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　    模具制造業(yè)是高技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì)，金屬零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，模具被譽(yù)為“工業(yè)之母”。模具用材料體系包括各類模具鋼，鋼結(jié)硬質(zhì)合金以及新型材料70余種。其中Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9SiCr、GCr15、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等鋼種是模具生產(chǎn)中常用的材料，約占80%。模具的失效可分為非正常失效和正常失效。非正常失效是指模具未能達(dá)到一定工業(yè)技術(shù)水平下所公認(rèn)的壽命就無(wú)法繼續(xù)服役的失效，也稱模具的早期失效。其形式有塑性變形、斷裂、局部嚴(yán)重磨損等；正常失效是指模具經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間服役，因緩慢塑性變形、蠕變、均勻磨損以及疲勞斷裂，致使其不能繼續(xù)服役而造成的報(bào)廢。實(shí)踐證明，模具的淬火變形與開(kāi)裂，使用過(guò)程中的早期斷裂、變形、磨損等雖與材料的冶金質(zhì)量、鍛造、加工有關(guān)，但與熱處理關(guān)系更大。根據(jù)失效原因的分析統(tǒng)計(jì)，熱處理不當(dāng)引起的失效占50%以上。合理選擇熱處理工藝可以使模具達(dá)到微變形、高性能和高壽命，因此熱處理工藝的發(fā)展是提高模具質(zhì)量的重要保證。本文針對(duì)幾種常用的模具鋼在加工和使用過(guò)程中的自行開(kāi)裂和早期失效的現(xiàn)象，探索熱處理工藝對(duì)其壽命的影響，旨在使用這些材料制備的模具今后有更高的壽命和可靠性。

1、 試驗(yàn)材料及方法

    本文選取的材料分別為T8、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、9SiCr，這些鋼材價(jià)格較為適中，性能基本能夠滿足60%～80%的模具生產(chǎn)需求。其主要化學(xué)成分如表1所示。

      熱處理對(duì)模具壽命的影響主要反映在熱處理技術(shù)要求不合理和熱處理質(zhì)量不良兩個(gè)方面。因此，正確制定熱處理工藝,提高產(chǎn)品熱處理質(zhì)量，對(duì)延長(zhǎng)模具使用壽命起著關(guān)鍵作用。熱處理的最終目的是使模具有良好的表面質(zhì)量和強(qiáng)度、塑性和韌性的合理配合。本實(shí)驗(yàn)選取的5種材料，主要是在它們傳統(tǒng)的熱處理工藝(表2)上進(jìn)行優(yōu)化。

     在HT-2402材料試驗(yàn)機(jī)上分別按照國(guó)標(biāo)GB 6397-86和GB 14452-93進(jìn)行靜拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)，在擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上按照國(guó)標(biāo)GB 2106-80做沖擊韌性實(shí)驗(yàn)。分別測(cè)試材料的屈服強(qiáng)度(σ0.2)、抗拉強(qiáng)度(σb)、伸長(zhǎng)率(δk) 、抗彎強(qiáng)度(σbb)和沖擊韌度(aKV)，用洛氏硬度計(jì)分別測(cè)量在供貨態(tài)、常規(guī)熱處理和優(yōu)化熱處理下試樣的硬度。    

     在XJL-03型金相顯微鏡下觀察熱處理前后試樣的金相組織，用4%的硝酸酒精腐蝕。在JSM-6700F型的掃描電鏡下分析在拉伸、彎曲和沖擊試驗(yàn)下各試樣的斷口形貌。

2、 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織分析

      圖1為5種模具材料在供貨態(tài)及優(yōu)化熱處理態(tài)下的金相組織照片?？梢钥闯觯涸诠┴洃B(tài)下，T8鋼的組織為細(xì)片狀珠光體+極少量呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布的鐵素體。由于碳含量偏下限，故在退火冷卻時(shí)沿晶界析出極少量鐵素體。CrWMn 基體為索氏體+細(xì)片狀珠光體及部分細(xì)球狀珠光體，白色細(xì)小顆粒為二次碳化物。9SiCr的組織為細(xì)片狀珠光體+鐵素體。Cr12MoV基體為索氏體及塊狀共晶碳化物，稍大的顆粒為二次碳化物。GCr15基體為細(xì)片狀珠光體及少量細(xì)粒狀珠光體和部分碳化物顆粒。經(jīng)優(yōu)化熱處理后，T8鋼的基體為回火高碳馬氏體+少量殘余奧氏體(白色)；晶界處的黑色團(tuán)狀為回火屈氏體，由于試樣冷卻速度不足，因此在冷卻過(guò)程中析出屈氏體組織(又稱極細(xì)珠光體)。CrWMn的基體為回火細(xì)馬氏體，白色細(xì)小顆粒為二次碳化物，碳化物分布較為均勻。9SiCr的組織為細(xì)的回火針狀馬氏體， 白色顆粒狀為未溶解的碳化物，分布均勻。Cr12MoV的基體為回火馬氏體，少量殘余奧氏體，白色大塊狀為共晶碳化物，細(xì)小顆粒為二次碳化物，在基體上尚有少量回火不充分的馬氏體(呈淺黃色)。GCr15的組織為回火馬氏體及細(xì)小顆粒狀碳化物， 馬氏體的亮區(qū)明顯比黑區(qū)多，屬正常淬火、回火的顯微組織。這與文獻(xiàn)中的典型組織基本一致。

2.2 力學(xué)性能分析

     表3為5種模具材料熱處理前后力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，熱處理前GCr15的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大，然后依次為T8、CrWMn、9SiCr、Cr12MoV。其中9SiCr的屈服強(qiáng)度比Cr12MoV大，但抗拉強(qiáng)度卻最小。這與它們的退火組織有關(guān)，9SiCr的組織為細(xì)片狀珠光體+鐵素體，Cr12MoV的組織為索氏體及塊狀共晶碳化物，稍大的顆粒為二次碳化物。所以9SiCr的屈服強(qiáng)度比Cr12MoV大，但抗拉強(qiáng)度卻最小。而GCr15的組織為細(xì)片狀珠光體及少量細(xì)粒狀珠光體和部分碳化物顆粒，所以屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大。

      熱處理后Cr12MoV有最大的沖擊韌度值，然后依次為9SiCr、CrWMn、GCr15和T8，說(shuō)明Cr12MoV鋼對(duì)缺陷的敏感程度低，有較好的塑韌性。這是因?yàn)镃12MoV的基體為回火馬氏體，少量殘余奧氏體，白色大塊狀為共晶碳化物，細(xì)小顆粒為二次碳化物， 在基體上尚有少量回火不充分的馬氏體(呈淺黃色)。由彎曲曲線還可知GCr15最先斷裂，其他依次為9SiCr、Cr12MoV、CrWMn，T8鋼最后斷裂。再者T8鋼的抗彎強(qiáng)度最大，然后依次為CrWMn、Cr12MoV、9SiCr、GCr15。這是因?yàn)門8鋼的基體為回火高碳馬氏體+少量殘余奧氏體(白色)；晶界處的黑色團(tuán)狀為回火屈氏體，使得T8鋼在脆斷前產(chǎn)生頸縮后聚集的塑性變形，導(dǎo)致它的抗彎強(qiáng)度的提高。

2.3 斷口形貌分析

     熱處理前的拉伸試樣斷口的微觀形貌如圖2所示。韌窩上有一些撕裂棱，這屬于韌性斷裂。

     圖3和圖4分別為熱處理后的彎曲試樣和沖擊試樣斷口的微觀形貌， 斷口上有大量短而彎曲的撕裂棱，也能看到舌狀花樣，這屬于脆性斷裂。

3、 結(jié)語(yǔ)

      (1) 5種模具材料優(yōu)化后的熱處理工藝及性能是，Cr12MoV經(jīng)1010℃淬火、200℃回火后的硬度為63HRC；T8經(jīng)785℃淬火、200℃回火后的硬度為61HRC；CrWMn經(jīng)835℃淬火、200℃回火后的硬度為60.2HRC；9SiC 經(jīng)865℃淬火、200℃回火后的硬度為61 HRC；GCr15 經(jīng)835℃淬火、200℃回火后的硬度為61.5HRC。

     (2) 5種模具材料熱處理前(退火狀態(tài)下)的組織結(jié)構(gòu)為珠光體和粒狀碳化物，斷口形貌為韌性斷裂，熱處理后的顯微組織為回火馬氏體、粒狀碳化物和少量殘余奧氏體，斷口形貌為大量短而彎曲的撕裂棱加局部韌窩。