高速鋼冷作模具深冷處理及應用
關鍵詞 高速鋼 模具 殘留奧氏體 超細碳化物 使用壽命
1 引言
高速鋼自1990年問世以來，一直是以制造金屬切削刀具而著稱，隨著科學技術的飛躍發展，高速鋼的應用范圍不斷擴大。從60年代開始，日本以汽車、自行車工業為中心，試用高速鋼做模具取得成功，現在生產的高速鋼約有15%用于制造模具。高速鋼主要是用來制造冷擠壓模具及冷墩壓模具，特別是Mo系高速鋼比W系高速鋼韌性更加優越。高速鋼用于模具的主要工藝難點在于熱處理技術的掌握。目前我國使用最廣泛的高速鋼是鎢系W18Cr4V（簡稱18-4-1）鋼和鎢鉬系W6Mo5Cr4V2（簡稱6-5-4-2）鋼[1]。這兩種鋼的傳統淬火回火工藝特點是：高溫淬火后需在一次硬化范圍內回火三次，以獲得高硬度和熱硬性，工藝規范如表1所示。主要缺點是在某些場所硬度不足。為了改善模具強韌性，近年來高速鋼的傳統淬火回火工藝也發生了變革。
表1 高速鋼常用熱處理規格
| 鋼號 | 淬火加熱溫度范圍（℃） | 回火規范 | |
| 切削刀具 | 冷作模具 | ||
| W18Cr4V | 1240-1310 | 1240-1250 | 560℃×1h×3次 |
| W6Mo5Cr4V2 | 1200-1250 | 1180-1200 | 560℃×1h×3次 |
2 深冷處理法原理及工藝過程
高速鋼的冷處理是在三十年代后期提出的，按傳統概念，冷處理的目的是將淬火鋼件冷卻到零下（一般為-60℃――-70℃），使鋼內的殘余奧氏體轉變為馬氏體。過去工業上采用高速鋼冷處理主要應用于縮短熱處理生產周期，即用淬火+冷處理+一次回火來代替處理方法[2]，即在-100℃― -196℃（液氮）處理淬火零件，其后在400℃回火一次，不必需原來2―3次的重復回火。經深冷處理后零件的硬度和耐磨性進一步改善，耐磨性可提高 40%，既縮短回火時間，節省了能量，又明顯提高了模具使用壽命。20世紀70年代以來，國內外對深冷處理的研究工作卓有成效，前蘇聯、美國、日本等國均已成功利用深冷處理提高工模具的使用壽命、工件的耐磨性及尺寸穩定性。
（1）深冷處理后的組織轉變。
經深冷處理的淬火高速鋼不但引起了奧氏體轉變，同時也引起了馬氏體轉變。過去幾十年來強調的是殘余奧氏體轉變，馬氏體分解這一新發現可以看作近年來高速鋼深冷處理研究的新進展。
高速鋼種的馬氏體最終轉變點Mf非常低，例如W18Cr4V鋼的Mf點約-100℃，因此淬火冷卻到室溫會殘留大量的奧氏體，一般認為鋼中殘留較多的奧氏體是有害的，會降低鋼的硬度、耐磨性及使用壽命，還使許多物理性能特別是熱性能和磁性下降。試驗證明：采用深冷處理可使鋼中殘留奧氏體降至最低極限，由表2可以看出W18Cr4V高速鋼經淬火、回火后，深冷處理可以使回火后的殘留奧氏體量降低24%。
表2 不同處理工藝對W18Cr4V鋼殘留奧氏體的影響（體積百分數%）
| 熱處理工藝 | 殘留奧氏體AR |
| 1280℃淬火+500℃×1h×3次回火 | 10 |
| -196℃深冷處理 | 7.6 |
前蘇聯列寧格勒工業大學研究了-196℃液氮中15min的深冷處理對高速鋼轉變的影響，試驗結果表明，-70℃――-75℃到-130℃―― -140℃范圍內進行深冷處理時發生馬氏體轉變，當冷卻到-196℃時轉變停滯。在-90℃――-120℃溫度范圍內，出現試樣容積的見效，這證明馬氏體已部分分解并在位錯面上析出了碳原子和形成了超顯微碳化物。可見，社冷處理使高速鋼析出碳化物的顆粒明顯增多，且彌散均勻，W18Cr4V鋼經深冷處理后碳化物顆粒約增加8%，W6Mo5Cr4V2鋼析出的碳化物顆粒約增加76%，基體組織亦明顯細化。
（2）深冷處理對高速鋼性能的影響。
深冷處理過程中，大量的殘留奧氏體轉變為馬氏體，特別是過飽和的亞穩定馬氏體在從-196℃至室溫過程中會降低過飽和度，析出彌散、尺寸僅為 20―60A并與基體保持共格關系的超微細碳化物，可以使馬氏體晶格畸變減小，微觀應力降低，而細小彌散的碳化物在材料塑性變形時可以阻礙位錯運動，從而強化基體組織。同時由于超微細碳化物顆析出，均勻分布在馬氏體基體上，減弱了晶界催化作用，而基體組織的細化既減弱了雜質元素在晶界的偏聚程度，又發揮了晶界強化作用，從而改善了高速鋼的性能，使硬度、沖擊韌性和耐磨性都顯著提高[3]。模具硬度高，其耐磨性也就好，如硬度由60HRC提高至 62-63HRC，模具耐磨性增加30%―40%。
可看出深冷處理后模具的相對耐磨性提高40%，延長深冷處理時間后，在硬度沒有太大變化的情況下，相對耐磨性ξ有所增大[4]。
（3）高速鋼模具深冷處理工藝過程
為防止高速鋼模具（特別是形狀復雜的模具）在深冷處理中發生斷裂和變脆，建議淬火后的高速鋼模具在560℃回火1h再進行液氮深冷處理，然后在400℃進行最終回火30-60min，這種熱處理工藝不但可以防止模具斷裂和脆化，而且可以提高模具壽命1.5―2倍。
高速鋼模具深冷處理工藝過程為”，模具除油垢→放入保溫罐中→少量多次注入液氮→保溫4h→取出模具→400℃回火45min。
3 高速鋼模具深冷處理應用實例
（1）凸模：汽車廠的高速鋼凸模，未經深冷處理時只能使用10萬次，而采用液氮經-196℃×4h深冷處理后再400回火，使用壽命提高到130萬次。
（2）沖壓凹模：生產使用結果表明，深冷處理后產量提高二倍多。
（3）硅鋼片冷沖模：為降低模具深冷處理后的脆性和內應力，將深冷處理與中溫回火相配合，可改善模具抗破壞性及其它綜合性能，模具的刃磨壽命提高3倍以上，穩定在5―7萬沖次。
4 結束語
（1）高速鋼深冷處理過程中，由于殘留奧氏體向馬氏體以及超細碳化物的析出，硬度、耐磨性、沖擊韌性、紅硬性得到提高。
（2）作為一種新工藝深冷處理應用在高速模具鋼的熱處理中，可顯著提高模具的使用壽命，具有很大的實用價值。
參考文獻
1 陳景榕.高速鋼冷作模具[J].機械工業材料，1994，（8）
2 中山久彥.用液氮進行的液體超冷處溫[J].國外金屬熱處理，1987，（1）
3 叢吉遠等.高速鋼深冷處理的組織轉變及耐磨性[J].熱加工工藝，1998，（3）
4 陳長風等.深冷處理對T12鋼磨料磨損性能的影響[J].金屬熱處理，2000，（10）
作者：空軍航空維修技術學院機電工程系（湖南長沙 410124） 劉勁松