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(bu)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. 中碳高鉻耐蝕馬氏(shi)體(ti)不銹鋼
這(zhe)類鋼(gang)要(yao)(yao)求硬(ying)度(du)在(zai)50~55HRC。典型的不(bu)銹(xiu)鋼(gang)為(wei)4Cr13,該鋼(gang)為(wei)中碳(tan)馬氏體不(bu)銹(xiu)鋼(gang),熱處理后具(ju)有較(jiao)高的硬(ying)度(du)和耐(nai)磨性(xing),且抗大(da)氣(qi)(qi)和水(shui)蒸氣(qi)(qi)腐蝕(shi),可(ke)用(yong)于制造要(yao)(yao)求一定耐(nai)蝕(shi)性(xing)的塑(su)料模具(ju)。該鋼(gang)的淬(cui)(cui)火(huo)(huo)溫(wen)度(du)一般(ban)選擇1050℃,淬(cui)(cui)透(tou)性(xing)好。對(dui)于小型塑(su)料模具(ju),淬(cui)(cui)火(huo)(huo)時可(ke)用(yong)空氣(qi)(qi)冷卻,以減少(shao)模具(ju)的熱處理變形(xing);而對(dui)于尺寸(cun)較(jiao)大(da)的模具(ju)可(ke)采用(yong)油(you)淬(cui)(cui),淬(cui)(cui)火(huo)(huo)后的模具(ju)一般(ban)采用(yong)200～300℃回(hui)(hui)火(huo)(huo)，回(hui)(hui)火(huo)(huo)后硬(ying)度(du)為(wei)50～53HRC。適宜(yi)制造承受高負荷、高耐(nai)磨及腐蝕(shi)介(jie)質作用(yong)下的塑(su)料模具(ju)。
b. 高(gao)碳(tan)高(gao)鉻型(xing)不銹鋼(gang)
對于要(yao)求較高硬(ying)度(du)、較高耐(nai)(nai)(nai)磨性的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)蝕(shi)塑料(liao)(liao)模具可(ke)選(xuan)擇(ze)高碳(tan)高鉻(ge)型不銹鋼，如(ru)9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo和 Cr14MoV 等。以Cr14MoV鋼為例，其w(C)=1.0%~1.11.15％，該(gai)鋼具有較好的(de)(de)淬透性，淬火(huo)溫度(du)一般選(xuan)擇(ze)為1100～1120℃油冷，硬(ying)度(du)≥58HRC，回(hui)火(huo)溫度(du)為500℃，保溫2h，回(hui)火(huo)4次，其硬(ying)度(du)≥60HRC。該(gai)鋼具有高硬(ying)度(du)、高耐(nai)(nai)(nai)磨性和良好的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)蝕(shi)性，高溫硬(ying)度(du)也較高，適宜(yi)制造在腐蝕(shi)介質(zhi)作用下承受高負荷、高耐(nai)(nai)(nai)磨的(de)(de)塑料(liao)(liao)模具。
c. 低碳鉻鎳型耐蝕不銹鋼
1Cr17Ni2鋼(gang)屬于馬氏體(ti)型(xing)不銹耐(nai)(nai)酸(suan)鋼(gang)，對于氧化酸(suan)類（一定溫度、濃(nong)度的(de)硝酸(suan)，大部分的(de)有(you)(you)機酸(suan)）以(yi)及鹽類的(de)水(shui)溶(rong)液有(you)(you)良好的(de)耐(nai)(nai)蝕性(xing)(xing)；該鋼(gang)有(you)(you)較高(gao)的(de)強度和適(shi)宜的(de)硬度，耐(nai)(nai)蝕性(xing)(xing)比4Cr13鋼(gang)好，因此要求耐(nai)(nai)蝕性(xing)(xing)高(gao)的(de)塑料模具，仍(reng)然(ran)有(you)(you)一部分采用(yong)該型(xing)號不銹鋼(gang)制造(zao)。
1Cr17Ni2鋼(gang)(gang)的淬火溫度(du)范圍為(wei)(wei)(wei)950～1050℃，油(you)冷。淬火后低溫回(hui)火或高(gao)溫回(hui)火均有(you)(you)較(jiao)好(hao)的耐(nai)(nai)蝕性(xing)(xing)，淬火后經200～300℃回(hui)火，鋼(gang)(gang)的硬度(du)為(wei)(wei)(wei)38～40HRC，如通過冷處理，可使(shi)(shi)奧氏(shi)體繼(ji)續轉變為(wei)(wei)(wei)馬氏(shi)體，硬度(du)可提(ti)(ti)高(gao)到(dao)42～48HRC。基體組織為(wei)(wei)(wei)回(hui)火索氏(shi)體，具(ju)有(you)(you)較(jiao)好(hao)的強(qiang)度(du)和(he)韌(ren)度(du)配合，而(er)且也(ye)有(you)(you)較(jiao)高(gao)的耐(nai)(nai)蝕性(xing)(xing)。該類鋼(gang)(gang)還可以通過滲氮處理，提(ti)(ti)高(gao)耐(nai)(nai)磨性(xing)(xing)、抗咬合能力和(he)模(mo)具(ju)的使(shi)(shi)用壽(shou)命。
1Cr17Ni2 鋼(gang)主(zhu)要用于耐腐蝕、高精度的塑(su)料模具。
2. 沉淀(dian)硬化型不銹鋼
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(xiu)鋼有：0Cr17Ni14Cu4Nb、0Cr17NiAl、0Cr15Ni17Mo4Al、0Cr12Ni4Mn5Mo3Al、1Cr14Co13Mo5V等。
例如，0Cr17Ni14Cu4Nb鋼是一種馬(ma)氏體沉淀(dian)硬(ying)(ying)化(hua)不(bu)銹(xiu)鋼，因碳(tan)含(han)量低(di)，耐蝕性優(you)于馬(ma)氏體不(bu)銹(xiu)鋼，而接近奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼。該鋼熱處理工(gong)藝簡單，固(gu)溶溫度(du)(du)(du)為1040℃，水冷，熱處理后可(ke)獲得單一板條狀馬(ma)氏體，硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)為32～34HRC，具(ju)(ju)(ju)有(you)良好的(de)切削(xue)加(jia)工(gong)性能，便于模具(ju)(ju)(ju)的(de)加(jia)工(gong)成形，經460～480℃時(shi)效后，模具(ju)(ju)(ju)的(de)硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)可(ke)達到40HRC，由于溫度(du)(du)(du)較低(di)模具(ju)(ju)(ju)變形較小，硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)和強(qiang)度(du)(du)(du)皆有(you)所提高，同時(shi)獲得綜合的(de)力學性能。該類(lei)鋼制模具(ju)(ju)(ju)可(ke)采用(yong)離子滲(shen)氮(dan)表面處理，表面硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)可(ke)達900HV以上，大大延長(chang)了模具(ju)(ju)(ju)的(de)使用(yong)壽命。
沉(chen)淀(dian)硬化型不銹(xiu)鋼主要用(yong)于制造耐腐蝕、高精度(du)的塑料模(mo)具。
3. 奧氏體不銹鋼在熱作模具上(shang)的(de)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不銹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鋼屬(shu)于鉻鎳系奧氏(shi)(shi)體不銹鋼。該鋼在(zai)650℃以下有良好的力(li)學性能；在(zai)600～800℃時(shi)，易因強烈的時(shi)效(xiao)而強化(hua)；在(zai)800℃以下耐熱(re)不起皮；在(zai)900℃以下耐氣體腐蝕能力(li)高。該鋼熱(re)處理工(gong)藝為：固溶溫(wen)度1000～1100℃，水冷(leng)(leng)，組(zu)(zu)織為奧氏(shi)(shi)體；時(shi)效(xiao)處理溫(wen)度為750℃，空冷(leng)(leng)，組(zu)(zu)織為奧氏(shi)(shi)體。
4Cr14Ni14W2Mo鋼抗氧化(hua)性好，可以用于鈦(tai)合(he)金蠕變成形模、強腐(fu)蝕性的(de)玻璃(li)成形模以及壓鑄用型芯等熱作模具。
4. 奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼在無磁(ci)模具中(zhong)的(de)應用(yong)
為了適(shi)應磁(ci)(ci)性制品(pin)的生產，人們用無磁(ci)(ci)模(mo)(mo)具(ju)鋼制造(zao)無磁(ci)(ci)冷作模(mo)(mo)具(ju)和塑料模(mo)(mo)具(ju)，這種模(mo)(mo)具(ju)在強磁(ci)(ci)場中(zhong)不會被(bei)(bei)磁(ci)(ci)化，保證了磁(ci)(ci)性制品(pin)在生產過程中(zhong)即使被(bei)(bei)磁(ci)(ci)化，仍然容(rong)易(yi)脫模(mo)(mo)，從而有效地保證了生產的正常進(jin)行。
無磁模具鋼(gang)包(bao)括奧(ao)氏(shi)體不銹(xiu)鋼(gang)和高(gao)錳系奧(ao)氏(shi)體鋼(gang)。1Cr18Ni8Ti鋼(gang)屬于(yu)奧(ao)氏(shi)體型不銹(xiu)鋼(gang)，具有(you)較高(gao)的抗晶間腐蝕性(xing)能，在各(ge)種(zhong)狀態下都(dou)能保(bao)持(chi)穩定的奧(ao)氏(shi)體組織，在強(qiang)磁場中部產生磁感(gan)應。該鋼(gang)的冷拉坯(pi)料(liao)退火溫(wen)(wen)度為970℃，水(shui)冷；固溶溫(wen)(wen)度為1030～1160℃水(shui)冷，組織為奧(ao)氏(shi)體；時(shi)效(xiao)溫(wen)(wen)度800℃保(bao)溫(wen)(wen)10h，或時(shi)效(xiao)溫(wen)(wen)度700℃保(bao)溫(wen)(wen)20h，組織為奧(ao)氏(shi)體＋碳化物。時(shi)效(xiao)后強(qiang)度和其(qi)他力學(xue)性(xing)能均有(you)所(suo)提高(gao)，但硬度仍然較低（＜200HBW），為保(bao)證(zheng)其(qi)耐磨(mo)性(xing)，一般(ban)還需進(jin)行滲氮處理(li)。
1Cr18Ni8Ti鋼經(jing)固溶后(hou)呈單(dan)相奧氏體組(zu)織，因此在(zai)強磁場中不產生感應(ying)，適(shi)宜制造(zao)無磁模具和耐蝕性的塑料模具。
5. 結束(shu)語
不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)種(zhong)類(lei)較多，有奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、奧氏(shi)體＋鐵素體（雙相）型不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、鐵素體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、馬氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)、沉淀硬化型不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)，其共(gong)同(tong)特點是不(bu)銹(xiu)耐蝕。各類(lei)模具(ju)的(de)(de)服役條(tiao)件差異較大，因(yin)此(ci)各類(lei)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)(de)選(xuan)擇(ze)和應用需根據模具(ju)的(de)(de)生產(chan)(chan)條(tiao)件和工作環境的(de)(de)需要，結合不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材料的(de)(de)基本性(xing)能和相關因(yin)素，選(xuan)擇(ze)符合模具(ju)性(xing)能要求，經濟(ji)上合理、技術上先進的(de)(de)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材料，從而提高產(chan)(chan)品的(de)(de)質量(liang)和模具(ju)的(de)(de)使(shi)用水平(ping)。
