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. 中碳高鉻耐蝕馬氏體不銹鋼
這(zhe)類鋼(gang)要求硬度(du)在(zai)50~55HRC。典型(xing)的(de)(de)不(bu)銹鋼(gang)為(wei)(wei)4Cr13,該(gai)鋼(gang)為(wei)(wei)中(zhong)碳馬氏體不(bu)銹鋼(gang),熱(re)處理后(hou)具(ju)有較高(gao)(gao)的(de)(de)硬度(du)和(he)(he)耐(nai)磨性,且(qie)抗大氣(qi)和(he)(he)水蒸氣(qi)腐(fu)蝕,可(ke)(ke)用(yong)于(yu)(yu)制造(zao)要求一(yi)定耐(nai)蝕性的(de)(de)塑料模(mo)(mo)具(ju)。該(gai)鋼(gang)的(de)(de)淬火溫度(du)一(yi)般選擇1050℃,淬透性好。對于(yu)(yu)小型(xing)塑料模(mo)(mo)具(ju),淬火時可(ke)(ke)用(yong)空氣(qi)冷卻,以減少模(mo)(mo)具(ju)的(de)(de)熱(re)處理變形(xing);而對于(yu)(yu)尺寸較大的(de)(de)模(mo)(mo)具(ju)可(ke)(ke)采(cai)用(yong)油淬,淬火后(hou)的(de)(de)模(mo)(mo)具(ju)一(yi)般采(cai)用(yong)200～300℃回火，回火后(hou)硬度(du)為(wei)(wei)50～53HRC。適宜制造(zao)承受高(gao)(gao)負(fu)荷(he)、高(gao)(gao)耐(nai)磨及腐(fu)蝕介質作(zuo)用(yong)下的(de)(de)塑料模(mo)(mo)具(ju)。
b. 高(gao)碳高(gao)鉻(ge)型不銹鋼(gang)
對于(yu)要求較高(gao)(gao)(gao)硬(ying)度(du)、較高(gao)(gao)(gao)耐磨性的耐蝕(shi)塑(su)(su)料模(mo)具(ju)可選擇(ze)(ze)高(gao)(gao)(gao)碳(tan)高(gao)(gao)(gao)鉻(ge)型不(bu)銹鋼(gang)，如9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo和 Cr14MoV 等。以Cr14MoV鋼(gang)為(wei)例，其w(C)=1.0%~1.11.15％，該鋼(gang)具(ju)有較好的淬透性，淬火(huo)溫(wen)度(du)一般選擇(ze)(ze)為(wei)1100～1120℃油冷(leng)，硬(ying)度(du)≥58HRC，回(hui)火(huo)溫(wen)度(du)為(wei)500℃，保溫(wen)2h，回(hui)火(huo)4次，其硬(ying)度(du)≥60HRC。該鋼(gang)具(ju)有高(gao)(gao)(gao)硬(ying)度(du)、高(gao)(gao)(gao)耐磨性和良好的耐蝕(shi)性，高(gao)(gao)(gao)溫(wen)硬(ying)度(du)也較高(gao)(gao)(gao)，適宜(yi)制(zhi)造在腐蝕(shi)介質(zhi)作用下承(cheng)受(shou)高(gao)(gao)(gao)負荷、高(gao)(gao)(gao)耐磨的塑(su)(su)料模(mo)具(ju)。
c. 低碳鉻鎳型耐蝕不(bu)銹鋼(gang)
1Cr17Ni2鋼(gang)(gang)屬于馬氏(shi)體型不銹(xiu)耐(nai)酸(suan)鋼(gang)(gang)，對于氧化酸(suan)類（一定溫度(du)、濃度(du)的(de)硝酸(suan)，大部分的(de)有(you)機酸(suan)）以(yi)及鹽類的(de)水(shui)溶液有(you)良好的(de)耐(nai)蝕(shi)性(xing)；該(gai)鋼(gang)(gang)有(you)較(jiao)高的(de)強度(du)和(he)適宜的(de)硬度(du)，耐(nai)蝕(shi)性(xing)比4Cr13鋼(gang)(gang)好，因此要求(qiu)耐(nai)蝕(shi)性(xing)高的(de)塑料模具，仍然有(you)一部分采用(yong)該(gai)型號不銹(xiu)鋼(gang)(gang)制(zhi)造。
1Cr17Ni2鋼(gang)的(de)淬火(huo)(huo)(huo)溫(wen)度范圍為950～1050℃，油冷。淬火(huo)(huo)(huo)后低溫(wen)回火(huo)(huo)(huo)或(huo)高溫(wen)回火(huo)(huo)(huo)均有較好的(de)耐蝕性(xing)，淬火(huo)(huo)(huo)后經200～300℃回火(huo)(huo)(huo)，鋼(gang)的(de)硬度為38～40HRC，如通過(guo)冷處理，可使奧氏體(ti)(ti)繼(ji)續轉變為馬氏體(ti)(ti)，硬度可提高到(dao)42～48HRC。基體(ti)(ti)組織為回火(huo)(huo)(huo)索氏體(ti)(ti)，具有較好的(de)強度和韌度配合，而且也有較高的(de)耐蝕性(xing)。該類鋼(gang)還可以通過(guo)滲氮處理，提高耐磨性(xing)、抗咬合能力(li)和模具的(de)使用壽命。
1Cr17Ni2 鋼主(zhu)要用于耐腐蝕、高(gao)精度(du)的塑料模具。
2. 沉淀硬化(hua)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(bu)銹(xiu)鋼有：0Cr17Ni14Cu4Nb、0Cr17NiAl、0Cr15Ni17Mo4Al、0Cr12Ni4Mn5Mo3Al、1Cr14Co13Mo5V等。
例如，0Cr17Ni14Cu4Nb鋼(gang)(gang)是一種馬氏(shi)體(ti)沉淀硬化不(bu)銹鋼(gang)(gang)，因碳含量低，耐(nai)蝕性優于馬氏(shi)體(ti)不(bu)銹鋼(gang)(gang)，而(er)接(jie)近奧(ao)氏(shi)體(ti)不(bu)銹鋼(gang)(gang)。該鋼(gang)(gang)熱處(chu)理(li)工(gong)(gong)藝(yi)簡單(dan)，固(gu)溶溫(wen)度(du)(du)為(wei)1040℃，水冷(leng)，熱處(chu)理(li)后可獲(huo)得單(dan)一板條狀(zhuang)馬氏(shi)體(ti)，硬度(du)(du)為(wei)32～34HRC，具(ju)(ju)有(you)良(liang)好的(de)(de)切削(xue)加工(gong)(gong)性能，便于模(mo)具(ju)(ju)的(de)(de)加工(gong)(gong)成形，經(jing)460～480℃時(shi)效后，模(mo)具(ju)(ju)的(de)(de)硬度(du)(du)可達到40HRC，由(you)于溫(wen)度(du)(du)較低模(mo)具(ju)(ju)變形較小，硬度(du)(du)和強度(du)(du)皆有(you)所提高，同時(shi)獲(huo)得綜合(he)的(de)(de)力學性能。該類(lei)鋼(gang)(gang)制模(mo)具(ju)(ju)可采用離子滲(shen)氮表(biao)面處(chu)理(li)，表(biao)面硬度(du)(du)可達900HV以(yi)上，大大延長了模(mo)具(ju)(ju)的(de)(de)使用壽(shou)命(ming)。
沉淀硬化型不(bu)銹鋼主要用于(yu)制造耐(nai)腐(fu)蝕、高(gao)精度的塑料模具(ju)。
3. 奧氏體不銹鋼在熱作模(mo)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(gang)屬(shu)于(yu)鉻(ge)鎳系奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)不銹鋼(gang)。該鋼(gang)在(zai)(zai)650℃以(yi)下有良好的(de)力學性(xing)能(neng)；在(zai)(zai)600～800℃時(shi)，易因強(qiang)烈的(de)時(shi)效(xiao)而強(qiang)化；在(zai)(zai)800℃以(yi)下耐熱(re)(re)不起皮；在(zai)(zai)900℃以(yi)下耐氣體(ti)腐蝕能(neng)力高。該鋼(gang)熱(re)(re)處理工(gong)藝為(wei)(wei)：固(gu)溶溫(wen)(wen)度(du)1000～1100℃，水冷，組織為(wei)(wei)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)；時(shi)效(xiao)處理溫(wen)(wen)度(du)為(wei)(wei)750℃，空冷，組織為(wei)(wei)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)。
4Cr14Ni14W2Mo鋼抗氧化性(xing)好(hao)，可以用于鈦(tai)合(he)金蠕變成(cheng)形(xing)模、強腐(fu)蝕性(xing)的玻璃成(cheng)形(xing)模以及壓(ya)鑄(zhu)用型芯等熱作模具。
4. 奧氏體不銹鋼在(zai)無磁模具中(zhong)的應用
為了適應磁(ci)性(xing)制(zhi)品的(de)生(sheng)產(chan)(chan)，人們用無(wu)磁(ci)模(mo)(mo)具鋼(gang)制(zhi)造無(wu)磁(ci)冷作(zuo)模(mo)(mo)具和塑料模(mo)(mo)具，這種模(mo)(mo)具在強磁(ci)場中不(bu)會被磁(ci)化(hua)，保證了磁(ci)性(xing)制(zhi)品在生(sheng)產(chan)(chan)過程(cheng)中即(ji)使被磁(ci)化(hua)，仍然容易脫模(mo)(mo)，從而有(you)效地保證了生(sheng)產(chan)(chan)的(de)正常進行。
無磁(ci)模具鋼(gang)包括奧氏體不(bu)銹鋼(gang)和(he)高(gao)(gao)錳系奧氏體鋼(gang)。1Cr18Ni8Ti鋼(gang)屬于奧氏體型(xing)不(bu)銹鋼(gang)，具有較高(gao)(gao)的抗晶間腐蝕(shi)性能(neng)，在各種狀態(tai)下都能(neng)保持穩(wen)定的奧氏體組織(zhi)，在強磁(ci)場中(zhong)部產生(sheng)磁(ci)感應。該鋼(gang)的冷拉坯料退火(huo)溫度為(wei)(wei)(wei)(wei)970℃，水(shui)冷；固(gu)溶(rong)溫度為(wei)(wei)(wei)(wei)1030～1160℃水(shui)冷，組織(zhi)為(wei)(wei)(wei)(wei)奧氏體；時效溫度800℃保溫10h，或時效溫度700℃保溫20h，組織(zhi)為(wei)(wei)(wei)(wei)奧氏體＋碳(tan)化物。時效后強度和(he)其(qi)他力學性能(neng)均有所提高(gao)(gao)，但(dan)硬度仍然較低(di)（＜200HBW），為(wei)(wei)(wei)(wei)保證其(qi)耐磨性，一般還需進行滲(shen)氮處理。
1Cr18Ni8Ti鋼(gang)經固溶后呈(cheng)單相奧(ao)氏體組織，因(yin)此在強磁(ci)場中不(bu)產生(sheng)感應，適宜(yi)制造無磁(ci)模具和(he)耐蝕性的塑料模具。
5. 結束語(yu)
不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)種類(lei)較多，有(you)奧(ao)(ao)氏(shi)體不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)、奧(ao)(ao)氏(shi)體＋鐵素體（雙相）型不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)、鐵素體不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)、馬氏(shi)體不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)、沉(chen)淀硬(ying)化型不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)，其共(gong)同(tong)特點是不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)耐蝕。各類(lei)模具(ju)的(de)(de)服(fu)役條(tiao)(tiao)件差異較大，因(yin)(yin)此各類(lei)不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)的(de)(de)選擇和(he)應用(yong)需根據模具(ju)的(de)(de)生產條(tiao)(tiao)件和(he)工作(zuo)環境(jing)的(de)(de)需要，結合(he)不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)材料(liao)(liao)的(de)(de)基本(ben)性(xing)能(neng)和(he)相關因(yin)(yin)素，選擇符合(he)模具(ju)性(xing)能(neng)要求(qiu)，經濟(ji)上合(he)理、技術上先(xian)進的(de)(de)不(bu)銹(xiu)(xiu)(xiu)鋼(gang)材料(liao)(liao)，從而提高產品的(de)(de)質量和(he)模具(ju)的(de)(de)使(shi)用(yong)水(shui)平。
