賈慶雪1岳掐，趙步青2
1.北京中鼎高科自動(dòng)化技術(shù)有限公司 北京 101102
2.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131
摘要：闡述了模具在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性，簡(jiǎn)介模具材料研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀饭耳，預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)串述，重點(diǎn)解析模具表面強(qiáng)化工藝方法，提出了發(fā)展模具材料建議寞肖，論述了表面強(qiáng)化方法及其選擇原則和應(yīng)用案例纲酗，指出振興民族工業(yè)，必須模具先行新蟆。
關(guān)鍵詞：模具材料觅赊；熱處理；表面強(qiáng)化琼稻；使用壽命
序言
模具是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備吮螺，各行各業(yè)均離不開(kāi)模具，模具工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)帕翻。模具以其特定的結(jié)構(gòu)形式鸠补、通過(guò)特定的方式使材料成形，因?yàn)槠渚哂猩a(chǎn)效率高嘀掸、程序化佳莫鸭、產(chǎn)品質(zhì)量好、材料消耗少横殴，以及生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)被因，所以世界各國(guó)都非常重視模具的應(yīng)用與發(fā)展卿拴。模具使用壽命的高低不僅是衡量模具質(zhì)量的重要指標(biāo)，而且在一定程度上反映一個(gè)地區(qū)甚至一個(gè)國(guó)家的冶金工業(yè)和機(jī)械工業(yè)的水平梨与。我國(guó)已成為世界模具制造大國(guó)堕花，但不是強(qiáng)國(guó)，模具的制造水平與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比粥鞋，還有很大的差距缘挽。據(jù)行業(yè)專家考證，目前我國(guó)模具的使用壽命只有先進(jìn)國(guó)家的1/5～1/2呻粹，一些優(yōu)質(zhì)的模具材料和大型壕曼、復(fù)雜的模具仍需進(jìn)口。據(jù)統(tǒng)計(jì)等浊，在我國(guó)因模具使用壽命低而造成材料腮郊、工時(shí)、輔料及能源消耗筹燕，以及由此對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失轧飞，每年達(dá)數(shù)十億元，并且嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率撒踪，直接影響企業(yè)的生存和發(fā)展过咬，因此，提高模具使用壽命的潛力和空間巨大制妄。
一掸绞、模具在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位
模具在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用十分重要，先從材料上看耕捞，幾乎所有的金屬材料制件衔掸，如鍛件、沖壓件砸脊、鑄件、拉深件和粉末冶金件纬霞，以及非金屬材料零件凌埂，如塑料、橡膠诗芜、玻璃和陶瓷等制品都是用模具成形的瞳抓。再?gòu)墓I(yè)產(chǎn)品上看，模具是汽車伏恐、拖拉機(jī)孩哑、摩托車、航空航天翠桦、機(jī)電横蜒、電器胳蛮、儀表、家電丛晌、日用品仅炊、兵器、軍艦澎蛛、玩具和餐飲等行業(yè)必不可少的工藝裝備抚垄，因此可認(rèn)為是“百業(yè)之母”。同時(shí)谋逻，由于模具產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)性強(qiáng)呆馁，又被描述為“一業(yè)興，百業(yè)旺”毁兆。
少無(wú)切削加工是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向浙滤，而模具正是利用壓力加工實(shí)現(xiàn)少無(wú)切削的首選。由于模具快速成形具有優(yōu)質(zhì)荧恍、高效瓷叫、低耗等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用送巡。據(jù)有關(guān)方面粗略統(tǒng)計(jì)：依靠模具加工的產(chǎn)品和零件摹菠，家電行業(yè)占80%以上，機(jī)電行業(yè)占70%以上骗爆。另外次氨，軍工、輕工以及軌道交通摘投、冶金和建材等行業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)也均離不開(kāi)模具煮寡。
二、模具材料的現(xiàn)狀
世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的改革創(chuàng)新帶動(dòng)了模具工業(yè)的發(fā)展犀呼。目前幸撕，世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的模具工業(yè)發(fā)展很快，已經(jīng)形成一個(gè)專門(mén)生產(chǎn)外臂、制造坐儿、銷售的行業(yè)，初步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化宋光、專業(yè)化貌矿、商品化和規(guī)范化，模具已成為高技術(shù)密集型產(chǎn)品罪佳。與此同時(shí)逛漫，國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，加快了模具產(chǎn)品的更新?lián)Q代赘艳，并倒逼模具材料的發(fā)展酌毡。
（一）模具鋼分類
凡是用來(lái)制造模具的鋼一律稱之為模具鋼克握。目前，我國(guó)的模具材料已規(guī)范化阔馋、系列化玛荞，GB/T 1299—2014《工模具鋼》將模具鋼分為六大系列，簡(jiǎn)介如下呕寝。
1勋眯、耐沖擊模具鋼 該類模具鋼有4CrW2Si、5CrW2Si下梢、6CrW2Si客蹋、6CrMnSi2Mo1V 、5Cr3MnSiMo1孽江、6CrW2SiV共6個(gè)牌號(hào)讶坯。
2、軋輥用鋼該類模具鋼有9Cr2V 岗屏、9Cr2Mo辆琅、9Cr2MoV、8Cr3NiMoV这刷、9Cr5NiMoV共5個(gè)牌號(hào)婉烟。
3、冷作模具鋼 該類模具鋼有9Mn2V暇屋、9CrWMn似袁、CrWMn、MnCrWV咐刨、7CrMn2Mo昙衅、5Cr8M o V S i、7Cr S i M n M o V定鸟、Cr8M o2S i V而涉、Cr4W2MoV、6Cr4W3Mo2VNb联予、6W6Mo5Cr4V啼县、W6M o5Cr4V2、Cr8躯泰、Cr12谭羔、Cr12W 华糖、7Cr7Mo2V2Si麦向、Cr5Mo1V、Cr12MoV客叉、Cr12Mo1V1共19個(gè)牌號(hào)诵竭。
4话告、熱作模具鋼 該類模具鋼有5CrMnMo、5CrNiMo卵慰、4CrNi4Mo沙郭、4Cr2NiMoV、5Cr2NiMoV裳朋、5Cr2NiMoVSi病线、8Cr3、4CrW2VSi鲤嫡、3Cr2W8V送挑、4Cr5M o S i V、4Cr5M o S i V1暖眼、4Cr3M o3S i V惕耕、5Cr4Mo3SiMnVAl、4Cr4MnSiMoV诫肠、5Cr5WMoSi司澎、5Cr5MoWVSi、3Cr3Mo3W2V栋豫、5Cr4W5Mo2V挤安、4 Cr5Mo2V 、3Cr3Mo3V 笼才、4 C r5Mo3V 漱受、3Cr3Mo3VCo3共22個(gè)牌號(hào)。
5骡送、塑料模具鋼 該類模具鋼有SM45昂羡、SM50、SM55摔踱、3Cr2Mo虐先、3Cr2MnNiMo、4Cr2Mn1MoS派敷、8Cr2MnWMoVS蛹批、5CrNiMoMnVSCa、2CrNiMoMnV篮愉、2CrNi3MoAl腐芍、1Ni3MnC uMoAl 、06NiCrMoVTiA l 试躏、00Ni18Co8Mo5TiAl猪勇、2Cr13、4Cr13颠蕴、4Cr13NiVSi泣刹、2Cr17Ni2助析、3Cr17Mo、3Cr17NiMoV椅您、9Cr18外冀、9Cr18MoV共21個(gè)牌號(hào)。
6掀泳、特殊用途模具鋼 該類模具鋼有7Mn15Cr2Al3V2WMo雪隧、3Cr 25Ni20Si2、0Cr17Ni4Cu4Nb员舵、Ni25Cr15Ti2MoMn 膀跌、Ni53Cr19Mo3TiNb共5個(gè)牌號(hào)。
上述6大系列78個(gè)牌號(hào)固灵，只是列入GB/T 1299—2014中的鋼號(hào)捅伤，而未列入標(biāo)準(zhǔn)中的還有很多，標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)只是“冰山一角”巫玻，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中還有許多“非標(biāo)”模具鋼丛忆，鋼廠也在不斷推出模具鋼新產(chǎn)品。
目前仍秤，模具用粉末鋼熄诡、噴射鋼在市場(chǎng)上很受歡迎，應(yīng)用也很廣泛诗力，模具制造廠應(yīng)有針對(duì)性地選用凰浮。
另外，硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金是模具材料家族新成員苇本，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景袜茧。
（二）發(fā)展模具材料建議
目前，國(guó)內(nèi)的模具材料基本上能滿足生產(chǎn)需要瓣窄，但大而精的模具用材料笛厦、特殊材料仍依賴進(jìn)口。因此俺夕，相關(guān)應(yīng)用行業(yè)應(yīng)重視熱處理裳凸，提高模具壽命，材料要先行劝贸，材料是基礎(chǔ)姨谷，基礎(chǔ)不牢地動(dòng)山搖。下面就目前的材料狀況提3點(diǎn)建議映九。
1梦湘、將3Cr2W8V鋼C含量降下來(lái)早在1994年7月，趙步青在哈爾濱召開(kāi)的“全國(guó)工具熱處理交流會(huì)”上指出，應(yīng)將3Cr2W8V鋼C含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）降到0.25%～0.35%践叠，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同規(guī)[1]。我國(guó)20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引入的3Cr2W8V鋼嚼蚀，俄羅斯在2000年前就將該鋼的C含量從原0.30%～0.40%改為0.25%～0.35%[2]禁灼。
從現(xiàn)場(chǎng)失效分析發(fā)現(xiàn)，3Cr2W8V鋼模具開(kāi)裂和熱疲勞破壞轿曙，大多是C含量超過(guò)了0.35%弄捕。因此，建議再修訂模具鋼標(biāo)準(zhǔn)時(shí)导帝，一定要把C含量降下來(lái)守谓，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌。
2您单、冷熱通用的模具鋼有二次硬化效果的模具鋼（如Cr12MoV鋼）冷熱通用斋荞，即通過(guò)不同的熱處理工藝，既可以制造冷作模具虐秦，也可制造熱作模具平酿。
3、高速鋼是重要的模具鋼材料國(guó)標(biāo)在冷作模具鋼中只列出W6Mo5Cr4V2鋼一個(gè)牌號(hào)悦陋，現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的牌號(hào)有10個(gè)以上蜈彼，低合金高速鋼、粉末高速鋼俺驶、噴射高速鋼在冷作模具上應(yīng)用越來(lái)越多幸逆，前景廣闊。
三暮现、模具的表面強(qiáng)化
模具在使用過(guò)程中还绘，經(jīng)常要受到反復(fù)拉伸、彎曲栖袋、扭轉(zhuǎn)蚕甥、擠壓、摩擦磨損栋荸，以及周期性沖擊等各種應(yīng)力的作用菇怀，其表面處于較大的應(yīng)力狀態(tài)，服役條件較為苛刻晌块。大量的事實(shí)表明爱沟，模具的失效和破壞大多發(fā)生在表面，因此除了正確地選材與合理的熱處理外匆背，采用表面強(qiáng)化來(lái)進(jìn)一步提高模具使用壽命也非常重要呼伸。
以下簡(jiǎn)介實(shí)用的模具表面強(qiáng)化舉措。
（一） 表面強(qiáng)化方法選擇的原則
1、提高模具表面的耐磨性 模具耐磨性的高低主要與鋼中碳化物的類型和數(shù)量有關(guān)括享，即使選用Cr12類型的高C搂根、高Cr及高速鋼，其耐磨性往往仍不能滿足要求铃辖，而采用表面強(qiáng)化則行之有效剩愧。
2、耐磨性與強(qiáng)韌性的良好匹配“剛?cè)岵?jì)”“強(qiáng)韌融合”娇斩，對(duì)于目前大多數(shù)使用廠家來(lái)說(shuō)仁卷，提高強(qiáng)韌性更難些，而解決這些矛盾最好的方法就是表面強(qiáng)化犬第。
3锦积、提高抗咬合能力在拉伸、擠壓等類模具中歉嗓，常發(fā)生“冷焊”現(xiàn)象丰介。解決這類問(wèn)題的方法還是表面強(qiáng)化，如硫化鉴分、鉬化基矮、蒸汽處理等。
4冠场、改變表面應(yīng)力狀態(tài) 模具經(jīng)淬火家浇、回火處理，表面為拉應(yīng)力狀態(tài)碴裙，這將促成裂紋的早期形成钢悲，如進(jìn)行表面強(qiáng)化形成壓應(yīng)力，則可提高模具使用壽命舔株，其中噴丸處理是方法之一莺琳。
5、提高抗氧化性和耐蝕性許多熱作模具和塑料模具均有氧化和腐蝕的問(wèn)題载慈，若僅靠選材和熱處理惭等，則難以解決上述問(wèn)題，因此必須依靠表面強(qiáng)化來(lái)彌補(bǔ)办铡，比如鍍鉻就是其中方法之一辞做。
6、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠有許多新的表面強(qiáng)化工藝寡具，不一定適合特定生產(chǎn)條件秤茅，因此必須結(jié)合本企業(yè)的實(shí)際情況，有針對(duì)性地選用表面強(qiáng)化工藝方法童叠。
（二）表面強(qiáng)化工藝及其應(yīng)用實(shí)例
1框喳、滲氮有氣體滲氮、液體滲氮及固體滲氮。經(jīng)滲氮的模具大多含有強(qiáng)氮化物形成元素（如Al五垮、Cr乍惊、W、Mo放仗、V等）的鋼號(hào)润绎，如38CrMoVAl、H13匙监、高速鋼及基體鋼，滲氮溫度低于該鋼的回火溫度小作，滲氮時(shí)間根據(jù)具體鋼種及要求而定亭姥。例如：H13鋼壓鑄模，采用氣體滲氮顾稀，工藝為（530～550）℃×（12～20）h达罗，滲氮后表面硬度達(dá)600～760HV，滲氮層深為0.15～0.20mm静秆。
2粮揉、滲硼3Cr2W8V鋼熱作模具，經(jīng)950℃×4h鹽浴滲硼抚笔，滲層組織為FeB＋Fe2B扶认，最終經(jīng)1050℃鹽浴加熱，分級(jí)淬火殊橙，600℃×2h×3次回火辐宾。經(jīng)上述工藝處理的扳手成形輥鍛模，使用壽命可提高1倍以上膨蛮。
3叠纹、滲鈮模具鋼經(jīng)滲鈮后得到一層Nb含量為80%左右的金黃色鈮碳化物層，滲層組織為NbC敞葛。鹽浴滲鈮工藝為（900～1050）℃×（4～10）h誉察。滲鈮層有極高的硬度，如Cr12MoV鋼模具可達(dá)3200～3500HV惹谐。滲鈮工藝可用于沖模持偏、彎曲模、拉管模氨肌、熱鍛模和粉末冶金等模具综液，使用壽命提高幾倍乃至幾十倍。
4儒飒、PVD谬莹、CVD涂層物理涂層PVD是從化學(xué)蒸汽中沉淀硬質(zhì)材料，諸如硬質(zhì)合金、金屬陶瓷以及所有鋼材均可作PVD涂層附帽。在200～550℃較低的溫度范圍內(nèi)可對(duì)模具實(shí)施涂層埠戳，后續(xù)無(wú)需再熱處理。硬質(zhì)涂層及其性能見(jiàn)表1[3]蕉扮。
表1 硬質(zhì)涂層及其性能
化學(xué)涂層CVD可使模具獲得堅(jiān)硬耐磨表面整胃，通常涂層厚度達(dá)2～10μm，硬度2300～3000HV喳钟，涂層溫度900～1000℃屁使。
5、滲鉻模具滲鉻可使表面形成一層牢固的Cr-Fe-C合金層奔则，使模具能抗高溫氧化蛮寂、抗蝕性能，且具有較高的硬度易茬、強(qiáng)度酬蹋、耐磨性和抗疲勞性能，因此在高溫服役的模具可進(jìn)行滲鉻處理抽莱。滲鉻工藝可分為固體滲鉻范抓、液體滲鉻、氣體滲鉻三大類食铐。例如匕垫，950℃×4h鹽浴滲鉻時(shí)，不同材料滲鉻層厚度及硬度見(jiàn)表2[4]虐呻。不同模具經(jīng)滲鉻處理后年缎，使用壽命可提高50%以上。
（6）模具的氧氮共滲處理氧氮共滲處理后铃慷，可使模具表面形成一層多孔的Fe3O4单芜，該滲層具有良好的減摩性和抗黏著性，共滲溫度540～580℃犁柜，共滲時(shí)間1～3h洲鸠。高速鋼及基體鋼制模具廣泛應(yīng)用此工藝，因?yàn)楣矟B溫度往往是其回火溫度馋缅，所以經(jīng)氧氮共滲處理的模具使用壽命可提高1～2倍扒腕。
7、滲硫及鉬化處理 經(jīng)滲硫和鉬化處理后的模具有摩擦因數(shù)小萤悴、耐磨性好瘾腰、抗咬合性高及抗擦傷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且處理溫度低覆履、成本低蹋盆、見(jiàn)效快费薄。例如，齒輪滾刀的低溫滲硫液配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：硫15%栖雾、氫氧化鈉50%楞抡、其余為水，滲硫溫度130℃析藕，硫化時(shí)間3h召廷。
表2 950℃×4h鹽浴滲鉻不同材料滲鉻層厚度及硬度
齒輪滾刀的低溫鉬化處理液配方為：MoS2（膠體）與水的質(zhì)量比為（10～15）∶100，鉬化溫度為100℃（浸涂液沸騰）账胧，鉬化時(shí)間為40～60min竞慢。另外，也可用甘油鉬化法治泥，其配方為MoS2（膠體）與甘油的質(zhì)量比為（5～10）∶100筹煮，鉬化溫度為180～200℃，保溫時(shí)間為3～4h车摄。
8寺谤、模具的S-N-C復(fù)合共滲S-N-C復(fù)合共滲液體常用尿素作主鹽仑鸥，添加碳酸鈉吮播、碳酸鉀、碳酸鋰等配成鹽浴眼俊，供S劑為硫化鉀意狠、硫化鈉、硫氰化鉀及亞硫酸鈉等疮胖，工藝為（560～570）℃×（1～3）h环戈。例如，W18Cr4V鋼不銹鋼沖模澎灸，經(jīng)S-N-C復(fù)合共滲后院塞，模具壽命由40萬(wàn)件提高到100萬(wàn)件。3Cr2W8V鋼制鋁合金熱擠壓模性昭，模具壽命由40件提到450件拦止。
9、QPQ強(qiáng)化QPQ是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的金屬熔鹽表面強(qiáng)化技術(shù)之一糜颠。該技術(shù)可以數(shù)量級(jí)地提高模具表面性能汹族，其耐磨性比滲碳提高10～15倍，耐蝕性比鍍硬鉻提高15～20倍其兴，用于不同服役條件的模具顶瞒，使用壽命可提高1～3倍。
10元旬、噴丸強(qiáng)化噴丸強(qiáng)化會(huì)使模腔表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力榴徐，試驗(yàn)表明守问，噴丸處理后在600℃時(shí)，殘余壓應(yīng)力還能保持在157MPa的水平箕速，到650℃才完全消失酪碘。據(jù)此分析，噴丸強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力在
熱作模具工作溫度范圍內(nèi)（560～620℃）仍有效盐茎，從而延長(zhǎng)了模具的使用壽命兴垦。
11、激光淬火強(qiáng)化 與其他表面強(qiáng)化相比字柠，激光淬火具有淬硬層深度可控探越、不需要回火、硬度高窑业，以及淬火組織細(xì)小均勻钦幔、耐磨性高、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)常柄。例如鲤氢，GCr15鋼軸承保持架沖孔模經(jīng)激光淬火后，表面硬度為849HV西潘，硬化層深度為0.37mm卷玉，基體的硬度為490HV，使用壽命見(jiàn)表3[5]喷市。
表3 GCr15鋼軸承保持架沖孔模激光淬火后的
12相种、離子注入處理該技術(shù)是將從離子源中引出的離子束加速成具有幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)電子伏的高能離子束后注入模具表面，形成特殊物理品姓、化學(xué)或力學(xué)性能表面改性層的過(guò)程寝并。例如，YG8硬質(zhì)合金拉絲模經(jīng)離子注入處理腹备，提高了拉絲模表面的硬度衬潦、耐磨性、耐疲勞性能和耐蝕性能植酥，從而提高了模具的使用壽命镀岛。
四、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)的模具材料規(guī)格品種比較齊全惧互，能滿足國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的需求哎媚，但鋼材的成分控制及其純凈度有待提高。有人曾用光譜分析國(guó)內(nèi)外同規(guī)格喊儡、同牌號(hào)的模具鋼化學(xué)成分拨与，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)模具鋼材成分波動(dòng)大艾猜、雜質(zhì)多买喧，而國(guó)外模具鋼材成分范圍窄捻悯，除了主要成分外，沒(méi)有多余元素淤毛，這也是國(guó)產(chǎn)模具鋼材制造出的模具使用壽命低的一個(gè)原因今缚。
正確和先進(jìn)的熱處理工藝，可以充分地挖掘模具材料的潛力低淡，提高或延長(zhǎng)其使用壽命姓言。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱處理技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步蔗蹋，如真空熱處理何荚、激光淬火、電子束熱處理猪杭、氣相沉積強(qiáng)化餐塘、可控氣氛熱處理、多元共滲及各種復(fù)合熱處理皂吮，八仙過(guò)海各顯神通戒傻，大大提高了模具質(zhì)量和使用壽命。在工業(yè)生產(chǎn)中蜂筹，模具的重要性不言而喻需纳，因此要振興民族工業(yè)，模具必須先行狂票，從原材料候齿、機(jī)械加工熙暴、熱處理及表面強(qiáng)化闺属，直到客戶使用，環(huán)環(huán)相扣周霉，層層抓緊抓細(xì)掂器，將提高模具使用壽命真正落到實(shí)處。
模具表面強(qiáng)化的“表面文章”內(nèi)涵豐富俱箱、潛力巨大国瓮，沒(méi)有任何一種強(qiáng)化工藝適合所有模具，因此應(yīng)實(shí)施個(gè)性化服務(wù)狞谱，針對(duì)不同服役狀態(tài)下的模具乃摹，制定相應(yīng)的強(qiáng)化工藝，最終落實(shí)到提高使用壽命的課題上來(lái)跟衅。
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