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s136真空熱處理工藝,干貨!牛人總結(jié)模具真空熱處理技術(shù)參數(shù)、工藝、案例

  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

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