模具材料与热处理工艺选择问题研究
摘 要：随着科学技术的发展和不断提高，模具材料的热处理工艺的选择问题得到了很好的解决。近几年，我国模具行业发展迅速，不过模具材料的水平和热处理工艺跟发达国家相比，还有很大的差距。目前模具市场的竞争非常激烈，如何提高模具的生产质量和减少产生周期是一个很重要的问题。延长模具的性能会带来巨大的经济效益和社会效益。从理论上讲，模具的性能主要包括精度和表面光洁度。
关键词：模具材料 问题研究 热处理工艺
在现阶段，模具是一种很重要的加工工艺装备，也是我国制造业发展的重要基础。随着我国工业的不断发展，对模具材料的性能要求越来越高，对模具材料的需求也相应的增加。模具材料的性能好坏决定着产品的质量和经济效益。而模具的寿命对于加工效率和成本也有非常大的影响。从理论上讲，模具的失效分为工作失效和偶然失效，工作失效指的是模具在正常工作时发生破损而导致模具寿命的结束。偶然失效指的是模具由于设计的错误从而导致模具过早的破损。影响模具寿命的因素包括五点：第一热处理不当，占百45%[1]。第二，选材不当导致模具结构的不合理，占25%。第三，工艺问题，占大约10%。第四，润换问题导致设备损坏，占大约20%。由此可见，模具材料与热处理之间的关系是影响模具寿命最主要的因素。解决热处理工艺问题是增加模具寿命的关键。
一、模具材料简介
1.1 冷作模具材料
在模具材料中，冷作模具的种类一般比较多，而且形状结构的差异也比较大。这种模具材料的工作条件和性能不是很相同。因此，在选择冷作模具时候，要进行综合的考虑，才能发挥材料的功能。目前，我国常用的冷作模具材料主要分为四大类：高速钢、硬质合金、碳素工具钢和合金工具钢[2]。
1.2 热作模具材料
在模具材料中，热作模具的选用比较苛刻，热作模具通常要在600℃左右的高温下进行工作，因此对于模具材料的选择有更高的要求，模具材料的强度，硬度，耐磨性和抗冷热疲劳度都要很好。此外，模具材料还要具备抗氧化性和抗腐蚀性。为了更好地适应先进的加工技术，很多新设备对于模具材料的韧性也做出了比较高的要求，随着一些新型热加工技术的出现和发展，新型模具材料也应运而生。例如，铁基高温合金、镍基高温合金和难熔合金用来做高温的热作模具材料[3]。
1.3 塑料模具材料
随着石油化工行业的不断发展，塑料模具已经成为了非常重要的工业原料。近年来，塑料制品越来越多，因此用于制品的塑料模具消耗量也很多。与传统的冷作和热作模具相比，塑料模具的性能更为特殊。塑料模具具有较高的硬度，一般的耐磨性和足够的深化深度。此外，塑料模具还有较低的耐热性，在200℃-250℃的温度下工作，塑料模具不变形，不养化，稳定性很好。最后，塑料模具的耐腐蚀性比热作和冷作模具要好很多。
1.4 玻璃模具材料
玻璃模具材料是一种新型的模具，目前，随着科学的不断发展，很多大型公司都在研制性能更好的玻璃模具材料来代替其他模具[4]。
二、冷作模具材料及其热处理的选择
对于冷作模具来讲，其使用寿命与模具的硬度，强度和耐磨性有很大的关系。因此，对于冷作模具的热处理工艺要求很高。对于冷作模具材料的主要性能要求是：首先要有很好的耐磨性，高强度和足够的韧性;其次要具有很好的抗疲劳性，抗擦伤性以及咬合性。
2.1 低淬透性冷作模具钢及其热处理
满足以上性能要求的冷作模具材料包括低淬透性冷作模具钢，低变形冷作模具钢和高合金工具钢等。在低淬透性冷作模具钢中使用最多的是碳素工具钢，其主要特点是含碳量比较高，耐热性比较好，可以在临界迅速地冷却并产生热应力的变形，这种变形可以主导模具的收缩方向。碳素工具钢的含碳量越高，其收缩量也就越大[5]。
除此之外，碳素工具钢的收缩会导致模具内部产生很大的内应力，这种内应力必须通过回火或者其他的方法进行消除。当然对于这种变形量的大小也要受到模具截面尺寸和淬火加热温度的影响。因此，影响低淬透性冷作模具钢冷作模具寿命的主要因素就是淬火的工艺。
2.2 低变形冷作模具钢及其热处理
对于低变形冷作模具钢来讲，其主要是在碳素工具钢的基础上添加少量的合金元素发展起来的。其中CrWMn是典型的钢种，这种钢结构具有很好的高淬透性。并且在淬火的时候不需要进行强烈的.冷却，淬火的变形量也比碳素工具钢要明显减少。但是，这类钢的变形也同样受到淬火加热温度和模具截面尺寸的影响。低变形冷作模具钢淬火温度在选择的时候，由于钨形式碳化物，这种钢在淬火低温回火时都具有很多的碳化物，并且具有很高的硬度。当采用800℃进行加热淬火时，可以得到较高的硬度(63HRC)，还可以获得较高的抗弯强度和韧性。如果继续提高淬火温度时，低变形冷作模具钢的硬度就会慢慢地降低，而且抗弯强度也会降低。当淬火温度大于850℃时，硬度不断开始下降。所以，为了减少低变形冷作模具钢的变形量和提高耐磨性，淬火的温度不宜过高[6]。
2.3 高合金工具钢及其热处理
对于高合金工具钢来讲，其主要性能与碳素工具钢有一定的区别，高合金工具钢的高强度和耐磨性都比碳素工具钢要好很多。高合金工具钢的含碳量很高，同时还具有大量的碳化物元素，因此高合金工具钢具有很高的淬透性、耐磨性和热硬性。高合金工具钢在淬火时候不需要进行快速的冷却，因此产生的内应力比较小。
高合金钢模具的淬火温度的选择，首先要考虑控制淬火的变形。而冷却的方法则要根据模具的具体要求和情况而定。高合金工具钢的回火抗力很高，因此，在回火的时候很容易导致马氏体的分解和残余奥氏体的转变，这两种转变和分解都会影响模具尺寸的变形。因此高合金工具钢一般都采用低温淬火和低温回火。这样可以很好地获得高强度、高韧性和高耐磨性。此外，在模具材料生产过程中，要根据模具的工作条件来确定何种方法淬火和回火。
三、结语
在整个模具制造行业中，模具的材料是其物质基础和技术的基础。模具材料性能的好坏时时刻刻影响着模具的寿命。因此要提高模具的寿命必须要对模具进行热处理，模具的热处理工艺是保证模具性能的重要过程，与模具的寿命息息相关。如果模具材料的热处理工艺不当，就会导致模具性能不良，例如模具的韧性，冷热疲劳性能和抗磨损性能的下降。从而严重地影响模具的工作寿命，还会降低产品的质量。因此。对于不同的冷冲模具应该选择不同的模具材料以及相应的热处理工艺。
参考文献：
[1]刘登发，雷根成.模具材料及热处理工艺对模具寿命影响分析与研究[J].模具技术，2008(2).
[2]中国机械工程学会热处理专业学会《热处理手册》编委会.热处理手册[M].北京：机械工业出版社，1991.
[3]陈雪菊，张超，陈慧.模具材料及其热处理对冷冲模具寿命的影响[J].科技信息，2004(2).
[4]李强.3Cr2W8V热作模具钢热处理工艺和性能研究[J].成组技术与生产现代化，2010(4).
[5]楼程华，孔凡志，姚建华等.半导体激光熔覆高硬度铁基合金的耐磨性能研宄[J].应用激光，2010，30(6)：470-474.
[6]Maniya Aghasibeig， Hasse Fredriksson. Laser cladding of a featureless iron-based alloy [J]. Surface and Coatings Technology. 2012， 209： 32-37.
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