5NiSCa鋼在精密密封橡膠模具中的應(yīng)用及熱處理

胡 江，劉奇榮

（江西應(yīng)用工程職業(yè)學院，江西 萍鄉(xiāng) 337042）

5NiSCa鋼在精密密封橡膠模具中的應(yīng)用及熱處理

胡 江，劉奇榮

（江西應(yīng)用工程職業(yè)學院，江西 萍鄉(xiāng) 337042）

我國自行研制的5NiSCa鋼，具有良好的鏡面加工性能，模具表面粗糙度好。用該鋼制造模具前，為保證其具有良好加工性能，一般先進行預硬化處理，達到模具工作硬度要求，獲得模具所需的綜合力學性能。然后直接由用戶進行切削加工或擠壓成型，成型后經(jīng)過及時鍍鉻或滲氮處理，既保護型腔表面，又增加表面硬度和耐磨性。可顯著提高模具的使用壽命。

5NiSCa鋼；精密密封橡膠模；熱處理工藝及應(yīng)用

當前，精密密封橡膠模具已經(jīng)成為現(xiàn)代橡膠工業(yè)中的一種高值易耗品。隨著橡膠工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)品品種多樣化、模具工況條件復雜化，使橡膠模具的壽命問題越來越引起人們的重視。實踐證明，模具材料與熱處理技術(shù)是影響橡膠模具質(zhì)量、性能、壽命的關(guān)鍵因素。據(jù)調(diào)查分析，在模具失效的影響因素中，其中材料和熱處理問題占據(jù)60-70%。因此，合理選用高性能模具鋼，并進行正確的熱處理工藝操作，是提高橡膠模具使用壽命的重要生產(chǎn)途徑。本文探討了精密密封橡膠模具的選材及熱處理問題，通過綜合分析其工作條件、性能，以此提高精密密封橡膠模具的使用壽命，確保加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，就顯得重要和迫切。

眾所周知，變形、開裂、硬度是模具熱處理三大難題。特別是在淬火過程中，由于模具截面各部分加熱和冷卻的不一致而引起溫差，加上組織轉(zhuǎn)變的不等時性等原因，使模具截面各部分體積膨脹不均勻，組織轉(zhuǎn)變的不均勻，從而產(chǎn)生組織應(yīng)力，又加之模具內(nèi)外溫差產(chǎn)生熱應(yīng)力，當其內(nèi)應(yīng)力超過模具的屈服極限時，就會引起模具變形。

近年來，隨著加工機床和切削刀具性能的提高，模具材料的預硬化技術(shù)開發(fā)速度加快。我國相繼開發(fā)和引進了一些預硬型模具鋼，這些鋼種強韌性好，熱處理變形小，易于切削加工，解決了精密密封橡膠模具熱處理變形問題。但在實踐中也發(fā)現(xiàn)，當模具硬度要求較高時往往又給模具加工造成很大困難。如何保持模具加工精度，又使模具具有較高硬度，對于精密、密封、長壽命的橡膠模具，一直是從事模具材料及熱處理工作者面臨亟待解決的問題。

國內(nèi)外研究者制造了一系列預硬型模具鋼。這種新型的模具鋼經(jīng)過充分鍛打后，制成模塊，預先熱處理至硬度要求，獲得模具所需的綜合力學性能，然后直接由用戶進行切削加工或擠壓成型，無需再進行熱處理淬硬，從而避免了熱處理變形甚至開裂。我國自行研制的5NiSCa鋼是其中最典型的一種，制造時切削性能好，使用時對壓力和溫度的變形小，主要用于制造精密型腔模具。

一、5NiSCa鋼的性能及其在模具中的應(yīng)用

5NiSCa鋼是一種中碳低鎳合金模具鋼。其化學成分見表1

表1 5NiSCa鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

5NiSCa鋼碳質(zhì)量分數(shù)在0.5%-0.6%左右，并含有一定量的Cr、Ni、Mn、V等合金元素，是為了獲取較高的淬透性和回火穩(wěn)定性，保證鋼的熱加工性能及熱處理后的韌性；多元少量合金化方案和二元硫鈣復合切削系，改善了硫化物的形態(tài)及分布，有效改善了鋼的切削加工性能。當然，加入S元素后，會減低鋼的拋光性能，但經(jīng)過提高預硬化硬度就可以保證其拋光性能，同時含S元素鋼的防腐性能差，拋光后應(yīng)注意及時鍍鉻或滲氮處理；金屬釩主要以V4C3形式存在基體中，由于V4C3穩(wěn)定難溶，硬度極高，顯著提高了鋼的耐磨性和熱硬性。

5NiSCa鋼預硬化處理后，硬度為35-45HRC。在此預硬狀態(tài)下，可以順利進行各種機械加工，鏡面拋光后表面粗糙度可達Ra0.2-0.1μm，且在使用過程中表面粗糙度保持能力強，花紋蝕刻性能好，清晰、逼真，可作型腔復雜、質(zhì)量要求高的模具，它在高硬度下（50HRC以上），熱處理變形小，韌性好，并具有較好的組織裂紋擴展的能力。

5NiSCa鋼一般采用電爐冶煉電渣重熔，淬透性好。含有一定量的鎳可以保證固溶體淬火后得到單一的馬氏體，并且鎳與鉬作用形成均勻彌散的時效強化相Ni3Mo。在軟化狀態(tài)下可以進行模具型腔的擠壓成型。

二、5NiSCa鋼的熱處理工藝

5NiSCa鋼作為一種中碳加鎳的易切削預硬化模具鋼，通常采用調(diào)質(zhì)預硬處理，預硬硬度為30-35HRC，便于機械加工或模具型腔的擠壓成型。因為預硬化處理是在模具毛坯狀態(tài)下進行的，加工成型后硬實施中溫時效，防止模具淬火變形。為增加表面耐磨和防腐，一般在成型加工后進行表面處理，如鍍鉻、滲氮處理等。

1.5NiSCa鋼的熱加工處理

提高鋼坯改鍛質(zhì)量是提高模具使用壽命的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)充分重視通過改鍛改善組織的重要性。為此要進行反復多向鐓拔并保證足夠的鍛造比。盡可能采用模鍛和精鍛。

5NiSCa鋼有良好的鍛造性能，其鍛造工藝如下表2

表2 5NiSCa鋼鍛造工藝參數(shù)

2.預備熱處理

5NiSCa鋼球化退火：加熱溫度760℃-780℃，保溫3h，等溫溫度680℃-700℃，保溫7h，爐冷到550℃出爐冷卻。獲得珠光體組織，退火硬度小于或等于230HBS，改善模具的切削加工或擠壓成型性能。

3.預硬化處理

5NiSCa鋼預硬化工藝簡單，多數(shù)采用調(diào)質(zhì)處理。淬透性良好，淬火時可用油冷、空冷或硝鹽分級淬火。為保證模具的各種工作硬度要求，高溫回火的溫度較寬（見表3）。調(diào)質(zhì)后獲得回火索氏體，硬度均勻。不同溫度回火硬度見下表3，淬火溫度對變形影響見表4。

表3 5NiSCa鋼的預硬化處理工藝

表4 5NiSCa鋼經(jīng)880℃淬火及不同溫度回火的硬度

表5 淬火溫度對5NiSCa鋼淬火變形的影響

三、5NiSCa鋼的應(yīng)用實例

5NiSCa鋼可用作型腔復雜、不同截面、型腔質(zhì)量要求高的注射模、膠木模、橡膠模、印制板沖孔等效果顯著。

例如用5NiSCa鋼制作精密密封橡膠模具的熱處理工藝及應(yīng)用。精密密封橡膠模具要求尺寸準確，加工工藝性能和拋光性能好，熱處理變形小。并且要有高的硬度、耐磨性和強韌性。選用5NiSCa鋼制造，均能滿足各項要求，使用壽命比45鋼橡膠壓模顯著提高。

模坯采用5NiSCa圓鋼改鍛，改鍛工藝為，預熱600℃-700℃，加熱溫度為1100℃-1150℃，始鍛溫度1050℃，終鍛溫度大于850℃，一火鍛成，鍛后砂冷。為改善模坯的切削加工性能以及為淬火作組織準備，鍛后需經(jīng)等溫球化退火，其工藝為760℃加熱。保溫2h，660℃等溫6h，退火硬度不高于230HBS。

預硬化處理采用調(diào)質(zhì)方式，淬火溫度范圍寬，為850℃-930℃，淬火硬度為60-62HRC；根據(jù)各種橡膠密封件壓模的硬度要求，回火溫度可取550 ℃-660℃，回火后硬度為35-45HRC。在此硬度條件下，5NiSCa鋼具有良好的機械加工性能和拋光性能。

模具熱處理變形是精密密封橡膠模具制造者面臨的一個重要課題，模具設(shè)計與制造人員應(yīng)重視新材料和熱處理新工藝的推廣應(yīng)用，揚棄習慣應(yīng)用傳統(tǒng)的模具鋼和傳統(tǒng)的熱處理工藝方法。通過合理選材，采用新的熱處理設(shè)備和工藝，對現(xiàn)有鋼種性能挖潛，可以大幅度提高模具使用壽命，既能滿足特殊使用性能和特殊工藝性能要求，又能解決許多生產(chǎn)和技術(shù)上的難題，獲得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

以5NiSCa鋼為代表的預硬化模具鋼，可以解決精密密封橡膠模具熱處理變形和開裂的傾向以及模具硬度要求高時加工的困難。其預硬化處理后的硬度為35-45HRC，便于機械切削加工或擠壓成型，模具成形后為了進一步提高模具的表面硬度和耐磨性，可以進行450℃-500℃氮化處理，硬度可達到1000HV以上，可顯著提高模具的使用壽命。

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1673-0046（2014）3-0178-02