刍议高速钢模具的热处理工艺

黄祖平

(江门市新会冈州职业技术学校，广东 江门 529100）

从20世纪60年代日本以汽车工业为中心试用高速钢做模具取得成功后，高速钢模具使用经久不衰，主要是由于高速钢具有超硬材料所不能比拟的韧性及优良的可加工性。同时也由于高速钢比超硬材料成本低廉，具有比碳素钢、低合金钢、铬模具钢更优良的热硬性及耐磨性能的缘故。在现代模具中，高速钢模具仍占有很重要的位置，而高速钢用于模具的主要工艺难点在于热处理技术。

1 高速钢模具的预热

高速钢模具第一次预热一般是在空气炉中进行，主要是起烘干工件的作用。显然第一次预热看起来要比第二次预热的重要性差一些，但不论从操作安全角度来看，还是从工件的均匀加热来看，第一次预热仍然是必要的。第一次预热采用的温度，大致在500～600℃之间。其加热时间是根据工件的有效厚度，为1～2分钟/毫米。为了和高温炉的生产效率相协调，一般是将第一次预热的炉膛加大，其预热的工件数，是高温炉加热工件数的10倍以上。

第二、次预热一般是在盐浴炉中进行，温度常为800-900℃。对于精度要求低、形状简单的工件，可采用预热温度的上限，反之取预热温度的下限。对于含钴高速钢，一般推荐用950℃预热，而对于要严格防止脱碳的工件，可采用较低温度，即750℃左右，或705～790℃。第二次预热时间，大致是高温加热时间的一倍。一般来说，第一次预热，第二次预热与高温加热时间按一定比例进行计算，一般为：高温加热：第二次预热：第一次预热=1：2：3或1：3：5。

预热是整个加热过程的一部分，如果将预热工艺和最后加热工艺互相适当调整，即使改变预热温度，也不会致对工件的淬火加热产生很大影响。仅从这个角度来看，我们可以认为具体选定的预热温度，一般不会对工件质量产生重大作用。但在热处理生产线中，如果只注意最后高温加热温度和时间的控制，而不注意预热这一环节，则其炉温或时间的变化，势必影响最终热处理质量，可能给工件性能带来很大影响。

2 高速钢模具的加热温度

高速钢的合金元素溶解量多少，取决于淬火加热温度的高低。在选择高速钢的淬火加热温度时，首先要考虑钢的化学成分，不同型号高速钢，有其规定的加热温度范围。在这个前提下，由于对工件有各种不同的要求及尺寸形状，所以具体选定时要更为复杂些。通常，我们应根据下述原则来确定加热温度。

(1)在保证必要的热硬性前提下，应适当降低加热温度。另外对于精度要求很高的工件，为了减少变形，也应适当降低加热温度。

(2)钢材碳化物偏析级别也影响加热温度。对于大型工件，即使经过锻造，也不易使其材质分布充分均匀，尤其是心部，更是如此。这种碳化物不均匀度过大的钢件在加热时，为了防止开裂，宜采用下限加热温度，而加热时间可适当延长。对碳化物不均匀度大的钢件，如采用上限温度加热，则奥氏体晶粒易于长大，因而降低了工件的强度和韧性。而且在碳化物堆集处，由于含碳量高，如采用上限加热温度，容易产生过热，同样会降低钢材的强度和韧性。还有，由于碳化物分布不均匀，造成奥氏体的合金度不一样，以致使Ms点不一致，于是马氏体转变有前有后，增加了工件的组织应力。这些都是形成工件变形和开裂的重要因素。

（3）根据工作条件来选择加热温度。这可从以下几个方面来考虑：对于截面小的模具，在使用过程中，往往感到强度不足，一般导致因热硬性不高而造成损坏。为了使工件具有综合的机械性能，应采用较低的淬火温度，以便于得到足够的强度，并保持一定的热硬性。对于截面积较大、承受单位载荷较小的工件，强度不致发生问题，故宜采用较高的淬火温度，以求提高其热硬性。对于工件刃部工作时受热较高，但冲击载荷小、形状简单的模具，则宜采用较高的淬火温度，以期获得较高的热硬性。

（4）对于不同产地的钢材，应选择不同淬火温度，例如国内大连钢厂、大冶钢厂、上钢五厂的高速钢，可采用较高的加热温度。

3 高速钢模具的加热时间

我们认为加热时间，从定义上讲，应包括三部分，即压温时间、透烧时间和保温时间。当然尺寸不大的工件，压温现象不明显。但我们认为在实际情况下的盐浴中加热，即使是小工件，在成批生产条件下，也应考虑压温时间，否则将影响热处理质量。所谓压温时间系指在大批量生产过程中，成批工件装入炉内，迫使高温炉降温，然后又逐渐回升到规定的温度那一段加热时间。考虑压温时间，实质上就是考虑装炉方法、装炉量的多少、加热温度的高低、高温炉的功率大小、炉膛形式以及预热温度的高低。对透烧时间，主要考虑工件的形状及大小。而对保温时间，主要考虑钢的化学成分以及碳化物的形状和分布状况。

4 高速钢模具的淬火

在淬火过程中，冷却是一个极为重要的环节。淬火冷却方法必须根据工件的形状和尺寸等条件进行选择。高速钢的淬火冷却方式目前主要有三种，即气冷、油冷、盐浴冷却。目前在我国采用盐浴冷却最为普遍。笔者在此谈谈加热和冷却过程中工件温度的变化。热处理过程中，工件本身温度与工艺规定温度之间，必然存在着一定的差别，而且同一工件的各个部位也存在着差别。当工件在加热时，表面要比内部升温快，通过预热及炉中的停留，可使工件的表面和内部的温度基本趋于一致。而在冷却过程中，由于工件表面降温快，所以内部的温度要比外部的温度高。而通过某一温度盐浴的分级和等温，可使工件的表面和内部的温度差减少。这些具体问题，不论在编制热处理工艺，还是在热处理操作中，都必须充分考虑。

分级淬火指将工件加热后淬入温度高于Ms点的热浴中，进行短时间的停留，使工件各部位的温度趋于一致，然后通过空冷获得马氏体及残余奥氏体组织。对于高速钢而言，就是将工件从高温炉中出炉后，放入温度处于高速钢奥氏体稳定性最大的温度区之内的盐浴中，进行短时间停留，然后在空气中冷却。这是避免油中冷却工件变形较大而采取的一种冷却方式。高速钢分级淬火时，因为在Ms点以下是空冷，内应力大为减少，另外采用此法时，残余奥氏体量增多，与油淬相比，要增加2～3成，残余奥氏体在回火过程中，也有利于减少内应力，可以使工件开裂、变形减少，而强度、韧性有所提高。高速钢油淬与分级淬火的主要区别就在残余奥氏体的数量不同。也就是说分级淬火时，Ms点升高，淬火马氏体量减少，而残余奥氏体量增多。

5 高速钢模具的回火

回火是紧接着淬火后的一项重要热处理操作，也往往是工件在整个热处理操作过程中最后的一项操作，高速钢模具高温淬火后一般需在一次硬化范围内回火三次，以获得高硬度和热硬性，回火操作进行的正确与否，对于工件的使用性能，同样具有重要意义。在高速钢的回火工艺中，应当充分注意回火温度、保温时间以及加热和冷却方法。下面重点研究回火温度。淬火后的高速钢，加热至400～475℃以下，虽然物理性能及机械性能。发生显著变化，但在光学显微镜下的金相组织并未发生变化。因为400～475℃以下的回火，其组织仍为未溶碳化物、残余奥氏体及析出少量s相或渗碳体的回火马氏体。由于渗碳体碳化物颗粒大，不可能产生弥散强化，故硬度将下降。而当加热到500～650℃保温一段时间后，马氏体转变为析出大量细小合金碳化物的回火马氏体，残余奥氏体冷却时转变为马氏体，这就是使钢获得二次硬化的回火。温度再上升，则弥散碳化物开始集聚长大，导致硬度再次下降。可见回火温度对高速钢的组织及性能的影响是很大的。

结语

高速钢模具的热处理工艺质量的好坏对其性能和使用寿命的影响甚大。本文对高速钢模具的热处理工艺进行了粗浅的论述，其目的是为了使大家更多地认识高速钢模具热处理工艺的发展，从而在提高高速钢模具的强度、韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能，降低制造成本，提高使用性能等方面做出贡献。

[1]吴连海.高速钢模具的热处理工艺研究[J].科技资讯，2011，(27):59-59.

[2]李东和.深冷处理工艺及其在高速钢模具中的应用[J].沈阳师范大学学报，2007，25(3):333-334.