隨著制造業的不斷發展,對模具的冶金質量、品種、數量和性能的要求不斷提高,出現了高合金、高質、優化、普通材料強化及擴展材料應用范圍等趨勢,并相繼出現了一些新型模具材料。模具的工作環境對模具材料的性能要求愈來愈高,在一些化學腐蝕條件下工作的模具應具有耐蝕性;在強磁場中工作的模具不能產生感應;一些要求耐高溫又要耐腐蝕的熱作模具,以及一些耐腐蝕的精密塑料模具所需要的材料都不是一般模具鋼所能滿足的,它需要模具鋼具有特殊性能,而不銹鋼正是具備以上性能并能滿足需要的鋼材。從而也為不銹鋼的發展開辟了新的應用途徑,而且促進了模具工業的發展。
1. 馬氏體不銹鋼
在化學腐蝕環境中工作的模具,必須具有耐蝕性,而且還要求具有一定的硬度、強度和耐磨性能等,這類要求高硬度的模具一般選用馬氏體(ti)不銹鋼制造,常用的馬氏體不銹鋼有2Cr13、3Cr13、4Cr13、3Cr17Mo、9Cr18、9Cr18Mo、Cr14Mo4V和1Cr17N2等。下面根據硬度的要求介紹幾種不銹鋼。
a. 中碳(tan)高鉻耐蝕馬氏體不(bu)銹鋼
這(zhe)類鋼(gang)要求硬(ying)度在50~55HRC。典(dian)型的(de)(de)不銹(xiu)鋼(gang)為(wei)4Cr13,該(gai)鋼(gang)為(wei)中碳馬氏體不銹(xiu)鋼(gang),熱處理后具(ju)有較高(gao)的(de)(de)硬(ying)度和(he)耐(nai)磨性(xing),且抗大氣和(he)水蒸氣腐蝕(shi),可(ke)用(yong)于制(zhi)造要求一定耐(nai)蝕(shi)性(xing)的(de)(de)塑(su)料模(mo)(mo)具(ju)。該(gai)鋼(gang)的(de)(de)淬(cui)火(huo)溫度一般選擇1050℃,淬(cui)透性(xing)好。對于小型塑(su)料模(mo)(mo)具(ju),淬(cui)火(huo)時可(ke)用(yong)空氣冷卻(que),以(yi)減少模(mo)(mo)具(ju)的(de)(de)熱處理變(bian)形;而對于尺寸較大的(de)(de)模(mo)(mo)具(ju)可(ke)采用(yong)油淬(cui),淬(cui)火(huo)后的(de)(de)模(mo)(mo)具(ju)一般采用(yong)200～300℃回(hui)火(huo)，回(hui)火(huo)后硬(ying)度為(wei)50～53HRC。適宜制(zhi)造承(cheng)受高(gao)負荷(he)、高(gao)耐(nai)磨及腐蝕(shi)介(jie)質作用(yong)下(xia)的(de)(de)塑(su)料模(mo)(mo)具(ju)。
b. 高(gao)碳高(gao)鉻型不(bu)銹鋼(gang)
對(dui)于要求較高(gao)(gao)硬(ying)(ying)度、較高(gao)(gao)耐(nai)磨性的(de)耐(nai)蝕(shi)塑料(liao)(liao)模具可選擇高(gao)(gao)碳(tan)高(gao)(gao)鉻型不(bu)銹鋼，如(ru)9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo和 Cr14MoV 等(deng)。以Cr14MoV鋼為例，其w(C)=1.0%~1.11.15％，該(gai)鋼具有(you)較好(hao)的(de)淬透性，淬火(huo)溫(wen)度一般選擇為1100～1120℃油(you)冷(leng)，硬(ying)(ying)度≥58HRC，回(hui)火(huo)溫(wen)度為500℃，保溫(wen)2h，回(hui)火(huo)4次，其硬(ying)(ying)度≥60HRC。該(gai)鋼具有(you)高(gao)(gao)硬(ying)(ying)度、高(gao)(gao)耐(nai)磨性和良(liang)好(hao)的(de)耐(nai)蝕(shi)性，高(gao)(gao)溫(wen)硬(ying)(ying)度也較高(gao)(gao)，適(shi)宜制造在腐蝕(shi)介質作用(yong)下承(cheng)受(shou)高(gao)(gao)負荷、高(gao)(gao)耐(nai)磨的(de)塑料(liao)(liao)模具。
c. 低碳鉻鎳型耐蝕不(bu)銹鋼
1Cr17Ni2鋼(gang)屬于馬氏(shi)體(ti)型不銹耐(nai)酸(suan)鋼(gang)，對于氧化酸(suan)類(lei)（一定溫度(du)(du)、濃度(du)(du)的(de)硝(xiao)酸(suan)，大部分(fen)(fen)的(de)有機酸(suan)）以及(ji)鹽類(lei)的(de)水溶液有良好(hao)的(de)耐(nai)蝕性(xing)(xing)；該(gai)鋼(gang)有較高的(de)強度(du)(du)和適宜的(de)硬度(du)(du)，耐(nai)蝕性(xing)(xing)比4Cr13鋼(gang)好(hao)，因此要求耐(nai)蝕性(xing)(xing)高的(de)塑(su)料(liao)模具，仍然有一部分(fen)(fen)采用該(gai)型號不銹鋼(gang)制造。
1Cr17Ni2鋼的淬火(huo)溫度(du)范圍為(wei)(wei)950～1050℃，油冷。淬火(huo)后低溫回(hui)(hui)火(huo)或高(gao)溫回(hui)(hui)火(huo)均(jun)有(you)(you)較(jiao)好的耐蝕性(xing)，淬火(huo)后經200～300℃回(hui)(hui)火(huo)，鋼的硬度(du)為(wei)(wei)38～40HRC，如通過冷處理(li)，可使奧氏體繼續轉(zhuan)變(bian)為(wei)(wei)馬氏體，硬度(du)可提高(gao)到42～48HRC。基體組織為(wei)(wei)回(hui)(hui)火(huo)索(suo)氏體，具有(you)(you)較(jiao)好的強度(du)和(he)韌度(du)配(pei)合，而且(qie)也有(you)(you)較(jiao)高(gao)的耐蝕性(xing)。該類鋼還可以(yi)通過滲氮處理(li)，提高(gao)耐磨(mo)性(xing)、抗咬合能力和(he)模具的使用壽命。
1Cr17Ni2 鋼主要(yao)用于耐(nai)腐蝕、高精(jing)度的塑料模具。
2. 沉(chen)淀硬化型不銹鋼(gang)
馬氏體不銹鋼模具在熱處理過程中會產生變形，這是模具熱處理三大難題之一（變形、開裂、淬硬）。如何既保持模具的加工精度，又使模具具有較高硬度，對于復雜、精密、長壽命的耐蝕塑料模具，是模具材料面臨的一個重要課題，為此國內研制和發展了一系列沉淀硬化不銹鋼。常用的沉淀硬化(hua)不銹鋼(gang)有：0Cr17Ni14Cu4Nb、0Cr17NiAl、0Cr15Ni17Mo4Al、0Cr12Ni4Mn5Mo3Al、1Cr14Co13Mo5V等。
例(li)如，0Cr17Ni14Cu4Nb鋼是一種馬(ma)氏(shi)體(ti)沉淀硬(ying)化不銹鋼，因碳含量低，耐(nai)蝕性(xing)優于(yu)馬(ma)氏(shi)體(ti)不銹鋼，而接近奧氏(shi)體(ti)不銹鋼。該鋼熱處理工藝簡(jian)單(dan)，固溶溫(wen)度為1040℃，水(shui)冷，熱處理后可(ke)獲得單(dan)一板條狀(zhuang)馬(ma)氏(shi)體(ti)，硬(ying)度為32～34HRC，具有良(liang)好的(de)切削加工性(xing)能，便(bian)于(yu)模(mo)具的(de)加工成形(xing)，經460～480℃時(shi)效后，模(mo)具的(de)硬(ying)度可(ke)達(da)到40HRC，由(you)于(yu)溫(wen)度較低模(mo)具變形(xing)較小(xiao)，硬(ying)度和強度皆有所提高，同時(shi)獲得綜合的(de)力學性(xing)能。該類(lei)鋼制模(mo)具可(ke)采(cai)用離子滲氮(dan)表面處理，表面硬(ying)度可(ke)達(da)900HV以(yi)上，大(da)大(da)延長(chang)了模(mo)具的(de)使(shi)用壽命。
沉淀硬化型不銹鋼(gang)主要用于制造(zao)耐腐蝕、高精(jing)度的塑料模具。
3. 奧(ao)氏體不銹鋼在(zai)熱作模具上(shang)的應用
近年來，為了滿足耐高溫、耐蝕、抗氧化要求而引入的奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼作為熱作模具材料已經逐漸獲得廣泛的應用。這類鋼一般都含有Ni、Mn等奧氏體形成元素，同時加入一定量的C、Cr等元素，使奧氏體變得更加穩定，鋼始終保持奧氏體組織，其中Cr14Ni25Co2V、4Cr14Ni14W2Mo鋼屬于鉻鎳系奧氏體不銹鋼。奧氏體鋼的優點是組織比較穩定，在加熱和冷卻過程中均不發生相變，具有很高的高溫強度和耐熱性；缺點是線脹系數大，導熱性差，降低了鋼的熱疲勞性能，不適宜作為強烈水冷的模具材料。
4Cr14Ni14W2Mo鋼(gang)屬于鉻鎳系奧氏(shi)(shi)體(ti)不(bu)銹鋼(gang)。該鋼(gang)在(zai)(zai)650℃以下有良好的力學性能；在(zai)(zai)600～800℃時(shi)，易因強(qiang)烈的時(shi)效而強(qiang)化(hua)；在(zai)(zai)800℃以下耐(nai)熱不(bu)起皮；在(zai)(zai)900℃以下耐(nai)氣(qi)體(ti)腐蝕能力高。該鋼(gang)熱處理工藝為(wei)：固溶溫(wen)度1000～1100℃，水冷(leng)，組織為(wei)奧氏(shi)(shi)體(ti)；時(shi)效處理溫(wen)度為(wei)750℃，空(kong)冷(leng)，組織為(wei)奧氏(shi)(shi)體(ti)。
4Cr14Ni14W2Mo鋼(gang)抗氧(yang)化性好，可以(yi)用(yong)于(yu)鈦(tai)合金蠕變成(cheng)形模、強腐蝕性的玻璃成(cheng)形模以(yi)及壓鑄用(yong)型芯(xin)等熱作模具。
4. 奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼在無磁模具中的(de)應(ying)用
為了(le)(le)適應磁(ci)(ci)性(xing)制品(pin)的生(sheng)(sheng)產，人們用無(wu)磁(ci)(ci)模具鋼制造無(wu)磁(ci)(ci)冷作模具和塑料模具，這種模具在強磁(ci)(ci)場(chang)中不會被(bei)磁(ci)(ci)化，保證(zheng)了(le)(le)磁(ci)(ci)性(xing)制品(pin)在生(sheng)(sheng)產過程(cheng)中即使被(bei)磁(ci)(ci)化，仍然(ran)容易脫模，從而有效地保證(zheng)了(le)(le)生(sheng)(sheng)產的正常(chang)進行。
無(wu)磁模具(ju)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)包括奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)和高錳系奧(ao)氏體(ti)(ti)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)。1Cr18Ni8Ti鋼(gang)(gang)(gang)(gang)屬于奧(ao)氏體(ti)(ti)型(xing)不銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)，具(ju)有(you)較高的(de)抗晶間腐蝕(shi)性(xing)能，在各(ge)種(zhong)狀態下都(dou)能保(bao)持穩定(ding)的(de)奧(ao)氏體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)，在強(qiang)磁場中部產生磁感(gan)應。該鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)冷(leng)拉坯(pi)料退(tui)火溫度(du)為(wei)970℃，水(shui)冷(leng)；固溶溫度(du)為(wei)1030～1160℃水(shui)冷(leng)，組(zu)織(zhi)為(wei)奧(ao)氏體(ti)(ti)；時(shi)效(xiao)溫度(du)800℃保(bao)溫10h，或時(shi)效(xiao)溫度(du)700℃保(bao)溫20h，組(zu)織(zhi)為(wei)奧(ao)氏體(ti)(ti)＋碳化物(wu)。時(shi)效(xiao)后強(qiang)度(du)和其他力學性(xing)能均有(you)所提(ti)高，但硬度(du)仍然較低（＜200HBW），為(wei)保(bao)證其耐磨性(xing)，一般還需進行(xing)滲氮處理。
1Cr18Ni8Ti鋼經固(gu)溶后呈(cheng)單相奧氏體組織，因此在強磁(ci)場中不產(chan)生感(gan)應，適(shi)宜制造(zao)無(wu)磁(ci)模(mo)具和耐蝕性(xing)的塑料模(mo)具。
5. 結束語
不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)種類(lei)(lei)較多，有奧氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)、奧氏體(ti)＋鐵素(su)體(ti)（雙相(xiang)）型不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)、鐵素(su)體(ti)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)、馬(ma)氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)、沉淀硬化型不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)，其共同特點是(shi)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)耐(nai)蝕(shi)。各類(lei)(lei)模(mo)具的(de)(de)服役(yi)條件(jian)差(cha)異較大，因此各類(lei)(lei)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)選(xuan)擇(ze)和(he)應用需根(gen)據(ju)模(mo)具的(de)(de)生產條件(jian)和(he)工作環境的(de)(de)需要(yao)，結(jie)合不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)材(cai)料(liao)的(de)(de)基(ji)本性能(neng)和(he)相(xiang)關因素(su)，選(xuan)擇(ze)符(fu)合模(mo)具性能(neng)要(yao)求，經濟上(shang)合理(li)、技術上(shang)先進的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)材(cai)料(liao)，從而提高(gao)產品的(de)(de)質量和(he)模(mo)具的(de)(de)使用水平。
