工模具鋼熱處理問答
答：熱作模具包括熱鍛模、壓鑄模和熱擠壓模，由于工作期間承受高溫金屬而被加熱，所以需要在高溫下，仍然保持較高的強度和耐磨性。
在通常的熱處理技術標準中，往往只是寫明硬度要求，而沒有明確提出其他性能指標，其他性能指標只是隱含在熱作模具的前提中，這些指標在實際生產過程中的實現，需要對工藝過程進行控制。
在熱處理過程中由于加熱溫度和保溫時間不充分，模具鋼中的合金元素沒有充分奧氏體，淬火回火組織就會出現回火不足現象，抗高溫強度就不夠，紅硬性差，使用中模具龜裂、早期開裂，變形等缺陷。
目前外加工協作的熱處理以硬度為標準來熱處理熱作模具的現象十分普遍。必須通過控制生產過程，使工件保溫充分，熱處理工藝以滿足紅硬性為標準，不能僅僅認為達到硬度要求就是合格模具。
2、熱模具服役期間要做那些熱處理？
答：熱作模具鋼模具在服役期間做維護處理的工藝用：
1) 壓鑄模具在使用一段時間以后，在補充軟氮化；
2) 壓鑄模在使用一段后要進行低于回火溫度的去應力處理；
3) 鍛模在使用一段時間進行去應力處理。
3、合金模具鋼加熱速度需要控制嗎？
答：在熱處理淬火加熱過程升溫速度是一個十分重要的參數，通常應該采用緩慢的加熱方式，升溫速度小于120℃/h，比較理想，可以減少工件在加熱過程中變形，對淬火開裂也起到一定的預防作用。
在現實生產中采用分段升溫的方法來達到控制升溫速度，實現緩慢加熱的效果。分段原則是在加熱相變Ac1之前預熱段和相變Ac1之后的預熱段。在＜550℃低溫階段是鋼的彈性階段，大于這個溫度以后是塑性階段，在加熱相變Ac1之前預熱段是保證工件在Ac1相變是均勻一致，減少相變引起體積變化，碳鋼的預熱通常在450～550℃，高合金鋼可以再550～650℃、820～850℃兩個階段預熱。預熱系數根據加熱爐型和裝爐量確定，無論何種狀態，預熱時間必須比最終奧氏體化時間長。
對于鹽浴爐加熱的工件必須預熱，對于箱式電阻爐加熱的工件控制升溫速度，高于150℃ /h升溫速度是不合理的。
4、模具鋼采用調質預處理的主要作用是什么？
答：模具毛坯的調質處理的目的是，為了獲得硬度為18O～320HB的細球化體或超細晶粒碳化物。目前，國內已推出不少新鋼種，并不斷提高現有鋼種的冶金質量來滿足工模具的需要。同樣在熱處理方法上作了不少改進，除最終熱處理不斷采用新設備(真空熱處理)、新工藝、新技術外，還對傳統的預先熱處理作了很大的變動，并引起業內人士的廣泛關注。如冷作、熱作模具原普遍采用的球化退火或等溫球化退火，現有些已改用調質或超細化處理。合理的調質工藝，可獲得良好的原始組織，以改善淬火工藝性能并提高淬火后的強韌性。
1）調質處理的主要作用
⑴獲得分布均勻、顆粒細小、形狀圓整的碳化物。
⑵可有效地克服粗大珠光體、二次碳化物網或輕微帶狀偏析，以及大截面模塊心部的鑄態組織。
⑶可充分消除加工后的殘余應力，減少淬火變形。
⑷可作為預硬化處理。
2）調質處理的典型用途
⑴改進表面加工質量如碳工鋼或低合金工具鋼退火后硬度過低，加工后表面光潔度太差，可補充調質成硬度為183～229 HB的細球化體組織，能顯著改善表面加工質量。對40Cr、45等中碳鋼，調質到260～300HB時，精加工后能獲得高的光潔度。
⑵防止淬火開裂
用于冷態輾軋、校直的成型軋輥，大多采用 9Cr2或Cr2鋼制作，一般采用噴水淬火或用氫氧化鈉水溶液浸淬，由于形狀復雜，易于淬裂，例如在精加工前，調質為硬度197～229HB的細球化體既能保證良好的淬透性，又可以有效地降低淬裂傾內。
⑶保證淬硬性
φ30mmCr2鋼軋輥，鹽浴加熱淬火后的硬度與毛坯的預處理工藝有關。退火毛坯的淬火硬度為65～66.5HRC，平均66HRC；調質（毛坯850℃淬油，660～680回火，229HB）的淬火硬度為66～67HRC，平均66.8HRC，且硬度高而均勻，未發生淬裂。
⑷用于預硬化模塊的強化處理鋁合金壓鑄模采用滲氮表面強化時，均應采用調質工藝進行預強化處理。塑料模具、沖壓有色金屬薄板或箔料的凹模，也可采用調質預強化。調質后再進行精加工。
5、常用模具鋼調質預處理工藝規范是什么?
答：常用模具鋼調質預處理典型工藝規范如表7-3：
表7-3 模具鋼調質工藝規范
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鋼 號 |
箱式爐淬火加熱 |
淬火 介質 |
回火溫度（℃） |
回火時間（h） |
硬度（HB） |
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加熱溫度（℃） |
加熱系（min/mm） |
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T0A—T12A |
780～880 |
0.8～1.0 |
鹽水 →油 |
640～680 |
1～2 |
183～207 |
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Cr2 |
840～860 |
1.0～1.2 |
油 |
660～680 |
2～3 |
197～217 |
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9SiC r |
880～900 |
油 |
680～700 |
2～3 |
197～229 |
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CrWMn |
840～860 |
油 |
660～680 |
2～3 |
207～229 |
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MnCrW V |
840～860 |
油 |
660～680 |
2～ |
207～229 |
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4Cr5MoSiVl （H13） |
1020±10℃ |
電阻爐時取值
0.5～0.6 |
鹽浴爐時取值
0.3～0.4 |
油 |
660～700 |
3～4 |
269～298 |
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1160 |
油 |
720 |
雙重熱處理 |
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1100 |
油 |
770 |
3～4 |
207～235 |
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Cr12 |
870～900 |
油 |
720～750 |
3～4 |
257～269 |
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Cr12MoV |
1020～1050 |
油 |
720～750 |
3～4 |
257～269 |
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3Cr2W 8V |
1050～1080 |
650～680 |
2～3 |
257～269 |
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① 采用電阻爐加熱時，工件應該涂保護涂料或通入保護氣（氮氣+甲醇）； ② 加熱時間中有預熱的工藝，采用下限值，沒有預熱的采用上限值； ③ 鹽浴爐加熱時加熱溫度比箱式爐電阻爐低10～20℃ ④ 鹽浴爐加熱時的加熱系數取箱式爐電阻爐加熱系數的1/2。 |
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6. 為什么T8加熱容易過熱？
答：用作冷模具的碳素工具鋼主要有T7A 、T10A 、T11A幾種，其中又以T10A 鋼應用得最為普遍。冷模具較少采用T8鋼，主要原因是T8鋼淬火加熱時組織中沒有過剩的碳化物，甚至在加熱溫度比較低（780～790 ℃）的條件下，晶粒容易長大，淬火加熱過熱敏感性大，使用韌性較差，耐磨性差。而過共析鋼T10A 、T11A在淬火后組織中還保留一些剩余的碳化物，可提高模具的耐磨性，加熱時能獲得比較小的晶粒，淬火時過熱敏感性小，熱處理可得到較高的強度和一定的韌性。這就是T10A 鋼應用比較普遍的原因。碳含量超過1.1 %的過共析鋼T12A過剩的碳化物很多，并且顆粒較粗大，碳化物在組織中的分布也不均勻，容易形成網狀或斷續網狀，使鋼的機械性能變壞。但是，對于韌性要求不高，只要求高硬度和耐磨性的切邊模和剪刀，T12A 還是可以采用的。
7. SKD11、SLD-8等模具鋼如何穩定化處理？
答：SKD11的推薦淬火回火的熱處理工藝是：
（1）預熱500～600℃----第二次預熱820～860℃，淬火加熱980～1040℃，淬火介質：油冷或氣淬；淬火硬度60～65HRC；
（2）預熱500～600℃----第二次預熱820～860℃，1060～1100℃，淬火介質：油冷或氣淬；淬火硬度60～65HRC；回火方式有：低溫回火：180～230℃×2～3次，硬度58～62；高溫回火：510～520℃×2～3次，硬度58～62HRC；
SLD-8模具鋼是1%C-8%Cr-2%Mo-V系模具鋼，熱處理工藝是：預熱500～600℃----第二次預熱750～800℃，淬火加熱溫度1020～1040℃，淬火介質選擇氣淬；淬火硬度60～65HRC；低溫回火：150～250℃×1次，≥58HRC硬度；高溫回火：525～550℃×1次，硬度≥62HRC； 注意實際使用中應該至少2～3次回火。
這類冷作模具鋼的穩定化處理通常采用的是在熱處理淬火之后接著進行冷處理，然后在進行低溫回火或高溫回火。對于線切割的工件必須經過高溫回火。冰冷的處理溫度≤-120℃，采用液氮冷卻介質。使殘余奧氏體充分轉變，提高使用中的尺寸穩定性。對于不做冷處理的工件應該采用在2～3次高溫回火之和最終機械加工之后再進行400℃的回火溫度來代替，實踐證明同樣可以達到冰冷處理的穩定尺寸的效果。
8. 熱作模具鋼淬火中貝氏體組織是否有害？
答：熱作模具鋼應先淬火得到馬氏體組織，然后在經過高溫回火獲得高韌性等使用性能要求。如果在淬火組織中存在貝氏體，在高溫回火時，將沿著條狀的α相的晶界析出碳化物，并在該處集聚長大，使鋼的沖擊韌性降低，出現“貝氏體脆性”。為了避免出現“貝氏體脆性” , 應增加淬火冷卻強度，防止工件高溫時進入回火工序，同時盡量避免在淬火過程中在貝氏體溫度間分級或等溫處理。為了防止開裂而必須采用分級處理時盡量縮短分級等溫時間，分級時間保證工件表面和心部溫度達到一致就轉為冷卻工序，淬火后的組織中的貝氏體量限制在15 %以下。～520℃×2～3次，硬度58～62HRC；
SLD-8模具鋼是1%C-8%Cr-2%Mo-V系模具鋼，熱處理工藝是：預熱500～500℃----第二次預熱750～800℃，淬火加熱溫度1020～1040℃，淬火介質選擇氣淬；淬火硬度60～65HRC；低溫回火：150～250℃×1次，≥58HRC硬度；高溫回火：525～550℃×1次，硬度≥62HRC； 注意實際使用中應該至少2～3次回火。
這類冷作模具鋼的穩定化處理通常采用的是在熱處理淬火之后接著進行冷處理，然后在進行低溫回火或高溫回火。對于線切割的工件必須經過高溫回火。冰冷的處理溫度≤-120℃，采用液氮冷卻介質。使殘余奧氏體充分轉變，提高使用中的尺寸穩定性。對于不做冷處理的工件應該采用在2～3次高溫回火之和最終機械加工之后再進行400℃的回火溫度來代替，實踐證明同樣可以達到冰冷處理的穩定尺寸的效果。
9. 高速鋼用作模具時的熱處理奧氏體化加熱的溫度是多少？
答：常用高速鋼有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V等注意在刀具上使用。近年來，隨著冷沖壓、冷軋加工用的各種機械的高速度化及復雜化，模具使用壽命要求日益提高，一般常用的碳素工具鋼及合金工具鋼，在強度還是在耐磨性能方面，都不能滿足要求，所以選用高速鋼來制作這些模具。但是經過常規刀具熱處理工藝處理的高速鋼，最大缺點在于韌性不高，使用中容易崩刃或斷裂。為了提高韌性，首先考慮用降低高速鋼的淬火加熱溫度和回火溫度，來使之滿足工作上的要求，在常溫下使用的冷作模具，其耐磨性能及韌性要比熱硬性更重要，經過試驗證明：降低溫度淬火處理正是提高韌性并保持耐磨性的有效手段。
由于高合金化的緣故加熱降低不能太多，否則出現淬火硬度低的現象，一般通過兩次預熱：600℃一次預熱，鹽浴爐的預熱加熱系數ａ=1～2min/mm，830℃二次預熱，鹽浴爐的預熱加熱系數ａ=0.4～0.5min/mm，最終奧氏體化的溫度分別是：W18Cr4V淬火加熱溫度1200～1240℃，W6Mo5Cr4V2淬火加熱溫度1800～1200℃，W9Mo3Cr4V （Ac1≈835，℃Ac3≈875℃）淬火加熱溫度1800～1200℃，鹽浴爐的預熱加熱系數ａ=0.2～0.3min/mm，裝量一般不要太多，防止加熱不均勻，淬火冷卻可以采用油冷或者高壓氣淬；晶粒度在10～10.5級。回火溫度可以在550～590℃之間根據硬度值需要選擇。回火次數2～3次。硬度控制在60～62HRC之間比較理想。
10. CrWMn鋼熱加工時容易出現何種缺陷組織？
答：CrWMn鋼具有高的淬透性，工件尺寸在Ø40～Ø50mm以下時，在油中可以淬透，因含有W，在淬火和低溫回火后含有較多的碳化物，具有較高的硬度和耐磨性。 W還能細化晶粒，使鋼獲得較好的韌性并減小過熱敏感性，正常情況，希望獲得均勻分布的細小碳化物，但熱加工不當時易成網狀，使鋼韌性變差，易于崩落，降低模具壽命。所以應嚴格控制熱加工工藝。當原材料網狀碳化物嚴重時，應反復鍛造，破壞網狀，并快冷至650～700℃ 后緩冷，以防再形成網狀。
CrWMn鋼的熱處理工藝：
1）退火工藝：
2. CrWMn鋼鍛造后均需要等溫球化退火處理，退火加熱溫度：790～830℃，等溫溫度700～720℃，退火后的組織比較均勻，退火硬度約為255～207HBS。由于CrWMn鍛后易成網狀的特點，鍛后有較嚴重的網狀碳化物析出，則在球化退火之前應進行一次正火處理，正火溫度為 930～950℃，然后空冷。
2）淬火工藝：
淬火加熱溫度820～540℃，保溫時間根據不同爐型以及裝爐量確定。油淬硬度為63～65HRC，直徑φ40～φ50mm的鋼件油中可以淬透。CrWMn鋼經860℃加熱、280℃等溫淬火后，強韌性明顯提高。CrWMn 鋼的淬透性特點是波動范圍大，通常直徑φ40～φ50mm的鋼件油中可以淬透。
3）回火工藝：
回火溫度160～200℃，回火硬度60～62HRC。
11. 模具鋼中反常組織是什么原因引起的？
答：反常組織工件在奧氏體化加熱后緩慢冷卻，在冷卻組織中出現晶界網狀碳化物和包圍這個網狀碳化物的鐵素體組織。在熱作模具鋼3Cr2W8、H13中在鍛造之后采用停鍛時的溫度時沒有采用正確的冷卻工藝，應該首先快冷到700℃以下，再進行退火處理，反而是采用(Ar1～Acm溫度范圍)進行余熱退火處理。由于鍛造溫度加熱溫度過高，高溫奧氏體化加熱充分，合金碳化物溶解完全，在緊接著的余熱退火保溫過程中，奧氏體中合金碳化物析出，析出的碳化物在晶界聚集長大，形成網狀碳化物，并造成碳化物與晶粒之間形成貧合金、貧碳的鐵素體帶，即反常組織。碳化物形式有M2C、M23C6。
熱作模具鋼的碳含量3Cr2W8、H13分別在0.30%～0.40%，0.32%～0.4%，形成的碳化物細小，不容易檢查。往往容易忽略。加上市場價格的競爭，往往不會采用高溫正火等工序來消除，這種組織就遺傳給最終熱處理。
碳化物M23C6在900℃以上開始溶解，1100℃基本溶解完全固溶于奧氏體中，M2C只能在1150～1200℃的溫度部分溶解于奧氏體中，熱處理淬火后網狀碳化物遺留下來，同時使淬火硬度也會降低。具有這種組織模具的使用壽命很低，一般以早期開裂為主，開裂形式是碎裂成多塊。
12. 模具鋼能否使用保護氣氛加熱進行熱處理？
答：模具鋼中有高碳類、中碳類，熱處理加熱溫度有中溫和高溫。目前采用熱處理的爐型主要有中、高溫箱式電阻爐、鹽浴爐、真空爐。很少采用少無氧化的保護氣氛爐做模具鋼的熱處理。一方面是加熱元件和耐熱鋼合金的壽命短，另一方面是保護氣體的選用問題。
例如：5CrMnMo等中溫加熱處理的模具采用箱式爐（或室式爐）進行淬火加熱，為了避免氧化、脫碳，一般采用裝箱加熱，使用木炭或舊滲碳劑填充保護。這樣可能造成模具表面滲碳。滲碳除了掩蓋了模具本身的真實硬度外，主要缺陷還是極容易產生表面熱疲勞裂紋，異致早期脆裂或壽命降低，生產實踐中這種情況相當普遍，一些鍛型模具的熱疲勞裂紋，實際就是由于滲碳而引起。
在實際生產中可以采用甲醇滴注式氣體作為保護氣體來處理中碳合金鋼模具，例如：H13、H11、3Cr2W8V、5CrMnMo、5CrNiMo等，熱處理奧氏體化加熱時間在4～6h時，脫碳層小于0.6mm。使用甲醇氣體時注意在720℃以下溫度不要通入，防止引起爐內氣體爆炸。甲醇氣體的通入量從排除廢氣的火苗高度來判別，一般在100～200mm就可以了。過小的通入量，氣氛的還原性不夠，雖然出爐的工件不會氧化，但是會增加脫碳深度。
對模具鋼進行氮基氣氛保護淬火試驗時，發現1100℃ 以上加熱時，碳勢控制不穩，甚至出現碳勢急劇下降現象。因此氮基氣氛熱處理使用溫度應控制在1050℃以下為宜。
至于高碳合金模具鋼，例如Cr12型 冷作模具鋼的保護氣氛，仍然可以選用甲醇氣體。
13. 模具鋼尺寸在≥200mm時，如何確定其回火時間？
答：大多資料推薦回火2h或沒有說明回火時間，推薦的保溫時間在生產實踐中應該做比較的的修正，資料中的數據應該是指模具表面以及心不均到溫后的保溫時間，如果按照在儀表到溫時即開始計算時間，對于大型模具如果保溫2h顯然是不夠的，稍大一點的模具就不能透燒。
高、中合金模具鋼在電阻爐中于520～650℃左右加熱時，單件加熱到溫的加熱時間約1min/mm，直徑或厚度為200毫米的模具，在有循環風機或無循環風機的情況控制儀表到溫后加熱時間需要150～200min的透燒時間，保溫120分，回火時間共需5～6h。如果考慮多件裝爐時，應根據模具之間的間距考慮間隔系數。間隔系數只考慮在加熱時間內，不包括保溫時間。如直徑Ø200mm的模具間距100mm裝爐系數按1.5min/mm，加熱時間，則應為200min×1.5min/mm ，加上保溫2h總回火時間 8 h。對于模具厚度在100～200mm尺寸，散放多件裝爐，高溫回火時間需要在5～8h之間調整。
也可以參照按模具厚度或直徑以25～30mm/h的方法計算總回火時間。
