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来源:北京机电研究所真空热处理技术中心 编辑:张建国
近几年技术发展很快,国产制造、普及之势也很强劲。随着真空热处理技术的迅速推广,为制工模具传统热处理技术提供了一个升级换代、清洁生产、模具产品质量提高的平台。现介绍如何选用设备,讨论工艺技术中的关键点,以利选择炉型及改进工艺,但具体参数还需根据实际要求通过试验进行验证。
1、模具热处理前的准备
首先应对欲进行热处理的模块(或模具)材质有充分的了解,应向供货方(供应商或钢厂)索取必要的技术资料,诸如成分、供货态(退火)硬度、纯净度、冲击 韧度值、原始组织、冶金缺陷等。如果急于装炉而忽略了对原始模块裂纹的检查,直到淬裂数块后才想到检查原材料,会造成不必要的麻烦和损失。
合理的设计及选择模具热处理后的最终硬度,同样影响着模具性能的发挥和使用寿命,所以务必和委托方连同检测方统一意见。模具热处理后的最终硬度与其尺 寸、复杂程度、材质内在的质量有关。建议小型模具复杂件为(46～48)HRC, 简单件为(48～52)HRC;中型模具复杂件为(42～44)HRC,简单件为(44～46)HRC;大型模具优质材料为(44～46)HRC,普通材 料为(42～44)HRC,复杂件为(40～42)HRC。
2、H13钢真空退火
2.1、退火的目的、工艺、技术要求
模块退火的目的是使之变软,减少畸变和开裂的危险。图1是H13钢模块普通的退火工艺。将零件以≤60℃/h的速度缓慢加热到870℃,视模块有效尺寸 决定保持时间(2～4)h,也可以待炉温到温后保持0.8min/mm。为了保证不发生氧化和脱碳, 可采用WZT系列单室真空炉(0.1Pa),保温阶段压力控制在(0.1～10)Pa。冷却时可在真空状态下炉冷,当温度低于500℃时,可充入1×105Pa的高纯氮气或高纯氮气同其它还原性气体的混合气进行冷却,以确保无氧化、不着色。经退火后的模块硬度< 235HB,组织为珠光体+均匀分布的粒状碳化物。
图1 H13钢真空退火工艺
2.2、真空退火的优点及必要性
H13钢真空退火要比在空气炉和气氛炉中退火有以下优点:
①比可控气氛更易实现少、无氧化,无脱碳的退火。这是因为对压力进行测量和控制要比对碳势进行测量和控制简单易行。
②可实现不同温度的升、降温速度的调整,有利于质量控制和提高效率。
③除对炉温测量、显示和控制外,可视模块质量、形状的复杂程度,增设若干辅助热电偶以了解模块各部位温度变化的实际情况,以利于综合控制。
④可方便准确地对模块实施等温退火。对于在马弗炉和普通退火炉中热处理的模具,因为炉体热容太大,不能达到需要的速度迅速降温。但真空退火炉因是隔热屏结构,又装有风扇、冷却器等,所以热容小、冷却能力强。
所以, H13钢真空等温退火后组织均匀一致,周期短、效率高、表面光亮。根据所选择的转变温度,所得的组织依转变温度而具有不同的粗细形态,不同的硬度。等温退火工艺可参考真空技术网其它文章。
3、H13钢真空淬火
3.1、真空加热及奥氏体合金化时应注意的问题
H13钢在真空炉中标准的加热方式是三段加热,如图2所示。即将模块以200℃/h 的速度加热至700℃,再以165℃/h加热至870℃,然后尽快加热至1025℃。前两段为预热段,可视需要选用一段或二段,目的是透烧。后一段是透烧 加保温(合金化) 。在单室真空炉中加热时,借助于辅助热电偶比较容易做到温度准确、均匀、高效。在双室真空炉中比较困难,只有借助于操作者观察加热室的经验来判断。TS为 表面温度, TC为心部温度,{dy}段预热时TS-TC < 90℃,方可进入第二段。第二段预热时TS-TC < 40℃,方可进入第三段。第三段加热要使心部尽快到达设备设定的温度,透烧结束,继续保温完善合金化。透烧时间过长,降低效率,但实际生产中,多数情况是 透烧不足。奥氏体合金化正常温度范围是(1010～1030)℃,心部到温后保持30min合金化。保温时间过长,工件畸变增加,晶粒也有长大的危险。晶 粒度起码要控制在7级以上。所用设备的压力为( 10-1 ～10-2 ) Pa,为5 ×10-1 Pa/h,过低的压力会造成模块表面合金元素的过度蒸发。
图2 H13钢在真空炉中的加热方式
3.2、何时选用真空油淬火
对于H13钢来说,淬火温度越高,冷却时碳化物析出时间越早(先于珠光体和贝氏体的形成) ,所以韧性随淬火温度的增高而降低。这时,晶粒长大已不是影响韧性的{wy}因素了,因为H13钢含有1%V,对晶粒长大不敏感。而不同冷却速度的试验表明, {zd1}的冷却速度导致{zd1}的冲击韧度。低的冲击韧度值与钢中晶界碳化物的析出有关。所以,要使H13钢获得尽可能高的冲击韧度就应该把高的淬火温度和高的冷 却速度恰当地结合起来,油冷远比气冷、空冷的冷却速度大。从此观点考虑,油冷时耐冲击性能为{zj0}。
图3是H13钢油淬时的冷却曲线。 从图3 中可知,直径为<100mm的钢棒在油中淬火时,中心冷却速度曲线刚好和碳化物析出开始线相切,这种情况几乎对钢的冲击韧度不产生任何不良影响。所 以,这种尺寸的H13钢工件淬火{sx}应是真空油淬,可选用WZC系列双室真空油淬气冷炉。但是当①有效尺寸>100mm, ②对尺寸精度要求严格,不允许有较大的淬火变形时,应该放弃真空油淬,改选其它冷却方式。
图3 H13钢油淬时的冷却曲线
3.3、真空气淬
图4是H13钢淬火时,冷却速度和组织结构的关系示意图,由图4可知,淬火后得到的组织如下: ①马氏体,非常理想,但冷却速度需特别快。②马氏体+细颗粒碳化物,模具小可以实现。③马氏体+贝氏体+细颗粒碳化物。冷却速度已比较缓慢,适用于大、中 型模具。④肯定有珠光体出现。尽管回火硬度或许能调整合格,但韧性差,热疲劳裂纹抗力低。
图4 H13钢冷却速度和显微组织的关系示意图
从组织性能角度出发, ①、②属油淬,适合于小件及小型模具。③属加压和高压气淬,适合于处理大、中型模具,这时不仅大幅度降低了淬火时的冷却应力,而且得到了性能也不错的贝氏 体+马氏体组织。推荐的试验调试工艺:模具的有效参考尺寸为≤300mm,淬火温度TA=(1025～1030)℃,保持时间: 当TS-TC<15℃时,保持30min;或者TS =TA时,最多保持90min;气淬压力为(0.3～0.6)MPa,淬火直接冷至65℃。可以使用的炉型有WZDJQ 系列的单室真空加压气淬炉,或者WZDGQ系列的单室真空高压气淬炉。
3.4、真空分段气淬
为进一步减少冷却应 力,使变形和产生热疲劳裂纹的危险减小,采用分段气淬。如图5,从奥氏体化温度开始的冷却必须足够快,以便在珠光体形成之前促进细小晶粒的形成,一旦冷却 到540℃或以下,将不会生成珠光体。所以要求所使用的真空炉在装炉量合理、负载有效厚度≤300mm时,能在18min内由1030℃冷至540℃,即 冷却速度能达到28℃/min。当TS达到450℃时,模具将在(450～400)℃最多保持30min(气淬中断) ,以便使其表面和心部均温;当TC-TS < 90℃后可继续气淬至TS <65℃。分段淬火既不是分级淬火,也不是等温淬火,这从其得到的组织(贝氏体+马氏体)可证实。淬火后应力和变形明显减少。
图5 H13钢真空炉内分段气冷淬火
3.5、气淬对真空炉的要求
H13钢是高硬化型钢,如果适当控制,加压气淬效果比较好,尺寸较大时可选高压气淬。但对真空炉除常规技术指标外还有一定要求,{zh0}使用单室炉,以便能 在负载上增加辅助热电偶的数量,实现多路控制。为使加热、冷却速度能宽幅调节,选用金属钼胆和钼发热体。在正式热处理前,应通过试验手段在实际 (或模拟)模具上附加热电偶协助控制(TS、TC) ,测出模具实际的加热和冷却速度,以减少风险和增加效率。因为冷却速度不光和气淬压力(2×105 Pa、6 ×105 Pa？)有关,还和模具尺寸、装炉量、炉子功率、热交换器效率等有关。
4、H13钢真空回火
H13钢淬火后因硬度较高而且脆,应力较大,易产生裂纹。所以工件淬火后,往往需要在高于65℃即入炉回火。采用WZH系列单室真空正压回火炉的优点如 下: ①控温准确、均匀,可在模具上增加辅助热电偶,了解模具各部位的温度变化情况。②可选用辐射、对流方式加热, 速度可调。③配备三级泵, 压力较低(10-3 Pa) ,有助于加热及保温阶段确保无氧化。④可随炉慢冷,也可充气快冷。冷却过程可充入高纯N2或高纯N2和其它还原性气体的混合气,确保冷却时不氧化、不着色。
回火加热速度为0.8min/mm,心部到温后最少保持2h。回火温度视硬度要求定。{dy}、第二次回火为强制性,第三次回火视技术要求和最终硬度定,也可以省去。
5、结语
对于工、模具钢的热处理{sx}真空热处理,真空等温退火可获得均匀的原始组织。真空淬火时,对于尺寸≤100mm的模具,韧性要求较高时可选油淬;对尺寸 ≥100mm的模具,且变形要求严格时,可选真空气淬。但是H13钢真空油淬变形较大,真空气淬虽有较好结果,目前应用还不广泛。这里除H13 钢材料质量,设备处理能力尚需改进外,勇于实践也十分重要。文中所涉及工艺参数务必通过试验慎重选用,不是对所有设备都合适。
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