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冷作模具钢材出厂状态、相关参数和注意事项

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    由于Cr12MoV钢中的碳偏析存在较多的大块网状碳化物，使模具在使用过程中经常因韧性不足而出现崩刃、脆裂导致失效。因此，如何改善韧性是提高冷作模具寿命的重要课题之一。

1、  冷作模具钢技术标准内容

    技术标准是提高产品质量的龙头，标准是供需双方的技术部约定，在市场经济没有发育完善的今天，标准落后就生产不出先进的产品。制订的一个钢厂能够生产、客户能够放心接受的基础标准是满意的，通过标准中规定项目的检测，让用户买到满意的材料是最重要的。

    以Cr12MoV为例，新制订的GB/T24594-2009《优质合金模具钢》中规定，对冷作模具钢检测项目除了化学成分、酸浸低倍、退火态硬度外；还增加了：①钢的纯净度，A、B、C、D类非金属夹杂物细系、粗系的检测；②横向冲击试验，钢材中心横向冲击与纵向冲击之比应达到0.6；③晶粒大小测试，确保晶粒度细于7级；④共晶碳化物不均匀度，按GB/T14979-1994标准第四级别图评定，心部组织往往存在粗大的共晶碳化物和成分偏析，严重影响模具的冲击韧度；⑤超声波探伤，确保钢材内部无不可接受的明显缺陷。

    GB/T24594-2009《优质合金模具钢》中典型的冷作模具钢牌号化学成分，见表1；主要特点及用途，见表2。

表1                 典型的冷作模具钢牌号化学成分

 
表2                    冷作模具钢主要特点及用途

2、  新技术提高冷作模具钢的质量

    对模具钢来言，提高其纯净度已经成为提高模具性能和寿命的重要手段。提高冷作模具钢材的纯净度主要是控制钢中有害元素的含量，通过降低P、S含量可明显提高材料的冲击韧度和抗疲劳性能，改善材料的等向性能；H、N、O对钢材的性能也有诸多有害的影响，降低这些元素的含量对改善和提高钢材性能是非常有利的。目前往往采用真空精炼、电渣重溶、乃至保护气氛重溶、真空自耗等先进的冶炼工艺来提高模具钢的冶炼质量，各种精炼技术的运用提高了钢的纯净度，极大地降低钢中的夹杂物和偏析，并改善夹杂物的形态。

    为了提升模具钢的质量除了追求高的纯净度外，更需要微观组织的均匀细小，特别是对冷作模具钢中碳化物的有效控制。为了实现这一目的，一些新的工艺技术部被采用，比如为了改善Cr12MoV钢偏析减少一次碳化物，广泛采用高温扩散退火的方法。该方法的应用同时也使二次碳化物成球形分布在铁素体的基体上，所有这些提高了Cr12MoV钢的横向冲击韧度。为了提高Cr12MoV钢的等向性能则采用等向锻造工艺，通过等向锻造的冷作模具钢横向的塑性和韧性均得到很大提高，等向性能提高明显。

3、  冷作模具钢的发展空间

    冷作模具钢因高碳高铬导致钢中共晶碳化物偏析严重，而通过轧制和锻造对共晶碳化物的改善是有限的，因此冷作模具钢应向高韧性方向发展。日本大同特殊钢开发的高韧性冷作模具钢DC53（0.8%c，8%Cr，2%Mo，1%V）是典型钢种。此后，国内外军开发了类似DC53的高韧性冷作模具钢。宝钢集团与上海大学共同开发出了SDC90冷作模具钢，其成分设计是在Cr12MoV钢化学成分的基础上，适当降低碳、铬含量，以改善碳化物偏析，同时提高钼、钒含量，以细化晶粒，增加二次硬化能力。制造冷冲模的使用寿命比Cr12MoV钢的更长。

    冷作模具钢的另一个发展方向是不改变材质的化学成分，而改变加工方法，采用粉末冶金技术获得组织性能非常均匀的高碳高铬型冷作模具钢。目前国内在这方面还少有研究开发，主要依赖进口。宝钢研究院正在对高碳高铬型冷作模具钢喷射冶金成形技术进行研究，但目前该项技术还有许多技术部难点（如材质的致密度、规格等）需要克服。

4、  冷作模具钢的热处理技术发展

4．1高温淬火工艺

    随淬火温度提高，Cr12MoV钢的热强性、断裂韧性和疲劳抗力有明显的增强。基于这种原因，人们发展了高温淬火工艺。用高温淬火高温回火代替普通球化退火，然后再进行普通的淬火和回火，这种工艺既是双重淬火工艺，又能在几乎不降低冲击韧性的前提下得到最大的断裂韧性，硬度也高于普通热处理。

4．2强烈淬火技术

    虽然强烈淬火技术的冷却速度极大，但可避免开裂，减少变形，显著提高钢的力学性能，延长模具使用寿命，而且在许多情况下，强烈淬火技术还有节能、高效、环保等效果，是一种前景广泛的热处理技术。

4．3深冷处理

    深冷处理是常规热处理的延伸，是以液氮为制冷剂在低于零下130℃的温度对钢材进行处理的方法。该方法能够改变钢材的力学性能，可在不降低钢材强度及硬度的情况下，显著提高钢材的韧性。近年来，国内外已对深冷处理进行了广泛的研究，并在冷作模具上不断得到应用，处理过的冷作模具使用寿命得到明显提高，但在工艺的稳定性和对某些冷作模具钢的作用机理方面的研究还不够深入，阻碍了深冷处理在冷作模具上的广泛应用。

5、  冷作模具钢的表面强化技术进展

5．1表面渗氮

    目前对渗氮的研究主要集中在等离子渗氮上，气体渗氮、盐浴渗氮等传统工艺尽管在工业上已经取得了较好的应用，但是由于这些传统工艺所用钢材往往具有易爆炸性、有毒性，在实际应用中会对工人及环境造成伤害，从而限制了这些传统工艺的应用。等离子渗氮就没有气体、盐浴渗氮工艺的不利因素，而且可以避免复合层即白亮层的形成和控制扩散层的质量。

5．2激光表面处理

    高能束表面处理强化技术的特点是加热速度快、模具变形小，不需冷却介质，可控性好，偏于实现自动化控制，在高能束表面强化技术中尤以激光表面改性的研究应用较多。目前对激光表面处理的研究主要是利用这种技术的可控性好，对基体影响小的特性，结合其它技术部进行某些新工艺的开发研究，比如利用激光表面处理技术进行攻能梯度钢材的设计并应用在冷作模具上，从而提高模具的性能；还有把激光表面处理技术与仿生学相结合，在钢材的表面进行激光仿耦合设计，从而提高钢材的表面性能。

    除此之外，对激光表面处理进行数学模拟也是目前研究的一个热点。对这方面的研究，一方面是基于实际的激光表面处理，由于涉及的参数很多，因此需要确定一个最优的工艺，这需要一个数学模型来帮助预测最优的工艺参数；另一个方面运用数学模型可以使人们对最终结果的相互影响有更好的理解。

5．3表面气相沉积强化

    气相沉积分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。这方面的研究主要是在冷作模具表面形成一层陶瓷涂层，但是应用陶瓷涂层的最大问题在于陶瓷涂层在热膨胀性能上与模具钢的基体不匹配，这会造成涂层的早期开裂失效。在陶瓷涂覆前进行等离子渗氮是乭高陶瓷涂层与基体结合力的有效方法，对提高冷作模具寿星的效果显著，得到广泛研究。鉴于各种陶瓷涂层，无论是单层还是多层或与渗氮复和，都不可避免造成与基体热膨胀性能的差异，所以对模具抗热疲劳性能的影响是无法避免的。因此，有人提出设计出一种复合涂层系统，复合涂层系统除了使冷作模具表面具有耐磨损、抗压等功能外，该涂层系统最大的特点是减少热量向模具的传递，减缓模具的温度变化，以提高冷作模具钢的抗疲劳性能。

    总之，紧固件行业的快速发展对冷作模具钢的性能提出了越来越高的要求，原有的冷作模具钢与热处理技术无法满足现代紧固件业的需求。为适应紧固件业的发展，结合当前冷作模具钢在应用中出现的问题，加强此方面的研究很有必要。

参考文献

[1] 宝山钢铁股份有限公司，冶金工业信息标准研究院等.GB/T 24594—2009.优质合金模具钢[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 樊东黎.强烈淬火---一种新的强化钢的热处理方法〔J〕.热处理，2005（4）：1-3.

[3] 张先鸣.冷作模具钢的技术发展和热处理工艺〔J〕.紧固件，2009（17）：99-107.

[4] 唐明华，刘先兰. 模具钢深冷处理的应用研究[J].机床与液压，2003（5）：2-5

[5] 赵昌盛.模具材料及热处理手册〔M〕.北京:机械工业出版社,2008.

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