强度和抗弯强度、疲劳强度及断裂韧度等。二、模具材料的工艺性能在模具总的制造成本中，特别是对于小型精密复杂模具，模具材料费往往只占总成本的!#$%#，有时甚至低于!#；而机械加工、热处理、表面处理、装配、管理等费用要占成本的&#以上。所以模具材料的工艺性能就成为影响模具成本的一个重要因素，改善模具的工艺性能，不仅可以使模具生产工艺简单，易于制造，而且可以有效地降低模具制造费用。模具材料的工艺性能，经常要考虑的有以下几种。!可加工性模具材料的可加工性包括冷加工性能，如切削、磨削、抛光、冷挤压、冷拉工艺性，热加工性能包括热塑性和热加温度范围等。模具钢主要属于过共析钢和莱氏体钢，冷加工和热加工性能一般都不太好，在生产过程中，必须严格地控制热加工和冷加工的工艺参数，以避免产生缺陷和废品，另一方面还必须通过改善钢的纯净度，减少有害的杂质，改善钢的组织状态，并采取一些措施，以改善钢的工艺性能，降低模具的制造费用。为了改善模具钢的切削性和磨削性，从%世纪(年代开始，研究向钢中加入适量的硫、铅、钙、稀土金属等元素或导致模具钢中碳的石墨化的元素，发展了各种易切削模具钢。以后发现有些易切削元素加入以后，会在模具钢中生产一些有害的夹杂物（如硫化铁等），会使钢的力学性能，特别是横向的塑性、韧性下降，于是又在精炼后期对钢水进行变性处理，通过加入变性剂（如（)*+,，稀土元素等），形成富钙硫化物或稀土硫化物使硫化物球化，抑制了硫对钢的力学性能的不利影响，保留和发挥了其对钢的可加工性和磨削性的有利作用，使易切削模具钢得到进一步地发展。有些模具材料，如高钒高速钢、高钒高合金模具钢的磨削性很差、磨削比很低，不便于磨削加工，近年来改用粉末冶金生产，可以使钢中的碳化物细小、均匀，完全消除了普通工艺生产的高钒模具钢中的大颗粒碳化物，不但使这类钢的磨削性大为改善，而且改善了钢的塑性、韧性等性能，使之能在模具制造中推广应用。有些模具对表面粗糙度要求很低，如要求镜面抛光的塑料模具和一些冷作模具。就要采用抛光性能很好的模具材料，这类钢种往往要采用电渣重熔或真空电弧重熔等工艺进行精炼，得到高纯净度的钢材，以适应镜面抛光的要求。皮纹加工性：有些塑料制品要求制造有皮纹、装饰性图案或文字花样的表面，为了生产这些制品，就要求在压制这些制品的模具表面加工出相应的清晰的花纹、图案来。而-.第二篇模具材料及其热处理加工这些图案、皮纹一般是采用化学蚀刻工艺，要求模具材料要能适应这种化学蚀刻工艺，蚀刻以后，能够在模具表面得到图案清晰、纹理清楚的皮纹和图案。铸造工艺性能：为了简化生产工艺，国内外近年来致力于发展采用铸造工艺直接生产出接近成品模具形状的铸造毛坯。如我国已经研究采用铸造工艺生产一部分冷作模具、热作模具和玻璃成形模具。相应地发展了一些铸造模具用钢，对这类材料要求具有良好的铸造工艺性能，如流动性、收缩率等。焊接性：有些模具要求在工作条件最苛刻的部分堆焊接特种耐磨或耐蚀材料，有些模具希望在使用过程中采用堆焊工艺进行修复后重新使用。对这类模具就要求选用焊接性好的模具材料，以简化焊接工艺，可以避免或简化焊前预热和焊后处理工艺，更好地适应焊接工艺的需要，相尖地发展了一批焊接性良好的模具材料。冷变形性：为了简化工艺，提高模具的制造效率，对批量生产的型腔模具，有些采用冷挤压工艺压制型腔，用淬硬的凸模将模具的型腔直接压制出来，要求模具材料具有良好的冷变形性能，如塑料模具钢中的低碳低硅钢就具有良好的冷变形性能。!淬火温度和淬火变形为了便于生产，希望模具材料的淬火温度范围要宽一些，特别是有些模具要求采用火焰加热局部淬火时，难以精确地测量和控制温度，就要求模具钢能适应较宽的淬火温度范围，模具在热处理时，要求其变形程度要小，特别是一些形状复杂的精密模具，淬硬以后难以修整，就对淬回火的变形程度要求更为严格，应该选用微变形模具钢制造。#淬透性和淬硬性淬硬性主要取决于钢的碳含量，淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。对于大部分要求高硬度的冷作模具，对淬硬性要求较高；对于大部分热作模具和塑料模具，对于硬度的要求不太高，往往更多地考虑其淬透性；特别是对于一些大截面深型腔模具，为了使模具的心部也能得到良好的组织和均匀的硬度，就要求选用淬透性好的模具钢。另外对于形状复杂、要求精度高又容易产生热处理变形的模具，为了减少其热处理变形，往往尽可能采用冷却能力弱的淬火介质（如油冷、空冷、加压淬火或盐浴淬火），就需要采用淬透性较好的模具材料，以得到满意的淬火硬度和淬硬层深度。$氧化脱碳敏感性模具在加热过程中，如果产生氧化、脱碳现象，就会改变模具的形状和性能，影响模具的硬度、耐磨性和使用寿命，招致模具早期失效。有些钼含量高的模具钢，由于容易氧化、脱碳，有一段时间限制了其推广应用，直到热处理工艺装备发展以后，采用特种热处理工艺（如真空热处理，可控气氛热处理、盐浴热处理等）以后，能够避免氧化、脱碳，这类模具钢，才顺利得到推广应用。钼基合金虽然具有极为优秀的高温性能，但是由于在高温下极易氧化，严重地限制了其应用范围。%&第一章模具材料与热处理概述三、模具材料的冶金质量及其他应考虑的因素冶金质量也对模具材料的性能有很大的影响，只有具有优秀的冶金质量，才能充分发挥模具材料的各种性能。因此对于生产精密、复杂、长寿命的模具，必须选用冶金质量优秀的适宜的材料。国内外主要冶金生产部门也千方百计致力于模具材料冶金质量的提高。主要有以下几个方面：!冶炼质量对于高质量的模具钢，国内外广泛采用炉外精炼、真空处理、真空冶炼、喷粉处理、电渣重熔等工艺、降低钢中的有害元素、氧、氢和夹杂物的含量，进行化学成分和浇注温度的微调。通过电渣重熔还能够有效地改善钢的低倍组织和致密度，提高材料的等向性。国内一些生产厂的试验说明电弧炉生产的#$%&()*+,钢的横向冲击韧度值只相当于纵向的-!.，通过电渣重熔以后的#$%&()*+,钢钢材，横向冲击韧度值可相当于纵向的/0.1，提高!倍以上。对于特殊要求的模具材料，则采用粉末冶金工艺生产的粉末高速钢和粉末高合金模具钢，可以更好地改善钢的组织和性能。2 锻造轧制工艺在保证一定的锻造比的基础上，尽可能采用镦粗一拔长锻造和交叉轧制工艺，以提高模具材料的等向性。为了减少加工余量，提高材料的利用率，广泛采用精锻机、快锻水压机、高精度连轧机生产，提供高精度的钢材适应模具制造的需要。-热处理和精加工锻、轧材的热处理，应采用可控气氛或真空热处理，避免氧化脱碳，对有些塑料模具钢和热作模具钢应由冶金部门进行预硬处理。对有些要求高的热作模具材料应由冶金部门预先进行组织细化处理，消除钢中的粗大碳化物和链状分布的碳化物，得到细小、均匀分布的碳化物组织，以进一步改善钢的各种性能，特别是等向性。根据国外的一些报道，有些热作模具钢通过电渣重熔多向锻造（轧制）组织细化处理，生产出高质量高等向性的模具钢，其横向的冲击韧度值可以相当于纵向的 30.以上。不少钢厂对这种工艺生产的钢命名了商品牌号如奥地利伯乐钢厂的 4)564)$；日本日立金属公司的 4)57859:，日本高周波钢业公司的 4$85;4-级。还有模具的主要承受载荷的方向最好能选择与钢材的变形方向相一致，以减少钢材的各向异性对模具的不利影响。#导热性导热性也是模具材料，特别是有些热作模具材料和塑料模具材料的主要13第二篇模具材料及其热处理性能指标之一。导热性好的模具材料，能把加工中产生的热量和加工工件传来的热量迅速传出，避免模具工作表面产生过热现象改善模具的工作条件。对一些热塑性塑料成形用的模具和一些压铸模具，为了加快生产节奏希望压制的工件迅速降温脱模，以提高生产率，为了解决这一问题，有时选用一些比钢铁导热性更好的模具材料，如高强度铜合金、高强度铝合金等。!精料和制品化为了缩短了模具的制造周期，模具制造部门在选购模具材料时，应可能选用精料和制品，如经过剥皮，冷拔或磨削加工的精品钢材，经过粗加工、精加工、甚至精加工淬火回火的模块。模具制造部门利用这些精料和制品稍进行加工即可与标准模架装配使用。既可以有效地缩短模具制造周期，适应模具使用部门的需要，又因为前一阶段精料和制品的生产是在冶金厂高效率大批量生产的，可以降低生产费用，提高材料利用率。#其他应考虑的因素在进行模具材料选择时，根据模具的使用条件和要求，除了必须考虑以上各种因素，特别是材料的主要性能必须与模具的使用条件要求相适应外，还需要考虑选用的模具材料的价格和通用性。一般情况下，当生产的工件批量很大，模具的尺寸较小时，模具材料在模具制造费用中所占的份额很小，材料的价格可不作为主要考虑的指标，可以尽量选择比较高级的适用的模具材料。而对于大型或特大型形状较简单的模具，由于模具材料的费用将在模具总的成本中占较大的份额，所以可以根据生产工件的批量，选用价格较低的模具材料，或者模具本体选用价格低的材料，而在模具的关键工作部位，如型腔或刃口处，采用镶块或堆焊的方法将高级的模具材料镶上去或堆焊上去，既能提高模具的使用寿命，又能降低材料费用。模具材料的通用性，也是选用模具材料时必须考虑的因素。模具材料一般用量不大，品种、规格很多，为了便于在市场上采购和备料，应该考虑材料的通用性。除了特殊要求以外，尽可能采用大量生产的通用型模具材料，由于通用型模具钢技术比较成熟，积累的生产工艺和使用经验较多，性能数据也比较完整，便于在设计和制造过程中参考。另外选用通用型模具材料，可以便于采购、备料和材料管理工作。第三节模具钢热处理金属材料与热处理的关系非常密切。热处理是模具制造过程中不可或缺的加工工$%第一章模具材料与热处理概述艺之一。它对模具的质量和成本有很大影响，因此为模具材料生产者、模具设计者和制造者以及模具使用者所重视。通常所说的模具热处理，包括两部分，即模具材料的热处理和模具零件（准确应称工件）的热处理。以钢为例，前者是在钢厂内完成的，作为钢材产品供应市场，必须保证钢材的质量，如基本力学性能，金相组织等，都要符合国家或行业标准规定的要求，或者满足用户订货时与钢厂签订合同规定的要求。其特点是在大型工业炉中大批量生产，对象是轧材、锻件、模块等。模具零件热处理是在模具制造厂或热处理专业厂完成的，其特点是小批量或单件生产；工艺多样复杂，设备精良，相对而言是精工细作。模具零件热处理工艺涉及零件的形状结构、尺寸大小和重量，精度以及热处理技术要求等许多因素，内容十分丰富，工艺千变万化。所以严格而言，模具钢热处理和模具零件热处理是两个不同内涵的概念。通常情况，笼统都叫模具热处理，非必要时不作严格区别。模具钢在钢厂的热处理主要是退火和正火。还有以预硬钢状态供应的预硬化型模具钢的强韧化处理（淬火和回火）；微合金非调质钢的形变热处理（控轧控冷）；也有以热轧状态供应的，如我国的非合金塑料模具钢!#$%!$系列。但硬度必须控制在规定范围内。其他还有为满足用户特殊要求的热处理。一、钢的退火退火一般是把钢加热到高于临界温度约&%()，保温一定时间，随后使其缓冷到室温以获得接近于平衡状态组织的工艺。其目的在于：使钢的硬度降至接近最低值；消除钢的内应力；使钢的化学成分均匀以及细化钢的晶粒、改善钢的组织，为后续加工工序作准备。正火是把钢加热到*+(或*+,，以上约(%$)，使其完全奥氏体化，并保温一定时间使奥氏体均匀，然后在静止空气中冷却。正火的目的是使钢的成分均匀和组织细化，为以后热处理工序准备有利的条件，或为了使钢达到一定的力学性能。一般退火和正火工艺的区别除加热温度的高低外，更重要的是加热保温后冷却速度的不同。如前所述，正火的冷却速度以在静止空气中冷却为准。退火的冷却速度则较正火的为慢。对淬透性不大的钢来说，退火后的组织应为珠光体加先共析相（铁素体或碳化物）或球化体，而正火后则可能有贝氏体出现。对淬透性高的钢来说，如果奥氏体化后在静止空气中冷却有马氏体形成时，则不称正火处理。退火时，也应选择合适的冷却速度，避免产生硬化组织。由于正火较之退火采用了较快的冷却速度，若它们的组织都是珠光体，正火组织则比退火要细得多。因此正火的钢具有较高的硬度和强度。此外，常把某些低于临界温度*-以下的热处理也称做退火，例如软化退火和再结晶./第二篇模具材料及其热处理退火等等。退火工艺应根据退火的目的来决定。退火成功与否，几乎完全取决于奥氏体的形成和均匀化，以及随后缓慢冷却时奥氏体在适当过冷情况下的分解。经过热加工（锻轧）缓慢冷却下来的钢，其金相组织为铁素体和碳化物的混合组织，其碳化物含量多少及分布情况一般决定于钢的化学成分、停锻或停轧温度以及冷却速度等。如将具有此种组织的钢加热到!#，及!$（或!%）之间，并保持足够的时间，除形成奥氏体外，还将含有一部分铁素体或碳化物。对于亚共析钢而言，加热到上述温度范围时，其中的碳化物将迅速地固溶于奥氏体中，并保留一部分铁素体。而过共析钢，除碳化物溶入奥氏体使达饱和状态外，还将留存一部分碳化物，此种留存的碳化物在适当条件下将聚集球化。若加热温度高于!$或!%，则将形成单相的奥氏体组织。但一些高碳高合金钢，如高碳高铬冷作模具钢等，由于其中的特殊碳化物十分稳定，不易溶入奥氏体中，以致加热温度虽然高于!%并保持较长时间，也难获得单一的奥氏体组织。奥氏体在高温时的均匀程度、晶粒大小以及是否有碳化物颗粒存在，对钢的退火组织有决定性的影响。单相均匀的奥氏体缓冷后，除在晶界上出现数量不同的先共析产物（铁素体或碳化物）外，晶粒内部将为粗细不同的珠光体。如奥氏体中有呈弥散状态分布的碳化物颗粒存在，缓冷时又在略低于下临界点保温较长时间，则将形成球化体。退火的允许加热速度随钢的化学成分、原始组织的不同而变。通常，钢中合金元素多，则加热速度应慢些。在退火过程中，奥氏体形成的速度和成分的均匀程度决定于加热温度的高低和保温时间的长短。加热温度愈高，保温时间愈长，则奥氏体形成愈快，成分也愈均匀。但与此同时，尤其是加热温度愈高奥氏体的晶粒就会变得愈粗大。在退火的正常缓冷条件下，均匀的奥氏体除先析出先共析产物外，其余将转变成珠光体。其转变温度与冷却速度有关，若冷却速度愈快，奥氏体的转变温度愈低，珠光体的片层也将随转变温度的降低而变得细薄，先共析产物的数量也将随冷却速度的增加而减少。由此可见模具钢退火加热保温后的冷却速度的控制是很重要的。因为无论是先共析产物的多少和珠光体的粗细，都将影响模具钢退火后的各种性能。退火工艺需要很长时间。为了缩短整个退火工艺过程的周期，当缓冷至已获得所需组织和硬度（此时转变已经完成）的温度后，即可适当地使其快速冷却至室温。模具钢退火，应在带有保护气氛的热处理炉内进行，以防止氧化或脱碳等疵病的发生。#&完全退火完全退火是将亚共析钢加热到!$以上，保温足够的时间，使完全转变成奥氏体并使奥氏体均匀化（或基本均匀），继之以缓慢冷却。完全退火的目的是：使钢软化，以便于第一章模具材料与热处理概述以后的机械切削加工或塑性变形加工；使钢的晶粒细化和消除内应力，以及为淬火准备适宜的组织。为了达到上述目的，完全退火的加热温度通常规定为高于!#$%&#%。但模具钢中含有强碳化物形成元素，如钨、铬、钼和钒等，其奥氏体化温度应适当地提高一些。这样可使它们所形成的碳化物能够较快地溶入奥氏体中。退火加热保温应有足够的时间使奥氏体均匀化。保温后的冷却速度应根据所欲达到的目的来决定。一般完全退火需时较长。为了缩短工艺过程的时间，保温后，可尽快地把钢从退火加热温度降至稍低于下临界温度。此后，选用适当的冷却速度缓冷，使其在珠光体转变温度范围内转变成符合要求的金相组织和性能。亚共析钢完全退火后所得正常组织为铁素体和珠光体。但由于冷却速度的不同，铁素体和珠光体的形状、分布以及数量（(）也不一样。钢中珠光体的百分数因冷却速度不同而有差异，珠光体中的碳含量一般也不同。因为亚共析钢或共析钢完全或不完全退火后，碳绝大部分存在于珠光体中（铁素体的碳含量在室温时只有%)%*(）。退火后若珠光体多，则珠光体的碳含量就低；若珠光体少，其碳的浓度就高。所以在金相检验时，应注意。除非经过良好的完全退火（接近平衡状态）的钢，否则不能只凭视场中珠光体的多少来与共析成分的钢（完全退火后为+%(的珠光体）比较，作出试样含碳若干的判断。$)不完全退火不完全退火的加热温度介于上下临界温度之间，通常稍高于下临界温度。对于亚共析钢而言，不完全退火的加热温度在!+&!#之间，而过共析钢则在!+&!,之间。当热轧钢材在上述温度加热时，只是原来的珠光体发生重结晶相变而形成奥氏体，而铁素体（或碳化物）则依然存在（当然它们的含量随温度的高低而有所改变）。在退火的缓冷过程中，铁素体（或碳化物）无变化，而奥氏体又转变成珠光体。此时它们的分布情况大致与未退火前相同，只是珠光体层片的厚薄由于冷却速度的不同而有所改变。冷却速度快，珠光体的层片薄，硬度较高；冷却速度慢，珠光体的层片厚，其硬度也较低。因此，从钢加热时组织转变的情况出发，不完全退火与完全退火的区别在于：前者只是部分的重结晶形成奥氏体，而后者则全部重结晶完全转变成奥氏体。不完全退火的目的与完全退火近似，但由于在加热温度下不能完全重结晶，所以细化晶粒方面不如完全退火的好。不完全退火的优点是加热温度低，所以使用较广。例如，因锻件的停锻温度正确（对亚共析钢而言，正确的停锻温度仅稍高于!-#），未引起晶粒粗大，铁素体和珠光体的分布也无异常现象，此时采用不完全退火即可满足要求，而不必一定要进行完全退火。#)等温退火%+第二篇模具材料及其热处理等温退火的工艺过程是将须退火的钢加热到临界温度以上（亚共析钢加热到!#以上，共析钢和过共析钢加热到!$以上）保持一定时间，使其奥氏体化和奥氏体均匀化。然后放入另一温度稍低于!%$的炉中，或在原加热炉中使钢迅速随炉冷至稍低于!%$，的温度进行等温。在等温过程中奥氏体将随所采用等温温度的高低而转变成所需的层片厚薄适宜的珠光体。当转变完成后，即可从炉中取出空冷。等温退火的工艺过程包括三个阶段：即奥氏体化加热和保温，速冷至等温温度并保持一定时间和出炉空冷。选择奥氏体化温度除与钢种有关外，还须根据技术要求和钢的原始组织来调整。例如较高的奥氏体化温度可以促进形成层状组织；较低的奥氏体化温度容易得到球化体。奥氏体化后钢的等温温度应根据最终所欲获得的性能，从该钢种的等温转变曲线（&曲线）上来确定，例如等温温度距!$越近，所获得珠光体的层片越粗（钢的硬度越低）；距!$越远，则珠光体的层片越细（钢的硬度越高）。所以，为了得到最软的组织，可采用较低的奥氏体化温度和较高的等温温度。但须注意，选择等温温度时还须考虑过冷奥氏体完成珠光体转变的时间，也就是应尽量选择所需时间较短而又能获得所需硬度的等温温度。此外钢在等温温度所保持的时间应较等温转变曲线上所标明的时间要长些，这样可以保证过冷奥氏体的转变完全。尤其是截面较大的钢材更应如此，因为从奥氏体化温度冷却时，必须有一段时间，钢的心部才能冷至等温温度。等温后其组织已转变完成，此时钢材从炉中取出，无论用什么冷却方法，其组织不会再有变化。不过冷却速度太大，钢材可能因受热应力而发生变形。所以通常多在空气中冷却。退火时，对于温度的控制和准确性，都必须有较高的要求。等温退火也可用来防止钢中白点的形成。模具用合金渗碳钢也进行等温退火。奥氏体化温度为#()*(+，即比随后的渗碳温度略高一些。这种处理的目的是为了减少渗碳过程中可能发生的任何变形。转变开始于,$(),-(+，经过.)*/转变完成。得到的组织是铁素体和珠光体。对大多数切削加工工艺来说是合适的。在钢材生产的各个阶段，都可以利用等温退火，如高合金模具钢的钢锭或热轧钢坯，当自由冷却到室温时，容易出现裂纹，在这种情况下，可将热的钢锭或钢坯放入到温度为0(+左右的等温退火炉中（该温度相当于钢的珠光体转变温度），转变完成以后再自由地冷却到室温。许多钢种在进行等温退火时有使渗碳体球化的效果，因此等温退火和球化退火有时二者混为一谈，俗称等温球化退火。等温球化退火的工艺要点是：!尽可能低的奥氏体化温度（稍高于!$）；尽可能高的等温温度；#足够长的等温时间，使转变和球化完成。*1 球化退火$($第一章模具材料与热处理概述球化退火是使钢获得球化体的工艺方法。所谓球化体是指呈球状小颗粒的碳化物（或渗碳体）均匀地分布在铁素体基体中的金相组织。球化退火的成功与否，与奥氏体化温度有关。例如将钢加热到!以上使其奥氏体化，然后将其冷至稍低于!的温度并保温的退火工艺过程，从原则上讲，奥氏体化的温度愈高，愈不容易得到球化体；而只有奥氏体化温度接近!时，因奥氏体晶粒很小，浓度又不均匀，且有大量的未溶解的碳化物作为质点存在，在随后稍低于!，保温过程中，才容易得到球化体。由于球化退火的奥氏体化温度仅稍高于临界温度，因此对加热温度是否准确，应密切注意。若实际温度偏低，此时钢很可能没有奥氏体化，球化就不会完全。若是具有网状碳化物的过共析钢，由于上述情况，网状碳化物就不可能消除，因而达不到球化退火的目的。在退火过程中球化的速度，多少与钢的原组织有关。最易于球化的是碳化物细小而分布均匀的淬火组织或经过冷加工的组织。相比之下，原为粗珠光体组织的钢则较难球化。球化退火多用于过共析钢。球化退火方法有下列几种，其工艺曲线如#$所示。图#$常用球化退火方法示意图（）将钢加热到稍低于!长时间的保温。此法主要用于淬火或冷加工后钢的球化。（#）将钢加热到稍高于!保温一段时间，而后冷至略低于!保温。然后再升温至第一次加热温度，再冷至略低于!保温。如