模具钢的热处理与硬度选择，工程师的必修课！

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1.热处理与模具寿命





什么叫热处理？热处理是将钢材加热,冷却得到所需组织和性能的一种工艺



热处理的三把火

● 退火（Annealing)—降低硬度，改善加工性能。退火组织：铁素体（ F）/球粒状珠光体（ P）

● 淬火（Qunching)—提高硬度，增加强度和耐磨性。淬火组织：淬火马氏体（ M ）+ 残余奥氏体（AR）
● 回火（Tempering)—消除淬火应力，调节硬度，提高韧性。回火组织：回火马氏体（M ） / 索氏体（S ）



典型热处理工艺



低温回火的优点:

• 表面光亮，变形小
• 抗蚀性较高
• 小模具韧性高
• 高硬度

高温回火的优点:
在高温下工作较稳定,可随后进行氮化,PVD不易WEDM及磨削开裂减少R.A %, 稳定尺寸.

如何重新淬火？

必须先退火
• 避免韧性急剧下降
• 防止开裂

正火（常用于中低碳钢）

● 正火是将钢加热到全部奥氏体化的温度，经保温后空冷以获得细小珠光体的热处理工艺
● 正火的目的：细化晶粒，使组织均匀;消除过共析钢中的原始组织中的网状碳化物;提高韧性，改善切削加工性;作为钢材的预先热处理或最终热处理.



2.合理选择模具的热处理硬度

一、>63HRC

●使用范围：一些耐磨性要求特别高的塑料，或是一些产品设计很特别的浇口，流道
●材料：高速钢如SKH51

二、58-61HRC

●使用范围：加玻纤在40％以上，且产品结构简单的小型模具及镶件。
●材料：DC53/SKD11/D2

三、54-58HRC

●使用范围：产品加玻纤在30％以上，产品结构相对较为复杂，或用作耐磨块。
●材料：635, 440C SUJ2,GCr15

四、48-52HRC

●使用范围：啤量要求过100万以上长期生产的硬模，或加玻纤量为15--30%，或电木模.
●材料：420，H13，H11

五、44-48HRC
●使用范围：中大型塑胶硬模（三维对角线超过400），或是设计上存在应力集中的长期生产的模具;及长期使用的行位/斜顶
●材料：420、H13、H11



压铸模/塑胶硬模/行位



ADC3 vs DH31-S vsLKM2344SUPER



六、40-44HRC

使用范围：热处理有一定难度的形状较复杂中大型塑胶模;或是中等批量生产的要求尺寸稳定的模具;对材料韧性和耐磨性均有要求的行位/斜顶。
材料：H11,MEK4 、 LKM808E/NAK80

七、35-40HRC

●使用范围:中小批量生产的不防酸普通塑胶模;对材料耐磨性无较高要求的行位/斜顶
●材料KM738H,LKM838H,LKM718H,LKM818H.

八、30-35HRC
●使用范围：中小批量生产的大型塑胶模;对材料韧性有较高要求的行位/斜顶
●材料：LKM738、LKM2311,LKM2083H、LKM2316,LKM420H(防酸),S136H,S-STAR(亮面),336

九、<30HRC

●使用范围:大型原身出的低成本无表面要求的塑胶模具
●材料：S45-55C、P20、WY2311

常见硬模材料硬度选择(H13 & 420 )

大模具为防止淬火应力开裂, 及保有较好韧性,须用较高回火温度, 因此硬度应适当降低.



3. 热处理的变形

什么是变形？

● 工件在热处理过程发生的尺寸和形状的变化；
● 加工应力，热应力和组织转变应力导致了模具的变形；
● 淬火和回火均会导致翘曲变形，且加热温度越高，变形越大。



变形的类型



加工应力

● 模具粗加工过程中（车削，铣削，磨削）会在模具表面产生张应力；
● 在热处理淬硬过程的加热阶段加工张应力将会被释放，导致形变；
● 通过热处理前去应力处理可减低因加工应力而产生的变形。



消除应力处理



热应力

● 模具表面和心部的温差导致模具内部热应力的产生，是引致形状改变的主要原因；
● 加热时钢的体积会增加，不均匀的加热会导致钢在各个方向上的体积增长不一致，从而产生应力和形变；
● 当处理较大且形状复杂的模具时，应采用缓慢的加热速度并增加预热步骤，以保证材料表面和心部加热的均匀性。

淬火快冷与慢冷





淬冷速率过快导致开裂



组织转变应力

● 应力来自钢中的组织转变；
● 钢在不同状态下的三种组织：铁素体，奥氏体，马氏体具有不同的晶体结构和体积。



碳素钢在组织转变中的体积变化




热处理过程中不可避免的变形





热处理过程中可避免的变形



如何减低变形？

● 模具形状简单和对称；
● 粗加工后进行消除应力处理再进行热处理；
● 硬化过程中缓慢加热；
● 采用合适的模具材料；
● 淬冷时尽量采用温和的淬冷速率但不可过慢以获得正确的显微组织；
● 选择合适的回火温度。



推荐预留的加工余量





4.运用表面处理技术提高模具寿命

磨粒磨损





粘着磨损



软氮化

● 气氛：NH3+C2H2
● 时间：5—8 H
● 温度：510--560 ℃
● 氮化层深度：0.2mm
● 氮化层表面硬度：约600-1100HV
● 适用范围：塑胶模具，零配件

离子氮化

● 气氛：N2
● 时间：48--72 H
● 温度：450--550 ℃
● 氮化层深度：0.2—0.6mm
● 氮化层表面硬度：约800-1200HV
● 适用范围：塑胶、五金模具，零配件

渗碳淬火

● 气氛：煤油+甲醇
● 时间：72 H
● 温度：870-980 ℃
● 渗碳层深度：0.8mm
● 渗碳层表面硬度：约50-60HRC
● 适用范围：零配件

中高频感应加热

● 用不同功率线圈感应加热以获得表面马氏体淬硬层，高频可获1-1.5mm的硬化层, 中频可获3mm的硬化层，心部仍保持为退火状态。
● 主要用于直径较小的边钉零件（标准为60以下，非标可达50-80）

镀鉻（镍）和发黑处理

● 功能：提高耐腐蚀性和耐磨性；
● 镀层厚度：0.01-0.02mm
● 镀鉻的负作用：引至氫脆

PVD硬质涂层的功用

●减低刀具与被加工材料之间，模具之间的磨损；
●起自润滑作用，较小的摩擦系数；
●良好的绝缘媒介，保护工模具的表面，避免刀模具与被加工材料的直接接触；
●有效提高耐磨性，大大提高工模具使用寿命。