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先進的模具真空熱處理技術

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真空熱處理是指將模具零件置于真空熱處理設備中,進行加熱、保溫和冷卻的工藝方法。其是當前先進的模具熱處理技術之一。隨著模具質量的要求越來越高,一般熱處理難以達到技術要求,模具經(jīng)真空熱處理后,表面不氧化、不脫碳,淬火畸變小,表面硬度均勻,使用性能得到提高,模具使用壽命普遍增加,一般能提高30%以上,另外真空熱處理可將加工余量(磨削或拋光)縮小1/3~1/2,從而提高了生產(chǎn)效率、降低了模具制造成本。真空熱處理尤其適合于高精密、要求尺寸和性能穩(wěn)定的模具。模具真空熱處理技術有:真空淬火、真空回火、真空滲碳、真空滲氮、真空滲金屬等。

1.真空熱處理工藝參數(shù)

(1)真空度

真空度直接影響到模具表面的粗糙度,從而影響表面質量性能,為防止模具表面的合金元素的揮發(fā),應選擇合理的真空度,合金鋼模具真空加熱時真空度與加熱溫度的對應關系

2)預熱溫度

當真空熱處理的加熱溫度為1000~1100℃時,在800~850℃進行一次預熱;當加熱溫度超過1200℃時,形狀簡單的模具可在850℃進行一次預熱,較大或復雜的模具則應在500~600℃和800~850℃進行兩次預熱。

(3)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下限。真空回火、真空退火、真空固溶處理及真空時效的加熱溫度一般與常規(guī)熱處理時的加熱溫度相同。

2)保溫時間。通常情況下真空加熱時間為鹽浴爐的6倍,空氣爐的2倍,經(jīng)驗公式為τ=KB+T,其中,τ為加熱保溫時間(min),K為保溫時間系數(shù)(min/mm),B為模具的有效厚度(mm),T為時間裕量(或稱固定時間)(min)。

真空熱處理

2.模具的真空淬火

(1)預熱

低合金鋼(40Cr、60Si2Mn等)、中合金鋼(CrWMn、9CrSi、5CrNiMo等)可選擇兩級加熱(如650℃預熱→850℃淬火加熱);高合金鋼(H13、Cr12MoV等)可選擇三級加熱(如650℃預熱→850℃預熱→1030℃淬火加熱)。

(2)加熱保溫時間的選擇

保溫時間既要確保一定量的碳化物充分溶解,提高奧氏體中的合金含量,為二次硬化峰溫度回火時有較明顯的硬度回升提供保證,又不能產(chǎn)生過熱而影響模具質量。

(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。合金模具鋼均可實施真空油淬,從而獲得光亮的表面及合理的性能。與氣冷淬火相比,因油冷速度快而容易獲得高的韌性和強度。氣冷淬火可獲得更小的淬火畸變。

真空淬火冷卻方式應根據(jù)模具的形狀、材質、尺寸、技術要求等來選擇。

(4)真空回火

采用真空爐(如WZH系列單室正壓回火爐)回火的優(yōu)點:控溫準確、均勻;確保加熱及保溫階段無氧化;可隨爐緩冷,也可充氣快冷。冷卻過程可充入高純度N2或高純度N2與其他還原性氣體的混合氣(如H2),確保冷卻時不氧化、不著色。

回火加熱速度為0.8min/mm,心部到溫后最少保持2h。回火溫度視硬度要求定。第一、第二次回火為強制性,第三次回火視技術要求和最終硬度而定,也可以省去。

3.模具的真空退火

模具(模塊)的真空退火易實現(xiàn)無氧化、無脫碳的熱處理,有利于提高模具表面質量和生產(chǎn)效率,縮短工藝周期,模具表面可達到光亮,顯微組織均勻一致。

(1)普通真空退火工藝

鋼模塊普通真空退火工藝。模具退火采用真空爐(如WZT系列單室真空爐,極限真空度0.1Pa),將模塊以60℃/h的速度緩慢加熱到870℃,視模塊有效尺寸決定保持時間(2~4h),也可以待到溫后保持0.8min/mm。保溫階段壓力控制在0.1~10Pa。冷卻時可在真空狀態(tài)下進行爐冷,當溫度低于500℃時,可充入1×105Pa的高純度N2或高純度N2與其他還原性氣體(如H2)的混合氣進行冷卻,以確保模塊表面無氧化、不著色。經(jīng)退火后的模塊硬度<235HBW,組織為珠光體+均勻分布的粒狀碳化物。

(2)H13模具鋼等溫退火工藝

真空爐壓力0.1~10Pa,以≤200℃/h緩慢升至875~890℃并保持2~4h后,快冷至710~740℃保持3~4h,用高純度氮氣冷至100℃以下出爐。

(3)Cr12MoV模具鋼等溫退火工藝

真空爐壓力0.1~10Pa,以≤200℃/h緩慢升至830~870℃并保持2~4h后,快冷至720~740℃保持3~4h,用高純度N2冷至100℃以下出爐。

4.模具的真空滲碳

真空滲碳是將模具在真空爐中加熱到奧氏體化狀態(tài),在滲碳氣氛中滲碳,然后擴散及淬火處理。因模具在真空狀態(tài)下加熱,故模具表面十分光潔,適于高的表面質量要求模具的滲碳處理。

實例:65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)鋼制挑線連桿擠壓模的真空滲碳。

(1)滲碳介質(體積分數(shù)):70%CH4+30%H2。H2作為稀釋氣,CH4(甲烷)為滲碳氣。滲碳設備為內熱式小型真空滲碳爐。模具真空滲碳工藝見圖4。

(2)使用壽命。65Nb鋼制模具經(jīng)真空滲碳熱處理后,其使用壽命比未經(jīng)滲碳模具提高2.5倍,比Cr12MoV鋼制模具(常規(guī)熱處理)提高7.5倍。

5.模具的真空碳氮共滲

真空碳氮共滲是模具表層在真空爐內處于負壓的加熱狀態(tài)下,同時滲入碳、氮元素的化學熱處理工藝,與單一的滲碳相比,模具表面硬度更高,耐磨性更好,同時還具有一定的抗蝕性和更高的疲勞強度。因共滲溫度低,且滲后可直接淬火,奧氏體晶粒比單一滲碳細,因此提高了模具的心部韌性,共滲層組織無晶界氧化現(xiàn)象,模具性能明顯提高。

實例:45鋼、調質預硬鋼P20鋼(3Cr2Mo)制塑料模的真空碳氮共滲。

1)采用WZST-45型雙室真空滲碳淬火爐,其工藝曲線見圖5,碳氮共滲溫度(850±10)℃,預冷至(740±10)℃,并均溫后出爐油淬,壓力為100~800Pa,共滲劑為乙炔和氨氣混合氣。裝爐情況:模具尺寸260mm×200mm×25mm,數(shù)量5塊;240mm×180mm×20mm,數(shù)量5塊;210mm×150mm×30mm,數(shù)量5塊。共計裝爐15塊,質量共計約150kg。

2)45鋼模具碳氮共滲油淬后,其外觀呈均勻的銀灰色,45鋼及P20鋼模具的硬度均可達到62HRC以上,提高了表面硬度,可使P20鋼制模具進入高壽命狀態(tài)。45鋼滲碳層深度0.53~0.56mm,有助于提高45鋼模具使用壽命。

6.模具的真空脈沖氮碳共滲

真空脈沖氮碳共滲保留了真空脈沖滲氮的優(yōu)點,如深孔、盲孔內壁滲層均勻,比真空脈沖滲氮有更好的耐磨性和抗咬合性,而且白亮層少,脆性小,滲層致密,滲速快,并能承受重負荷和沖擊載荷。

實例:W9Cr4Mo3V鋼制十字槽沖頭的真空脈沖氮碳共滲。

(1)十字槽沖頭在工作時,要承受大的沖擊、壓縮、拉伸和彎曲等應力的作用,失效形式為槽筋疲勞斷裂。原采用T10鋼制造,經(jīng)常規(guī)鹽浴加熱淬火、回火處理后,模具平均壽命為3萬件。

(2)采用W9Cr4Mo3V鋼制造沖頭,經(jīng)真空加熱淬火、回火和真空脈沖氮碳共滲后,模具壽命提高到近30萬件。真空氮碳共滲采用ZCT65型雙室真空滲碳爐,工作真空度為2.7Pa。

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

2)真空脈沖氮碳共滲工藝:共滲劑成分(體積分數(shù)):50%丙烷+50%氨氣。

文章來源:http://jxjudong.com/

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