任 揚(yáng)

（天津力神電池股份有限公司，天津 300384）

汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展對(duì)汽車(chē)外觀設(shè)計(jì)提出了更高要求，從而使覆蓋件模具的工作條件日益苛刻，對(duì)模具的性能、質(zhì)量和品種等也提出了更高要求。為此，各種新型模具鋼和鑄鐵不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并在品種、質(zhì)量、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)裝備上做了大量工作，取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

通用的冷作模具鋼可分為三類(lèi)：低合金冷作模具鋼（如9CrWMnV）、中合金冷作模具鋼（如Cr5Mo1V）及高合金冷作模具鋼（如Cr12Mo1V1）。此外，還有幾種新型冷作模具鋼：①高韌性、高耐磨性冷作模具鋼，如美國(guó)的 8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2VWSi，日本的 QCM8 （8Cr8Mo2VSi）、DC53（Cr8Mo2VSi）、TCD（Cr8V2MoTi）等。這類(lèi)鋼優(yōu)點(diǎn)很多，如組織中的碳化物細(xì)小、彌散，抗彎強(qiáng)度高，斷裂韌性、耐磨性、可切削性、可磨削性及抗回火性好且熱處理變形小，未來(lái)可發(fā)展成為一種通用型模具鋼；②火焰淬火冷作模具鋼，以7CrMnSiMoV應(yīng)用最為普遍，另外有日本的SX5（Cr8MoV）、美國(guó)的CC#1等。其特點(diǎn)是淬火溫度范圍寬、淬透性較高及火焰淬火方便易行；③粉末冶金冷作模具鋼：粉末冶金方法可以生產(chǎn)常規(guī)工藝難以生產(chǎn)的超高碳、高合金（尤其是高釩含量）、高耐磨性的模具鋼，以及碳基碳化鈦。此外，覆蓋件拉深模具中常用到鑄鐵材料，如HT300、QT600-2、Mo、MoCr、MoV，日本的 TGC600、FCD250、FCD540，以及德系車(chē)常用的GGG70L等。

1 模具熱處理技術(shù)

熱處理工序是模具制造中的關(guān)鍵工序，其工藝技術(shù)隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展也快速推進(jìn)到國(guó)際水平。如真空淬火技術(shù)、感應(yīng)淬火技術(shù)和激光淬火技術(shù)等，都得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。熱處理后的表面處理工藝也有很大提高，如PVD、TD、滲氮、液體碳氮共滲和噴涂都有很大改進(jìn)和提高。

1.1 真空熱處理技術(shù)

真空熱處理技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新型的熱處理技術(shù)，其所具備的特點(diǎn)正是模具制造中所迫切需要的，如防止加熱氧化和不脫碳、真空脫氣或除氣，消除氫脆，從而提高材料（零件）的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度。由于真空加熱緩慢、零件內(nèi)外溫差較小等因素，決定了真空熱處理工藝造成的零件變形小。真空熱處理技術(shù)與模具表面強(qiáng)化技術(shù)、模具材料預(yù)硬化技術(shù)成為近20年來(lái)國(guó)際模具熱處理技術(shù)發(fā)展較快的領(lǐng)域。

模具真空熱處理中主要應(yīng)用的是真空油冷淬火、真空氣冷淬火和真空回火。為保持工件真空加熱的優(yōu)良特性，冷卻劑和冷卻工藝的選擇及制定非常重要，模具淬火過(guò)程主要采用油冷和氣冷。對(duì)于熱處理后不再進(jìn)行機(jī)械加工的模具工作面，淬火后盡可能采用真空回火，特別是真空淬火的工件（模具），它可以提高與表面質(zhì)量相關(guān)的機(jī)械性能。如疲勞性能、表面光亮度、耐腐蝕性等。

熱處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使得模具的智能化熱處理成為可能。由于模具生產(chǎn)的小批量（甚至是單件）、多品種的特性，以及對(duì)熱處理性能要求高和不允許出現(xiàn)廢品的特點(diǎn)，又使得模具的智能化熱處理成為必須。國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本等，在真空高壓氣淬方面發(fā)展也很快，主要也是針對(duì)模具開(kāi)發(fā)研究。

熱處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)（包括組織模擬和性能預(yù)測(cè)技術(shù)）的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使得模具的智能化熱處理成為可能。由于模具生產(chǎn)的小批量（甚至是單件）、多品種的特性，以及對(duì)熱處理性能要求高和不允許出現(xiàn)廢品的特點(diǎn)，又使得模具的智能化熱處理成為必須。模具的智能化熱處理包括：明確模具的結(jié)構(gòu)、用材、熱處理性能要求；模具加熱過(guò)程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布的計(jì)算機(jī)模擬；模具冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)、相變過(guò)程和應(yīng)力場(chǎng)分布的計(jì)算機(jī)模擬；加熱和冷卻工藝過(guò)程的仿真；淬火工藝的制定；熱處理設(shè)備的自動(dòng)化控制技術(shù)。國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本等，在真空高壓氣淬方面，已經(jīng)開(kāi)展了這方面的技術(shù)研發(fā)，主要針對(duì)目標(biāo)也是模具。

1.2 表面處理技術(shù)

模具在工作中除了要求基體具有足夠高的強(qiáng)度和韌性的合理配合外，其表面性能對(duì)模具的工作性能和使用壽命至關(guān)重要。模具的表面處理技術(shù)，是通過(guò)表面涂覆、表面改性或復(fù)合處理技術(shù)，改變模具表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。目前在模具制造中應(yīng)用較多的主要是滲氮、滲碳和硬化膜沉積。

滲氮工藝有氣體滲氮、離子滲氮、液體滲氮等方式，每一種滲氮方式中，都有若干種滲氮技術(shù)，可以適應(yīng)不同鋼種不同工件的要求。由于滲氮技術(shù)可形成優(yōu)良性能的表面，并且滲氮工藝與模具鋼的淬火工藝有良好的協(xié)調(diào)性，同時(shí)滲氮溫度低，滲氮后不需激烈冷卻，模具的變形極小，因此模具的表面強(qiáng)化是采用滲氮技術(shù)較早，也是應(yīng)用最廣泛的。

模具滲碳技術(shù)主要是為了提高模具的整體強(qiáng)韌性，即模具的工作表面具有高的強(qiáng)度和耐磨性，由此引入的技術(shù)思路是，用較低級(jí)的材料，即通過(guò)滲碳淬火來(lái)代替較高級(jí)別的材料，從而降低制造成本。

硬化膜沉積技術(shù)目前較成熟的是CVD、PVD。為了增加膜層工件表面的結(jié)合強(qiáng)度,現(xiàn)在發(fā)展了多種增強(qiáng)型CVD、PVD技術(shù)。硬化膜沉積技術(shù)最早在工具(刀具、刃具、量具等)上應(yīng)用，效果極佳，多種刀具已將涂覆硬化膜作為標(biāo)準(zhǔn)工藝。目前的技術(shù)條件下，硬化膜沉積技術(shù)(主要是設(shè)備）的成本較高，仍然只在一些精密、長(zhǎng)壽命模具上應(yīng)用，如果采用建立熱處理中心的方式，則涂覆硬化膜的成本會(huì)大大降低,更多的模具如果采用這一技術(shù),可以整體提高我國(guó)的模具制造水平。

1.3 材料預(yù)硬化技術(shù)

模具在制造過(guò)程中進(jìn)行熱處理是絕大多數(shù)模具長(zhǎng)時(shí)間沿用的一種工藝，隨著加工機(jī)床和切削刀具性能的提高，模具材料的預(yù)硬化技術(shù)開(kāi)發(fā)速度加快，國(guó)際上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在塑料模用材上使用預(yù)硬化模塊的比例已達(dá)60%以上。模具材料的預(yù)硬化技術(shù)主要在模具材料生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)和實(shí)施。通過(guò)調(diào)整鋼的化學(xué)成分和配備相應(yīng)的熱處理設(shè)備，可以大批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的預(yù)硬化模塊。采用預(yù)硬化模具材料，可以簡(jiǎn)化模具制造工藝，縮短模具制造周期，提高模具制造精度。

我國(guó)在上世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始采用預(yù)硬化模塊。在模具材料的預(yù)硬化技術(shù)方面，我國(guó)起步晚，規(guī)模小，目前還不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)模具制造要求。

2 覆蓋件沖壓模具熱處理技術(shù)

2.1 整體熱處理技術(shù)

整體熱處理設(shè)備有鹽浴爐、箱式爐和真空爐。根據(jù)模具使用場(chǎng)合和尺寸大小選擇相應(yīng)的熱處理設(shè)備。一般尺寸較小，表面不允許有氧化脫碳的模具多使用鹽浴爐加熱淬火；尺寸較大，不太重要，且型面可以熱后加工的模具多采用箱式爐加熱淬火；高合金鋼多數(shù)采用真空淬火處理。箱式爐要有很好的密封性，為了防止氧化脫碳，可以向爐內(nèi)通入保護(hù)氣體，另外還可以將工件涂上防氧化脫碳涂料和在熱處理加熱時(shí)向爐內(nèi)放一些木炭。為了防止工件變形和氧化脫碳，世界各國(guó)均采用真空熱處理爐來(lái)處理模具，采用真空熱處理還可以提高模具的使用壽命。真空熱處理分氣淬和油淬兩種。油淬要比氣淬變形大得多，熱處理后加工余量大的模具適宜油淬。使用真空熱處理氣淬爐時(shí)，不同的淬火充氣壓力可以獲得不同的熱處理變形，壓力越大變形越大，壓力越小變形越小，使用時(shí)要根據(jù)不同工件選擇不同的參數(shù)。

2.2 表面淬火

表面淬火適用于變形小、工件尺寸較大、其余部分起輔助作用的場(chǎng)合。汽車(chē)覆蓋件模具多數(shù)比較大，采用表面淬火的比較多，其中空冷鋼、鑄鐵和合金鑄鐵等材質(zhì)的模具多用表面淬火。表面淬火的方法也不盡相同，有火焰淬火、感應(yīng)淬火和激光淬火?；鹧娲慊鸢雌涫褂脷怏w不同可分為乙炔火焰淬火和丙烷火焰淬火。采用丙烷火焰淬火可以跟水，用以減少模具變形和提高模具的硬度。感應(yīng)淬火，采用10～50kHz的超音頻加熱電源。它具有加熱層深的優(yōu)點(diǎn)，一般與表面硬度相同的淬硬層深度在2mm左右，缺點(diǎn)是變形大、易開(kāi)裂。激光淬火是近幾年發(fā)展起來(lái)的表面淬火技術(shù)。它具有淬硬層薄、硬度高、韌性好和位置確定等特點(diǎn)。其最大優(yōu)點(diǎn)是淬火后模具變形小，可以重復(fù)幾次淬火。

2.3 深冷處理

模具鋼經(jīng)深冷處理（-110～-196℃）后，可以提高其力學(xué)性能，一些模具經(jīng)深冷處理后顯著提高了使用壽命。模具鋼的深冷處理可以在淬火和回火工序之間進(jìn)行，也可在淬火、回火之后進(jìn)行。如果在淬火、回火后鋼中仍保留有殘留奧氏體，則在深冷處理后仍需要再進(jìn)行一次回火。此外，深冷處理也能提高鋼的耐磨性。深冷處理不僅用于冷作模具，也可用于熱作模具和硬質(zhì)合金。深冷處理技術(shù)已越來(lái)越受到模具熱處理工作者的關(guān)注，現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用深冷處理設(shè)備。不同鋼種在深冷過(guò)程中的組織變化和微觀機(jī)制，以及對(duì)力學(xué)性能的影響結(jié)果是不同的。同一種材料不同的幾何形狀和不同的使用狀態(tài)，經(jīng)深冷處理后的壽命是不同的。

2.4 表面涂覆技術(shù)

氣相沉積按形成的基本原理，分為化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。CVD處理是用化學(xué)方法使反應(yīng)氣體在基礎(chǔ)材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成覆蓋層（TiC、TiN）的方法。CVD有多種方法，通常，CVD的反應(yīng)溫度＞900℃，涂層硬度＞2000HV，但高溫容易使工件變形，且沉積層界面易發(fā)生反應(yīng)。CVD的發(fā)展趨勢(shì)是降低溫度，開(kāi)發(fā)新的涂層成分。例如，金屬有機(jī)化合物CVD(MOCVD)、激光CVD(LCVD)和等離子CVD(PCVD)等。表面噴涂技術(shù)是用氧氣乙炔將物質(zhì)等噴在模具表面。涂料與基體結(jié)合堅(jiān)固，可以實(shí)現(xiàn)提高表面厚度和增加耐磨性的目的。

2.5 局部堆焊技術(shù)

許多車(chē)身落料模具都要求刃口有很好的強(qiáng)韌性，使用整體模具鋼比較浪費(fèi)，而采用在較低廉材料上堆焊刃口的方法可以節(jié)約大量的鋼材和降低生產(chǎn)成本。美國(guó)、日本和德國(guó)在這方面的發(fā)展比較成熟，我國(guó)模具堆焊也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

2.6 滲碳、滲氮、滲硼和滲金屬處理

化學(xué)熱處理能有效提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗咬合性和抗氧化性等性能。幾乎所有的化學(xué)熱處理工藝均可用于模具鋼的表面處理。高碳低合金鋼滲碳或碳氮共滲時(shí)，應(yīng)盡可能選取較低的加熱溫度和較短的保溫時(shí)間，此時(shí)可保證表層有較多的未溶碳化物核心，滲碳和碳氮共滲后，表層碳化物呈顆粒狀，碳化物總體積也有明顯增加，可以增加鋼的耐磨性。滲氮工藝目前多采用離子滲氮、高頻滲氮等工藝。離子滲氮可以縮短滲氮時(shí)間，并可獲得高質(zhì)量的滲層。氮碳共滲對(duì)冷鐓模、冷擠壓模、冷沖模和拉伸模等均有很好的應(yīng)用效果。

冷作模具和熱作模具還可以進(jìn)行硫氮或硫氮碳共滲。近年來(lái)許多的研究工作都表明，稀土有明顯的催滲效果，從而開(kāi)發(fā)了稀土氮共滲、稀土氮碳共滲等新工藝。模具的滲氮處理有離子滲氮和氣體滲氮兩種。滲硼可以是固體滲硼、液體滲硼和膏劑滲硼等，應(yīng)用最多的是固體滲硼，市場(chǎng)上已有固體滲硼劑供應(yīng)。固體滲硼后，表層的硬度高達(dá)1400～2800HV，耐磨性高，耐腐蝕性和抗氧化性能都較好。滲硼工藝常用于各種冷作模具上，由于耐磨性的提高，模具壽命可提高數(shù)倍或十余倍。采用中碳鋼滲硼有時(shí)可取代高合金鋼制作模具。滲硼層較脆，擴(kuò)散層比較薄，對(duì)滲層的支撐力弱，為此，可采用硼氮共滲或硼碳氮共滲，以加強(qiáng)過(guò)渡區(qū)，使其硬度變化平緩。為改善滲硼層脆性，可采用硼釩、硼鋁共滲。滲金屬包括滲鉻、滲釩和滲鈦等工藝，均可用于處理冷作和熱作模具，其中TD法（熔鹽滲金屬）已得到一些應(yīng)用，可使模具壽命提高幾倍乃至十幾倍。

3 結(jié)語(yǔ)

在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，冶金企業(yè)供應(yīng)經(jīng)機(jī)加工的模具鋼制品已達(dá)50%～60%。國(guó)內(nèi)鋼廠等生產(chǎn)企業(yè)為適應(yīng)這一市場(chǎng)機(jī)制，也已逐步向模具生產(chǎn)廠家提供板料模具鋼和塊料模具鋼。同時(shí)，已開(kāi)發(fā)出不少有一定特色的新型模具鋼，其中一些鋼性能優(yōu)異，以較低的成本即可達(dá)到或超過(guò)同類(lèi)鋼的水平。這些新型模具鋼有廣闊的推廣前景。

未來(lái)，還需要進(jìn)一步提高模具材料質(zhì)量。我國(guó)某些特殊鋼廠已采用新的冶金設(shè)備和工藝生產(chǎn)模具鋼，如爐外精煉、真空冶煉、快鍛機(jī)和精鍛機(jī)等，一些模具鋼的質(zhì)量有大幅度提高，如D2、P20等鋼已批量出口，出口產(chǎn)品的質(zhì)量可以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一直在努力提高模具鋼的純凈度、致密度、均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

同時(shí)，還需加強(qiáng)先進(jìn)模具熱處理技術(shù)的推廣應(yīng)用。如模具的可控氣氛熱處理與真空熱處理技術(shù)等。對(duì)一些行之有效的模具表面熱處理技術(shù)，應(yīng)完善其工藝，加強(qiáng)其推廣應(yīng)用，如感應(yīng)淬火和激光淬火技術(shù)等。