新熱處理工藝對9SiCr模具鋼的作用

杜景來

摘 要：在制造模具的過程中，經常配合使用多種熱處理工藝來改善9SiCr鋼的微觀組織和力學性能。例如在熱處理的不同階段，通過控制不同的溫度，來調節馬氏體和碳化物的大小、形狀、數量和分布特點等，使鋼件的硬度和耐磨性得到提高。與一般所使用的高低溫熱處理、退火、淬火等熱處理方式不同，本文采取的是一種新的熱處理工藝，叫做真空熱處理，來提高模具的沖擊強度、耐磨性和使用壽命。

關鍵詞：9SiCr；模具鋼；熱處理；深冷處理

1 引言

9SiCr鋼是一種低合金刃具用鋼，在國內的運用較為廣泛，常用于冷作模具上，起到了很好的效果。與鉻鋼（Cr2或9Cr2）相比，9SiCr鋼的淬透性和淬硬性都比較高，而且回火穩定性優良。該鋼最早是由前蘇聯發現的，當時命名為9XC，也就是現在的9CrSi鋼。成分和性能與9XC完全一樣。其它國家也有一些相似的牌號，例如德國有90CrSi5牌號，瑞典有SR1855牌號等。傳統的刃具鋼制零件較多使用鹽浴淬火、箱式電阻爐淬火或者保護氣氛爐淬火等，但是使用真空熱處理工藝，則有更加顯著的優點。由于和普通電阻爐相比，真空熱處理可以很好地控制加熱和冷卻速度，所以在加熱過程中9SiCr模具鋼的氧化程度較小、脫碳較少、零件表面光澤性好，變形量小，由此提高了零件的韌性和使用壽命。

2 9SiCr模具鋼

2.1 9SiCr的物理特性

9SiCr模具鋼主要的成份除了鐵之外，一般有：碳、硅、錳、硫、磷、鉻、鎳、銅等，其添加的量一般不超過2%。該鋼在提煉過程中，碳化物分布均勻，不易析出碳化物顆粒。但是使用正火過程，就可以將析出的網狀碳化物顆粒消除。由于9SiCr鋼在鍛造過程中容易脫碳，所以經常使用中性氣氛或者惰性氣體進行保護加熱。9SiCr鋼的密度為7.80t/m3，軟化溫度為320℃，比鉻鋼具有更好的淬透性，如果使用油淬，則淬透深度可達40～50mm。而使用保溫的方法則可消除在淬火過程中由于加熱引起的氧化和脫碳等，還能修復不均勻的奧氏體，細化馬氏體，使零件整體的組織強韌性提高。

2.2 9SiCr鋼常用的熱處理工藝

9SiCr鋼的熱處理工藝主要有：（1）鍛熱調質處理，通常將溫度升高到900℃后進行油淬，再降低到700～720℃進行高溫回火；（2）正火，在900 ～920℃下進行保溫，鹽浴爐和空冷爐的保溫時間分別為25 ～30s/mm和70 ～90s/mm；（3）球化退火，在790 ～810℃溫度下保溫2 ～4h，爐泠后，再將溫度調節到700 ～720℃保溫3 ～4h，然后以不低于30℃/h的冷卻速度隨爐冷卻到500～600℃，最后將零件取出后進行空冷；（4）調質處理，先在880～890℃下，進行淬火，然后進行油冷。再將溫度調節到680～700℃進行回火熱處理；（5）深冷處理，升溫至870℃后進行淬火處理，然后再在200℃下保溫回火1小時，最后在-196℃下進行深冷處理10小時。

2.3 9SiCr鋼的運用范圍

9SiCr模具鋼零件的淬透性好，常用分級或等溫淬火來縮小熱處理中零件的變形量。例如在制造螺栓十字槽沖模時，將9SiCr置于900℃加熱，然后再進行260～280℃保溫30分鐘，其硬度和沖擊韌性比常規處理的沖模提高3倍，壽命也更長。又如，在制作形狀復雜的凹凸模時，9SiCr鋼被用于制造沖裁模具。另外，該鋼被用于制造滾絲模、搓絲板、冷鐓模等，也可以用于生產沖頭，壓花模、鉆頭、鉸刀等，還能用于生產一些精密零件模或者高精度模等。

3 9SiCr鋼的真空熱處理工藝

3.1 實驗采用的原料和設備

真空熱處理新工藝，就是指將真空技術與熱處理技術相結合發展而來的新型熱處理技術。這種過程主要是將零件置于加熱爐內，并保證一定的真空效果進行熱處理，其過程又可細分為低真空、中等真空、高真空和超高真空四種。這里采用真空熱處理的9SiCr模具鋼主要成份為C、Mn、Si、Cr、P、S，含量分別為0.03%～1.60%不等。熱處理過程采用的設備為雙室真空油淬爐，再配合普通的箱式電阻爐對9SiCr鋼進行普通熱處理。

3.2 9SiCr鋼的熱處理過程

準備兩組試樣，分別進行真空熱處理和普通電阻爐熱處理。當使用真空爐對9SiCr鋼加熱時，要預先對真空爐抽真空，將壓強調節至13.3Pa以下，使零件的加熱處于1.33～13.3Pa的壓強中，然后在氬氣的保護氣氛下進行油淬，保持壓強為5×104Pa左右。而使用普通電爐，則將爐溫升到（86010℃），保溫40分鐘后，進行油淬。再用普通井式電爐將穩定調節到200℃，保溫150分鐘后進行空冷。

3.3 新熱處理工藝對9SiCr鋼所起的作用

在使用真空爐后，由于其加熱速度較為緩慢，零件在加熱過程中受熱均勻，熱應力減小，形變量減少，這都明顯優于普通電阻爐的熱處理過程。另外，和普通電阻爐相比，真空爐加熱時殘存的氣體大多為水蒸汽、二氧化碳、油脂等有機物蒸汽。這些條件都使零件表面處于活性狀態下，不容易形成氧化、脫碳等現象，這樣零件表面的光潔度更好，硬度和耐磨性都得到提高。而且由于真空熱處理在油淬過程中各表面的冷卻速度比較均勻，不易形成阻礙冷卻的氧化膜。此外，在回火后，零件中獲得了較多的細針狀馬氏體組織，因此沖擊韌度和抗拉強度都得到提高。同時，真空熱處理均勻的加熱方式，使得零件內部碳化物分布均勻，在熱處理后斷口的韌窩增多，零件的韌性由此而提高。

4 結束語

9SiCr鋼采用真空熱處理的方法，可以使零件的表面質量更好。本文采用真空熱處理工藝對9SiCr模具鋼進行熱處理，由實驗結果可以看到試樣的性能得到較大的提高。與普通的熱處理過程相比，零件的硬度更加均勻，變形量降低，耐磨性得到提高。斷口形貌也得到改善，由此提高了模具的韌性。

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