摘要：实践证明，模具经优化的强韧化工艺处理后，具有强度高、韧性好的特点，且操作简单，成本低廉。基于板条马氏体强韧化机理，板条马氏体淬火广泛应用于模具制造，可大幅度提高模具使用寿命。为获得理想的强韧化效果，必须正确选择热处理工艺参数。
1、前言
生产上对模具有各种性能要求，但基本的性能要求还是硬度、韧性和耐磨性。一般地说，硬度越高耐磨性也越高，但韧性和强度之间却有较大矛盾，即硬度越高，韧性越差对差。对某些模具来说，往往由于硬度过高，而韧性太差造成了碎裂、折损，故应将韧性和硬度在具体的工模具服役条件下辩证统一起来，使其得到韧性好、强度高、耐磨性也较高的综合机械性能，即进行强韧化处理。这一概念是在较高的韧性基础上寻求尽可能高的强度，以适应机械加工高速自动化的要求。强韧性能的强度，以适应机械加工高速自动化的要求。强韧性能有效地延长某些工模具的使用寿命，提高劳动生产率。
强韧化处理的发展是建立在对钢中各种组织的特点、形成条件、机械性能以及在外力作用下的破断过程的认识不断深入的基础上。采用适当的热处理工艺方法和调整工艺参数来控制钢的组织，尽量利用对钢强韧性有利的因素，排除不利的因素，更充分地发挥材料的强度和韧性的潜力，这是热处理发展的一个很值得注意的方向。
根据不同股役条件来选择最佳热处理工艺制度，进一步发挥钢的强韧化潜力，把模具使用寿命提高到一个新水平，是一个很有实际意义和经济意义的课题。近年来，随着人们对板条马氏体研究的不断深入，在生产中已日益广泛地采用马氏体淬火，获得具有良好机械性能的板条马氏体组织。实践证明，这种工艺在节约钢材，降低生产成本，简化热处理工艺，节约能源，提高生产率，减轻机件重量，延长使用寿命等方面，均取得较为显著的效果。目前，我国这样的工艺应用尚不普遍，需要不断总结经验，研究推广发挥其应用的作用。
2、板条马氏体特点
马氏体按形态可分为板条状、片状、薄板状、胡蝶状等几类，钢铁材料常见的是板条状和片状马氏体。长期以来，人们对马氏体相变理论进行了广泛而深入的研究，尤其是60年代以来，由于电子显微技术的发展，揭示了马氏体的精细结构，使人们对马氏体的成分、组织结构和性能之间的关系有了比较明确的概念，对马氏体的形成规律也有了进一步的了解。六十年代中期，人们已经知道马氏体分两种形态，一种是低碳（＜0.3%＝的板条马氏体，另一种是高碳（＞0.8%）的片状马氏体。板条马氏体的立体形态呈椭圆形截面的细长条料，许多尺寸大致相同的马氏体定向地相互平行地排列，构成了一个马氏体群（马氏体束），板条宽度多为0.1-0.2μm，长度小于10μm。透射电镜观察证明，板条马氏体的亚结构主要为高密度位错，每束内的条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间具有较大的位向差，有时亦可见到少量的细小的孪晶。
板条马氏体不仅具有较高的强度和硬度，而且还具有良好的塑性和韧性，因此，板条马氏体是一种具有高的强度、韧性和良好耐磨性的组织，它打破了马氏体“硬而脆”的概念，使具有马氏体组织的工件，在生产中的使用范围获得了进一步扩大。
造成马氏体强度、硬度提高的主要原因是过饱和的碳原子使晶格正畸变，产生了“固溶强化”，同时在马氏体中又存在大量的微细孪晶和位错，它们都会阻碍位错的运动，提高了塑性变形的抗力，从而产生了“相变强化”，板条马氏体的韧性和塑性相当好，其主要原因是：①碳在马氏体中过饱和程度小，其正方度c/α≈1，晶格畸变轻微，残余应力小；②板条马氏体内的亚结构主要是位错。
综前所述，通过淬火得到性能优良的板条马氏体，是充分发挥材料强度、韧性潜力的有效途径。
3、获得板条马氏体的途径
马氏体的形态与奥氏体的含碳量有关。奥氏体的含碳量低于0.5%时，淬火后基本上是板条马氏体组织；含碳量高于1.0%时，淬火后基本上是片状马氏体组织；含碳量为0.5%-1.0%时，淬火后是板条马氏体组织与片状马氏体组织的混合组织，而且随着含碳量的增加，板条马氏体组织减少。
既有高强度又有高韧性、耐疲劳又能经受多次冲击的位错型板条马氏体的利用，已大大超出了低碳钢的范畴，改变热处理工艺参数，可以在中碳及高碳钢已获得板条马氏体为主的淬火组织，显著改善中碳钢及高碳钢的强韧性，这种控制淬火组织形态的方法已经成为中、高碳钢强韧性的一条重要途径。
对低碳钢广泛采用板条马氏体淬火，其操作工艺规范特点主要是加热温度较高，保温时间稍长，使马氏体均匀化和冷却激烈；对中碳钢，把加热温度提高后淬火，可使负中的碳和合金元素充分溶于奥氏体中，以获得板条马氏体和片状马氏体并存的马氏体混合型（但以板条马氏体为主）的组织；对高碳钢，为减少因塑性、韧性低而产生的折断报废，应设法保存较多的未溶渗碳体以降低奥氏含碳量，从而生成较多甚至全部板条马氏体，如低温、快速、短时奥氏体化淬火。
（1）冷作模具的降温淬火。
在无变形作用下，影响马氏体形状的主要因素是奥氏体的化学成分和马氏体的形成温度，因此可以借助改变热处理工艺参数的方法，在高碳合金模具中，获得部分位错型的板条马氏体以提高冷作模具的强韧性。
a.高速钢的低温淬火。为提高模具的强度和耐磨性，采用高速钢或超硬高速钢制造冷冲模是近年来的发展方向。高速钢传统的热处理方法（高温淬火加高温回火）虽然保证了强度和耐磨性，但韧性则显得不足，模具的失效形成多为早期崩裂。为提高钢的韧性，日本资料介绍了高速钢的低温淬火法，可保证硬度60HRC左右，例如SKH19（W6Mo5Cr4V2）钢1100-1150℃加热，W18Cr4V钢1150-1200℃加热，油冷，200-250℃回火，可获得板条马氏体为主的基体组织 超细晶粒 较多细小弥散碳化物，能充分发挥钢强韧性的潜力，减少脆性倾向，延长模具使用寿命，对模具强韧性硬度有较高要求时用此工艺能有效提高使用寿命。
b.高碳工具钢和高碳合金钢的低温短时加热淬火。用普通加热淬火 低温回火工艺处理的高碳工具钢和高碳合金工具钢，得到片状马氏体组织，往往表现出很高的脆性，然后由于塑性和韧性很低，静载及动载下的缺口敏感性很差，尤其是抗冲击过载能力显得特别不足，在使用中常由于剧烈的磨损而失效或折断，故而报废。采用低温短时间加热或快速加热的工艺均可收到满意的效果，低温短时间加热工艺的基本思想是在低于A1温度充分预热，缩短在高于A1温度的保温时间，借以控制奥氏体中的含碳量，保证淬火时形成一定数量的板条马氏体。
高碳模具钢采用低温、短时间加热淬火时，碳化物不均匀溶解，奥氏体的平均含碳量较低，故淬火后获得较多的韧性板条马氏体。同时，在原先的碳化物周围和奥氏体晶界，由于短时加热，碳来不及扩散，形成含碳量较高奥氏体，这些韧性残留奥氏体，在碳化物周围及晶界处呈膜状连续分布，有利于钢的耐磨性、强度和接触疲劳强度的提高。
（2）热作模具钢的高温淬火
对于3Cr2W8V、H13、5CrNiMo和5CrMnMo等热作模具钢，经正温度淬火，一般获得片状和板条状马氏体的混合组织。提高中碳钢淬火温度和延长淬火加热时间，则有利于淬火后获得较多数量的板条马氏体，提高钢的断裂韧性。例如将3Cr2W8V钢钢制207轴套圈塔形成形凹模的淬火温度由1050℃提高到1200℃，回火温度提高到670-680℃（回火后硬度降至37-39HRC），可显著提高模具的强韧性，消除了早期脆断，模具寿命由平均2000件提高到6000件。再如将5CrMnMo热锻模钢的淬火加热浪花人830-850℃提高到900℃，淬火后获得几乎单一的板条马氏体组织，强度、塑性和断裂韧性都达到最大值，与普通加热淬火相比，断裂韧性增加10%，如果再适当增加回火时间，可达到断裂韧性比普通温度淬火提高30%左右。因此，热作模具钢适当提高淬火温度以增加板条马氏体数量的方法可以获得稳定的强韧性效果，使模具使用寿命得到了大幅度提高。
4、注意事项
（1）热作模具钢采用高温淬火来改善断裂韧性时要注意，在能够获得比较完全板条马氏体的前提下，应该尽量采用较低的温度。5CrMnMo钢在950℃以上温度加热淬火和高温回火后，将出现晶间断裂倾向，使断裂韧性大幅度下降，故随着钢中含碳量的增加，严格控制淬火上限温度，对充分提高钢的断裂韧性至关重要。
（2）冷作模具采用降温淬火时，必须使模具充分预热，然后以较快的速度加热通过Ac1点，并保温较短时，随后淬火，所谓“短时”指的是应该保证在淬火温度下完成珠光体向奥氏体的转变和在该温度下应该溶解的碳化物基本上能溶解。此外，为了更好地发挥高速钢的韧性，低温淬火后避免在二次硬化的温度范围回火，以减少二次硬化作用对韧性的危害。
5、模具板条马氏体强韧化淬火应用实例
（1）2t热锻模锻造模体的热处理。
模具材料：5CrNiMo。
模具规模：650*650*360mm。
加热设备：淬火采用RJJ-90-9T气体渗碳炉，回火采用RJJ-36-6井式电炉。
热处理工艺：如图1所示。
工艺说明：①炉内滴入煤油和通入氨气以形成保护气氛或用氨分解成保护气氛；②冷却要求预冷到760-780℃，全部入油，工作面朝上，油吉冷到150-180℃左右，立即回火；③淬火温度由一般830-850℃提高到900℃，热锻模寿命提高1倍。
（2）冲挤铆钉孔凸模的热处理。
模具材料：W6MoCr4V。
毛坯材料：紫铜。
热处理工艺：如图2所示。
工艺说明：①凸模细长易断，要求较高的韧性。降低淬火温度，可以将W6MoCr4V钢淬火温度，从1190℃降低到1150℃，并且为了保留残余马氏体改用510℃回火，均有助于提高模具韧性，从而使模具寿命大幅度提高。②高速钢低温淬火法有一定的局限性，当淬火温度降低到1100℃时，模具寿命反而下降。
（3）方孔冲模的强韧化处理。
模具材料：T8钢。
工艺流程：锻造→球化→机械加工→热处理→成品。
热处理工艺：如图3所示。表1为方孔冲模强韧化处理后的使用寿命与原工艺的比较。
表1 经不同热处理的T8钢方孔冲模寿命
热处理工艺 平均使用寿命（冲孔数） 硬度（HRC） 损坏情况
原工艺 3600 56-58 断裂、剥落
强韧化 5800-6500 56-58 剥落
6、结束语
（1）板条马氏体的亚结构不是孪晶而是高密度缠结位错，因此具有较好的强韧性合理配合。板条马氏体由于碳过饱和程度小，亚结构主要是位错，不容易产生显微裂纹，在同样屈服程度下，断裂韧性高得多，具有较高的裂纹扩展抗力。
（2）冷作模具钢降温淬火，热作模具的高温淬火，均可得到足够的韧性，使用寿命可大幅度提高。
（3）板条马氏体强化工艺可简化工艺、降低成本、节约能源，充分发挥了钢材的强韧潜力，提高了模具的质量和使用寿命，显示出强大的生命力。
参考文献
1 易文质 模具热处理[M].湖南科学技术出版社，1981
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4 周敬恩 模具强韧性处理与使用寿命[J].金属热处理，1996（6）
本文引用地址：http://www.worldmetal.cn/steel/show-37501-1.html
发布日期：2007-10-20