提高模具壽命的若干技術問題

孟實，于東海，趙步青，胡會峰

1.遼沈工業集團有限公司工具制造廠 遼寧沈陽 110045

2.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

1 序言

模具是工業生產的主要工藝裝置，模具工業是基礎工業。模具在國際上被喻為金屬加工的“帝王”，模具工業是衡量一個國家綜合經濟技術水平的標志和晴雨表。世界各國都十分重視模具工業的發展。我國的模具工業發展迅速，從1996年至今，產值以每年10%～20%的速度快速增長。但由于人才匱乏，技術落后，造成模具制造周期長，質量差，成本高，模具壽命不盡人意。據有關方面統計分析，在模具失效諸多因素中，材料和熱處理因素占50%，可見模具的選材及熱處理是何等重要。

2 國內外模具壽命對比

據《中國模具信息》2001年第11期報道，國內外模具壽命對比見表1[1]。時間過去近20年，我國模具整體水平比國外低的格局并未改變，我國的模具技術發展很快，有的已達國際水平，少數領先，但就總體而言，在大型、精密、復雜的長壽命模具方面和國外相比，仍有較大的差距。

3 提高模具壽命的技術措施

3.1 采用純凈高性能的模具鋼

材料是基礎，基礎不牢地動山搖，G B/T 1299—2014《工模具鋼》中列出了冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼的具體成分，并對雜質、含量提出了嚴格要求，但市售的模具鋼買賣雙方質量糾紛不斷。我們應從正規渠道采購，不能貪便宜，應優先選用粉末鋼、噴射鋼和純凈度高的優質鋼。另外，選用3Cr2W8V鋼制造熱作模具時，應關注其含碳量，國外先進標準均為wC=0.25%～0.35%[2]，而我國標準為wC=0.30%～0.40%，此鋼一直沿用前蘇聯3X2B8?鋼標準，俄羅斯標準TOCT 5950—2000早已改成wC=0.27%～0.33%，而我國標準一直未作修改。實踐證明，3Cr2W8V鋼含碳量高則有害無益，好多早期失效皆由它引起。趙步青早于1994年7月在“哈爾濱舉行的第七屆全國工具熱處理年會”上提出修訂3Cr2W8V鋼含碳量的建議[3]。

表1 國內外模具壽命對比

3.2 進行強韌化處理

中碳中合金熱作模具鋼在鍛后緩慢冷卻或模坯截面較大時（φ＞100mm），其組織中易出現鏈狀碳化物，導致模具早期脆斷、熱裂和龜裂失效。因此，需采用組織預處理予以消除，以提高模具強韌性和使用壽命。

3CrMoW2V鋼采用1130℃正火，可使M6C碳化物溶解，在空冷速度＞15℃/min時，超過形成鏈狀碳化物的臨界冷速，可消除鏈狀碳化物，并在隨后的球化退火后獲得顆粒勻細分布的碳化物。

3.3 采用節能降耗的預處理熱處理新工藝

1）采用鍛后余熱退火的形變熱處理。

2）采用快速勻細球化退火新工藝。

3）熱作模具鋼由常規高溫回火改為中溫回火處理。

4）增加調質處理。

3.4 采用真空淬火或保護氣氛熱處理

自20世紀80年代末Cr12MoV鋼模具真空淬火成功后，模具真空淬火應用日益普及，特別是高壓氣淬。

3.5 深冷處理

淬火后的模具在-110℃以下作深冷處理時，析出微細碳化物殘留物，殘留奧氏體轉變成馬氏體，可提高耐磨性、抗回火穩定性、尺寸穩定性。M12螺母冷鐓模經深冷處理后使用壽命提高兩倍，鋁合金熱擠壓模使用壽命提高1倍。

3.6 降溫淬火

選用高速鋼制模，其淬火溫度不同于刀具，普遍采用較低的淬火加熱溫度，即降溫淬火，如W18BCrV鋼淬火溫度為1180～1200℃，M2、W9鋼淬火溫度為1160～1180℃。采用低溫淬火，可獲得良好的強韌性，減少變形、開裂、崩刀傾向，提高模具性能、質量和壽命。

3.7 高溫淬火

用5CrNiMo、5CrMnMo、3CrW8V等鋼制造的熱作模具，宜采用較高的溫度淬火，以獲得較多的板條馬氏體，提高斷裂韌度和熱疲勞抗力，提高其性能和壽命[4]。

3.8 復合強韌化

M2鋼制模具，1180～1190℃加熱，在稍低于Ms點以下等溫1～1.5h，560℃×2h×2次硝鹽回火，可獲得B下+M的復相組織，與淬油相比，抗彎強度提高56%，在擠壓08鋼制工件時，壽命大幅提高，以磨損失效。再如，H13鋼制模具，由常規淬火＋回火改用1030℃加熱淬火，250℃×10min等溫分級，使aK值提高33.4%，壽命比3CrW8V鋼提高1.6～6倍。

3.9 在第一類回火脆性區回火

世間一切事物都是相對的，而不是絕對的。T10A鋼和GCr15鋼的第一類回火脆性區在230～270℃，一般用180～200℃回火。國內有人偏選在該鋼的第一類回火脆性區回火，可獲得高的疲勞抗力。對于應力集中不嚴重、承受拉伸-壓縮-彎曲應力的冷作模具，因其壽命主要取決于疲勞裂紋的萌生，所以應盡可能提高強度，用此工藝可收到奇效。

3.10 表面強化[5]

縱觀各種模具失效，大多從表面開始，因此應做好“表面文章”。其中包括碳氮共滲、氮碳共滲、滲氮后氧化、蒸汽處理、TD處理、表面涂層、滲硼、滲金屬、硫化、硼硫復合滲，以及表面感應加熱、激光淬火等。不是所有模具都可以進行各種強化，應有所針對性。

目前，世界上模具表面強化方法如圖1所示[6]。

圖1 國外標準表面處理工藝

3.11 提高熱作模具的抗熱疲勞性能

熱開裂和熱疲勞決定了材料的高溫強度和模具表面狀態，劃痕和電火花加工變形層會促使裂紋產生和擴大，為此人們采取了一系列的措施。

1）Y10鋼制模，應適當提高淬火溫度、回火溫度，以增強熱疲勞抗力。

2）避免脫碳，因為脫碳會使熱疲勞裂紋擴大，降低熱疲勞強度。

3）滲氮，特別是有化合物層時，滲氮能防止熱疲勞裂紋的產生。

4）表面粗糙度差和磨紋會降低熱疲勞抗力。

5）提高高溫強度和塑性有利于提高熱疲勞強度。

6）電火花加工出現大的變形層有損于熱疲勞強度。

7）熱作模具高溫回火比低溫回火有低的熱沖擊裂紋敏感性。

8）熱作模具涂層可提高熱疲勞性能及耐磨性。

3.12 模具熱處理變形的矯正法

熱處理變形實屬正常，關鍵是掌握變形規律并設法矯正。變形矯正的方法簡介如下：

1）利用馬氏體相變超塑性的原理適時矯正，4m機械刀片、1.5m長拉刀淬火后冷至適當溫度，輕輕施壓就可矯正好，模具校直亦然。

2）加壓回火：系指施加壓力以矯正淬火畸變的回火，如大薄刀片。

3）冷處理矯正：殘留奧氏體多的不銹鋼淬火件，-70℃×1～2h深冷處理時尺寸脹大，制作Cr12鋼模具最合適。

4）熱點矯正：在彎曲件的最凸處，用氧乙炔火焰或高頻感應加熱裝置，快速加熱到700℃左右，迅速冷卻收縮，予以矯正。

5）高頻縮孔矯正：脹大的工件，放在感應圈內加熱至700℃左右，迅速冷卻可起到縮孔作用。縮孔多次時應進行去應力處理。

6）電鍍增厚矯正法。

7）化學腐蝕矯正：腐蝕劑有40%H N O3+60%H2O或20%HNO3+20%H2SO4。不需腐蝕處用瀝青或石蠟保護。

8）急冷縮孔矯正：對于孔脹大的工件，可退火加熱到700℃后迅速冷卻1～2次進行矯正。

4 結束語

科學技術是第一生產力，以上展現的提高模具壽命的12項技術措施經濟實用。只要我們認真研究模具失效的原因，制訂整改方案，有針對性地采取相應技術措施，就一定能造出高質量、長壽命的模具。