原標(biāo)題：干貨！高手總結(jié)磨具真空熱處理性能參數(shù)、工藝、實(shí)例

　　作者：金榮植，特邀專家

　　企業(yè)：哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司副總工程師

　　由來(lái):《金屬加工(熱加工)雜志》

　　真空熱處理是指將真空熱處理設(shè)備放置在模具零件上進(jìn)行加熱、保溫和制冷的方法。它是模具熱處理的前沿技術(shù)之一。隨著磨具質(zhì)量要求的不斷提高，一般熱處理難以達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。真空熱處理后，磨具表面不氧化不滲碳，淬火崎變小，表面硬度對(duì)稱，性能指標(biāo)提高，磨具使用壽命廣泛提高，一般可提高30%以上。此外，真空熱處理可將加工余量（切割或拋光）降低1/3~1/2，從而提高生產(chǎn)率，降低模具加工成本。真空熱處理特別適用于高精度、規(guī)定尺寸、質(zhì)量穩(wěn)定的磨具。真空熱處理技術(shù)包括：真空淬火、真空淬火、真空滲氮、真空滲氮、真空滲金屬等。圖1為磨具真空熱處理設(shè)備，圖2為磨具相片。

　　圖1 磨具真空熱處理設(shè)備

　　圖2 磨具相片

　　1.真空熱處理工藝指標(biāo)

　?。?）真空值

　　真空度直接影響磨具表面的粗糙度，進(jìn)而影響表面的質(zhì)量特性，為避免磨具表面合金元素的蒸發(fā)，應(yīng)選擇合理的真空值，當(dāng)合金鋼磨具真空加熱時(shí)，真空值與加熱溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

　　表1 真空值與加熱溫度的多度對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　加熱溫度/℃

　　≤900

　　1000~1100

　　1100~1300

　　真空值/Pa

　　≥0.133

　　1.33~13.3

　　13.3~665

　　(2)預(yù)熱溫度

　　當(dāng)真空熱處理的加熱溫度為1000~1100℃時(shí)，在800~850℃加熱一次；當(dāng)加熱溫度超過(guò)1200℃時(shí)，外觀簡(jiǎn)單的磨具可在850℃加熱一次，較大或復(fù)雜的磨具需在500~600℃和800~850℃加熱兩次。

　?。?）保溫

　　1)加熱溫度。

　?。?）保溫

　　1)加熱溫度。真空淬火的加熱溫度一般取鹽浴爐和空氣爐的低限。真空淬火、真空退火、真空固溶處理和真空時(shí)效的加熱溫度一般與常規(guī)熱處理相同。

　　2)保溫時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，真空加熱時(shí)間是鹽浴爐的6倍，氣體爐的2倍，經(jīng)驗(yàn)公式是τ＝KB＋T，其中，τ加熱保溫時(shí)間（min），K是保溫時(shí)間指數(shù)（min/mm），B是模具的有效厚度（mm），T為時(shí)長(zhǎng)裕量(或固定時(shí)間)（min）。表2可以找到K值和T值。

　　表2 磨具真空淬火保溫時(shí)間的計(jì)算參數(shù)

　　鋼材

　　絕緣時(shí)間指數(shù)

　　K/min·mm -1

　　時(shí)長(zhǎng)裕量

　　T/min

　　備注

　　非合金工具鋼

　　1.9

　　5~10

　　560℃加熱一次

　　低合金工具鋼

　　2.0

　　10~20

　　560℃加熱一次

　　高合金工具鋼

　　0.48

　　20~40

　　560℃加熱一次，800℃加熱一次

　　高速鋼

　　0.33

　　15~25

　　560℃加熱一次，800℃加熱一次

　　2.模具真空淬火

　?。?）加熱

　　低合金鋼(40cr、60Si2Mn等)、中合金鋼（CrWMn、9CrSi、可選擇二次加熱(如650℃加熱)→淬火加熱850℃)；高合金鋼(H13)、Cr12Mov等。)可選擇三級(jí)加熱(如650℃加熱)→850℃加熱→淬火加熱1030℃)。

　　(2)加熱保溫時(shí)間的選擇

　　保溫時(shí)間不僅要保證一定量的滲碳體充分融化，提高馬氏體中的合金成分，保證二次硬化峰溫淬火時(shí)明顯的硬度回升，而且不會(huì)造成超溫，影響磨具的質(zhì)量。

　　(2)加熱保溫時(shí)間的選擇

　　保溫時(shí)間不僅要保證一定量的滲碳體充分融化，提高馬氏體中的合金成分，保證二次硬化峰溫淬火時(shí)明顯的硬度回升，而且不會(huì)造成超溫，影響磨具的質(zhì)量。

　　(3)冷卻方式

　　模具鋼的真空淬火可采用油淬、氣淬、水淬、硝鹽淬火等。合金模具鋼可實(shí)現(xiàn)真空油淬火，從而獲得明亮的表面和有效的性能。與氣冷淬火相比，由于油冷速度快，容易獲得強(qiáng)韌性和強(qiáng)度。氣冷淬火可以得到較小的淬火崎變。

　　真空淬火冷卻方法應(yīng)根據(jù)模具外觀、材料、規(guī)格、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，實(shí)際見(jiàn)表3。

　　表3 真空淬火冷卻方式的選擇

　　冷卻方式

　　適用范圍

　　真空油淬

　　適用于合金工具鋼、高碳高鉻合金鋼、高速工具鋼等磨具鋼，選用專用真空油淬火。真空油淬特別適用于要求高韌性的磨具

　　氣冷

　　氣冷淬火在世界上的應(yīng)用越來(lái)越多，以減少磨具的變化，減少工藝周期，實(shí)現(xiàn)熱處理生產(chǎn)的清洗。對(duì)冷卻速度的規(guī)定:H13(4Cr5MoSiv1)鋼≥28℃/min，Mov鋼Cr12≥17℃/min

　　1)0.2MPa真氣淬火:即低壓真氣淬火，其N 2 淬火冷卻壓力大于0.2MPa，N 2 純度高于99.95%(體積分?jǐn)?shù))，一般用于冷速要求低的高速工具鋼和冷熱模具鋼

　　2)0.6MPa高壓氣淬:其N.6MPa高壓氣淬: 2 0.6淬火壓力MPa，一般用于高速工具鋼、高碳高鉻合金鋼、部分合金工具鋼等淬火模具

　　3)1MPa以上高壓氣淬:一般用于所有高速鋼、熱模鋼、冷模鋼、Cr13鋼和部分油淬合金鋼。也適用于大中型磨具淬火

　　真空水淬

　　用于稀有金屬、耐熱合金、鈦金屬和碳鋼的淬火冷卻

　　真空硝鹽淬火

　　采用硝鹽進(jìn)行模具分級(jí)或等溫淬火，可減少磨具崎變，防止干裂，避免高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼滲碳等，靜態(tài)硝鹽浴的整體冷卻能力和油都很好，混合可以提高鹽浴的冷卻能力，溫度控制一般在160~280℃范圍內(nèi)

　　案例：H13(4Cr5MoSiv1)鋼大型鋁合金壓鑄模(5t)，Ipsen企業(yè)Super Turbo真空爐淬火加熱溫度為1000℃，經(jīng)過(guò)充分保溫后，用1.5MPaN2淬火冷卻，為了減少磨具崎變，防止干裂，400℃終止制冷進(jìn)入等溫維持環(huán)節(jié)。最終贏得了優(yōu)異的物理性能和最小淬火崎變，實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

　　表4 H13鋼模具真氣淬滅后的結(jié)果

　　項(xiàng)目

　　表層

　　芯部

　　顯微組織

　　細(xì)微

　　小(淬火時(shí))

　　晶粒度/級(jí)

　　10~11

　　9

　　抗壓強(qiáng)度Rm//MPa

　　1287

　　1264

　　拉伸強(qiáng)度ReL//MPa

　　1044

　　1019

　　斷裂后伸長(zhǎng)率A(%)

　　19.5

　　17.8

　　Z(%)斷面收縮率

　　52.8

　　49.1

　　沖擊式吸收功/J

　　262，282，279

　　221，239，238

　　(4)真空淬火

　　真空爐淬火的優(yōu)點(diǎn)（如WZH系列單室正壓回火爐）：溫度控制準(zhǔn)確、對(duì)稱，確保加熱和絕緣環(huán)節(jié)無(wú)氧化，使?fàn)t冷卻或快速冷卻。高純度N2或高純度N2和其他還原氣體的混合物(如H2)可以在制冷過(guò)程中加入，以確保制冷過(guò)程中不氧化或著色。高純度N2或高純度N2和其他還原氣體的混合物(如H2)可以在制冷過(guò)程中加入，以確保制冷過(guò)程中不氧化或著色。

　　淬火加熱速度0.8min/mm，芯到溫后至少保持2小時(shí)。根據(jù)強(qiáng)度規(guī)定回火溫度。第一次、第二次淬火是強(qiáng)制性的，第三次淬火取決于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和最終強(qiáng)度，也可以節(jié)省。

　　(5)常用模具鋼的真空淬火和回火工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

　　表5 常用模具鋼的真空淬火和回火工藝參數(shù)（GB/T 22561—2008）

　　(點(diǎn)擊放大觀看)

　　3.模具真空退火

　　磨具(模塊)的真空退火易于完成無(wú)氧化、無(wú)滲碳的熱處理，有利于提高磨具表面的質(zhì)量和生產(chǎn)率，減少工藝周期，使磨具表面明亮，顯微組織均勻一致。

　　(1)一般真空退火工藝

　　圖3為H13(4Cr5MoSiv1)鋼模塊的一般真空退火工藝。

　　(1)一般真空退火工藝

　　圖3為H13(4Cr5Mosiv1)鋼模塊的一般真空退火工藝。磨具淬火選用真空爐(如WZT系列單室真空爐，極限真空度為0.1Pa），將模塊以60℃/h的速度緩慢加熱到870℃，并根據(jù)模塊的合理規(guī)格確定維護(hù)時(shí)間(2~4h)，并在溫度下保持0.8min/mm。保溫環(huán)節(jié)壓力控制在0.1~10Pa。當(dāng)溫度低于500℃時(shí)，可在真空狀態(tài)下進(jìn)行爐冷，并可充入1× 10 5Pa的高純度N2或高純度N2與其他還原性氣體(如H2)的混合物進(jìn)行制冷，以確保模塊表面無(wú)氧化和著色。模塊強(qiáng)度淬火后＜235HBW是珠光體＋粒狀滲碳體聯(lián)合分布。

　　圖3 H13鋼真空退火工藝

　　(2)H13模具鋼等溫退火工藝

　　真空爐壓力0.1~10Pa≤在200℃/h緩慢上升到875~890℃并保持2~4h后，快速冷卻至710~740℃保持3~4h，用高純N2冷卻至100℃以下公布。

　　(3)Cr12MoV模具鋼等溫退火工藝

　　真空爐壓力0.1~10Pa≤在200℃/h緩慢上升到830~870℃并保持2~4h后，快速冷卻至720~740℃保持3~4h，用高純N2冷卻至100℃以下公布。

　　4.模具真空滲氮

　　真空滲氮是將磨具在真空爐中加熱到奧氏體化，在滲氮?dú)夥罩袧B碳，然后擴(kuò)散淬火。由于磨具在真空狀態(tài)下加熱，磨具表面非常光滑，適用于表面質(zhì)量強(qiáng)的模具滲碳處理。

　　案例：65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)鋼挑線曲軸擠壓模的真空滲氮。

　　(1)滲氮物質(zhì)(體積分?jǐn)?shù))：70%CH4＋30%H2。H2為稀釋氣，CH4(甲烷)為滲氮?dú)?。?nèi)火式小型真空滲碳爐為滲氮設(shè)備。磨具真空滲碳工藝見(jiàn)圖4。

　　(2)使用壽命。65Nb鋼磨具經(jīng)真空滲碳熱處理后，使用壽命比無(wú)滲氮磨具提高2.5倍，比Cr12MoV鋼磨具(基本熱處理)提高7.5倍。

　　圖4 65Nb曲軸擠壓模的真空滲碳工藝

　　5.模具真空碳氮共滲

　　真空碳氮共滲是一種化學(xué)熱處理方法，磨具表面在真空爐內(nèi)處于負(fù)壓加熱狀態(tài)，滲入碳氮。與單氮相比，磨具表面硬度更高，耐磨性更強(qiáng)，具有一定的耐腐蝕性和較高的疲勞極限。由于共滲溫度低，滲透后能立即淬火，奧氏體晶粒比單一滲氮細(xì)，提高了模具芯的韌性。共滲層機(jī)構(gòu)無(wú)晶界氧化，磨具特性明顯增強(qiáng)。

　　案例：45鋼、調(diào)質(zhì)預(yù)硬鋼P(yáng)20鋼(3Cr2Mo)塑料模具真空碳氮共滲。

　　1)選用WZST-45型雙室真空滲碳淬火爐，其工藝曲線見(jiàn)圖5，碳氮共滲溫度(850±10)℃，預(yù)冷至(740±10)℃，均溫后公布油淬，壓力為100~800Pa，共滲劑為乙炔和氨混合物。裝爐條件：磨具規(guī)格260mm×200mm×25毫米，總數(shù)5塊，240毫米×180mm×20毫米，總數(shù)5元；210毫米×150mm×30毫米，總數(shù)5元。共裝爐15塊，質(zhì)量約150公斤。

　　圖5 真空碳氮共滲工藝為45鋼和P20鋼模具

　　2)碳氮共滲油淬火45鋼模具后，外觀均勻?yàn)樯罨疑?5鋼和P20鋼模具的硬度可達(dá)到62HRC以上，提高表面硬度，使P20鋼磨具達(dá)到較高的使用壽命。深層0.53~0.56mm的45鋼滲碳層有助于提高45鋼模的使用壽命。

　　6.模具真空脈沖氮碳共滲

　　真空脈沖氮碳共滲保留了真空脈沖氮滲透的優(yōu)點(diǎn)，如深孔和埋孔內(nèi)腔滲透層對(duì)稱，比真空脈沖氮具有更好的耐磨性和抗咬性，白色亮層少，延展性小，滲透層致密，滲透速度快，能承受重載和沖擊載荷。

　　案例：W9Cr4Mo3V鋼交叉槽沖針真空脈沖氮碳共滲。

　　(1)十字槽沖針在工作中，應(yīng)承受較大的沖擊、縮小、拉伸、彎曲等應(yīng)力作用，無(wú)效形式為槽筋疲勞斷裂。原采用T10鋼制成，經(jīng)基本鹽浴加熱淬火、回火處理后，磨具的人均壽命為3萬(wàn)件。

　　(2)真空加熱淬火、淬火、真空脈沖氮碳共滲后，采用W9Cr4Mo3V鋼制成沖針，模具使用壽命提高到近30萬(wàn)件。ZCT65雙室真空滲碳爐采用真空氮碳共滲，工作真空值為2.7Pa。

　　1)真空淬火及回火工藝:830~850℃×3min/mm加熱，1080~1200℃×1~2min/mm加熱后，氣淬油冷卻；540~580℃×真空淬火1~2h。

　　2)真空脈沖氮碳共滲工藝:共滲劑成分(體積分?jǐn)?shù))：50%丙烷＋氨氣50%，工藝曲線見(jiàn)圖6。

　　圖6 W9Cr4Mo3V鋼沖針真空脈沖氮碳共滲工藝

　　(物質(zhì)流量:800~2000L/h；壓力：20~51kPa

　　小編：