1、高速钢冷作模具深冷处理及应用摘要：指出了对高速钢采用-196液氮深冷处理可使组织发生明显变化，有效促使残留奥氏体向马氏体转变及超细碳化物的析出，使模具获得较佳的综合力学性能，深冷处理后高速钢模具的使用寿命较常规热处理提高三倍以上，具有十分重要的使用价值。关键词 高速钢 模具 残留奥氏体 超细碳化物 使用寿命 1 引言高速钢自 1990 年问世以来，一直是以制造金属切削刀具而著称，随着科学技术的飞跃发展，高速钢的应用范围不断扩大。从 60 年代开始，日本以汽车、自行车工业为中心， 试用高速钢做模具取得成功，现在生产的高速钢约有 15%用于制造模具。高速 钢主要是用来制造冷挤压模具及冷墩压模具，特
2、别是 Mo 系高速钢比 W 系高速钢韧性更加优越。高速钢用于模具的主要工艺难点在于热处理技术的掌握。目前我国使用最广泛的高速钢是钨系 W18Cr4V（简称 18-4-1）钢和钨钼系 W6Mo5Cr4V2（简称 6-5-4-2）钢1。这两种钢的传统淬火回火工艺特点是：高温淬火后需在一次硬化范围内回火三次，以获得高硬度和热硬性，工艺规范如表 1 所示。主要缺点是在某些场所硬度不足。为了改善模具强韧性，近年来高速钢的传统淬火回火工艺也发生了变革。表 1 高速钢常用热处理规格 钢号 淬火加热温度范围（） 回火规范 切削刀具 冷作模具 W18Cr4V 1240-1310 1240-1250 5601h3
3、 次 W6Mo5Cr4V2 1200-1250 1180-1200 5601h3 次 2 深冷处理法原理及工艺过程高速钢的冷处理是在三十年代后期提出的，按传统概念，冷处理的目的是将淬火钢件冷却到零下（一般为-60-70 ），使钢内的残余奥氏体转变为马氏体。过去工业上采用高速钢冷处理主要应用于缩短热处理生产周期，即用淬火+冷处理+一次回火来代替处理方法2，即在-100 -196（液氮）处理淬火零件，其后在 400回火一次，不必需原来 23 次的重复回火。经深冷处理后零件的硬度和耐磨性进一步改善，耐磨性可提高 40%，既缩短回火时间，节省了能量，又明显提高了模具使用寿命。20 世纪 70 年代以来
4、，国内外对深冷处理的研究工作卓有成效，前苏联、美国、日本等国均已成功利用深冷处理提高工模具的使用寿命、工件的耐磨性及尺寸稳定性。（1）深冷处理后的组织转变。经深冷处理的淬火高速钢不但引起了奥氏体转变，同时也引起了马氏体转变。过去几十年来强调的是残余奥氏体转变，马氏体分解这一新发现可以看作近年来高速钢深冷处理研究的新进展。高速钢种的马氏体最终转变点 Mf 非常低，例如 W18Cr4V 钢的 Mf 点约-100 ，因此淬火冷却到室温会残留大量的奥氏体，一般认为钢中残留较多的奥氏体是有害的，会降低钢的硬度、耐磨性及使用寿命，还使许多物理性能特别是热性能和磁性下降。试验证明：采用深冷处理可使钢中残留奥
5、氏体降至最低极限，由表 2 可以看出W18Cr4V 高速 钢经淬火、回火后，深冷处理可以使回火后的残留奥氏体量降低 24%。表 2 不同处理工艺对 W18Cr4V 钢残留奥氏体的影响（体积百分数%） 热处理工艺 残留奥氏体 AR 1280淬火+5001h3 次回火 10 -196深冷处理 7.6 前苏联列宁格勒工业大学研究了-196 液氮中 15min 的深冷处理对高速钢转变的影响，试验结果表明，-70-75 到-130 -140范围内进行深冷处理时发生马氏体转变，当冷却到-196时转变停滞。在 -90-120温度范围内，出现试样容积的见效，这证明马氏体已部分分解并在位错面上析出了碳原子和形成
6、了超显微碳化物。可见，社冷处理使高速钢析出碳化物的颗粒明显增多，且弥散均匀，W18Cr4V 钢经深冷处理后碳化物颗粒约增加 8%，W6Mo5Cr4V2 钢析出的碳化物 颗粒约增加76%，基体组织亦明显细化。 （2）深冷处理对高速钢性能的影响。深冷处理过程中，大量的残留奥氏体转变为马氏体，特别是过饱和的亚稳定马氏体在从-196至室温过程中会降低 过饱和度，析出弥散、尺寸仅为 2060A 并与基体保持共格关系的超微细碳化物，可以使马氏体晶格畸变减小，微观应力降低，而细小弥散的碳化物在材料塑性变形时可以阻碍位错运动，从而强化基体组织。同时由于超微细碳化物颗析出，均匀分布在马氏体基体上，减弱了晶界催化
7、作用，而基体组织的细化既减弱了杂质元素在晶界的偏聚程度，又发挥了晶界强化作用，从而改善了高速钢的性能，使硬度、冲击韧性和耐磨性都显著提高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%。可看出深冷处理后模具的相对耐磨性提高 40%，延 长深冷处理时间后，在硬度没有太大变化的情况下，相对耐磨性有所增大4。（3）高速钢模具深冷处理工艺过程为防止高速钢模具（特别是形状复杂的模具）在深冷处理中发生断裂和变脆，建议淬火后的高速钢模具在 560回火 1h 再进行液氮深冷处理，然后在 400进行最终回火 30-60min，这种热处理工艺不但可以防止
8、模具断裂和脆化，而且可以提高模具寿命 1.52 倍。高速钢模具深冷处理工艺过程为，模具除油垢放入保温罐中少量多次注入液氮保温 4h 取出模具 400回火 45min。3 高速钢模具深冷处理应用实例（1）凸模：汽车厂的高速钢凸模，未经深冷处理时只能使用 10万次，而采用液氮经-1964h 深冷处理后再 400 回火，使用寿命提高到 130 万次。（2）冲压凹模：生产使用结果表明，深冷处理后产量提高二倍多。（3）硅钢片冷冲模：为降低模具深冷处理后的脆性和内应力，将深冷处理与中温回火相配合，可改善模具抗破坏性及其它综合性能，模具的刃磨寿命提高 3 倍以上，稳定在 57 万冲次。4 结束语 （1）高速钢深冷处理过程中，由于残留奥氏体向马氏体以及超细碳化物的析出，硬度、耐磨性、冲击韧性、 红硬性得到提高。（2）作为一种新工艺深冷处理应用在高速模具钢的热处理中，可显著提高模具的使用寿命，具有很大的实用价值。参考文献1 陈景榕.高速钢冷作模具J.机械工业材料，1994， （8）2 中山久彦.用液氮进行的液体超冷 处温J.国外金属热处理，1987，（1）3 丛吉远等.高速钢深冷处理的组织转变 及耐磨性J.热加工工艺，1998，（3）4 陈长风等.深冷处理对 T12 钢磨料磨损性能的影响J. 金属热处理，2000， （10）作者：空军航空维修技术学院机电工程系（湖南长沙 410124） 刘劲松
