干貨！牛人總結模具真空熱處理技術參數、工藝、案例
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。圖1為模具真空熱處理設備，圖2為模具照片。
圖1 模具真空熱處理設備
圖2 模具照片
1.真空熱處理工藝參數
（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見表1。
表1 真空度與加熱溫度的對應關系
加熱溫度/℃ | ≤900 | 1000~1100 | 1100~1300 |
真空度/Pa | ≥0.133 | 1.33~13.3 | 13.3~665 |
（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（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）。K值與T值可從表2查出。
表2 模具真空淬火保溫時間的計算參數
鋼材 | 保溫時間系數 K/min·mm-1 | 時間裕量 T/min | 備注 |
非合金工具鋼 | 1.9 | 5~10 | 560℃預熱一次 |
低合金工具鋼 | 2.0 | 10~20 | 560℃預熱一次 |
高合金工具鋼 | 0.48 | 20~40 | 560℃預熱一次，800℃預熱一次 |
高速鋼 | 0.33 | 15~25 | 560℃預熱一次，800℃預熱一次 |
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模具的形狀、材質、尺寸、技術要求等來選擇，具體見表3。
表3 真空淬火冷卻方式的選擇
冷卻方式 | 使用范圍 |
真空油淬 | 適用于合金工具鋼、高碳高鉻合金鋼、高速工具鋼等模具用鋼，采用專用真空油淬火。真空油淬尤其適合于要求高強韌性的模具 |
氣冷 | 為了減少模具畸變，縮短工藝周期，實現清潔熱處理生產，國際上越來越多地使用氣冷淬火。對冷卻速度要求：H13（4Cr5MoSiV1）鋼≥28℃/min，Cr12MoV鋼≥17℃/min 1）0.2MPa真空氣淬：即低壓真空氣淬，其N2淬火冷卻壓力最大在0.2MPa，N2的純度在99.95%（體積分數）以上，一般用于冷速要求不高的高速工具鋼及冷熱作模具鋼 2）0.6MPa高壓氣淬：其N2淬火壓力在0.6MPa，一般用于高速工具鋼、高碳高鉻合金鋼、部分合金工具鋼制作模具等淬火 3）1MPa以上超高壓氣淬：一般用于所有高速鋼、熱作模具鋼、冷作模具鋼、Cr13鋼及一些油淬合金鋼。也適用于大、中型模具淬火 |
真空水淬 | 用于有色金屬、耐熱合金、鈦合金及碳鋼等的淬火冷卻 |
真空硝鹽淬火 | 采用硝鹽進行模具的分級或等溫淬火，可減少模具畸變，避免開裂，防止高強度結構鋼的脫碳等，靜止的硝鹽浴總的冷卻能力與油相當，進行攪拌則可提高鹽浴的冷卻能力，一般使用溫度控制在160~280℃的范圍內 |
實例：H13（4Cr5MoSiV1）鋼制超大型鋁合金壓鑄模（5t），采用Ipsen公司Super Turbo真空爐淬火加熱溫度為1000℃，經充分保溫后，用1.5MPa氮氣淬火冷卻，在400℃停止冷卻進入等溫保持階段，以減少模具畸變避免開裂。最終獲得了優(yōu)異的力學性能和最小的淬火畸變，具體檢驗結果見表4。
表4 H13鋼模具真空氣淬后的結果
項目 | 表面 | 心部 |
顯微組織 | 細小 | 細小（在淬火狀態(tài)下） |
晶粒度/級 | 10~11 | 9 |
抗拉強度Rm/MPa | 1287 | 1264 |
屈服強度ReL/MPa | 1044 | 1019 |
斷后伸長率A（%） | 19.5 | 17.8 |
斷面收縮率Z（%） | 52.8 | 49.1 |
沖擊吸收功/J | 262，282，279 | 221，239，238 |
（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。
（5）常用模具鋼的真空淬火與回火工藝參數見表5。
表5 常用模具鋼的真空淬火與回火工藝參數（GB/T 22561—2008）
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3.模具的真空退火
模具（模塊）的真空退火易實現無氧化、無脫碳的熱處理，有利于提高模具表面質量和生產效率，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
圖3是H13（4Cr5MoSiV1）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。
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，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）：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鋼制模具經真空滲碳熱處理后，其使用壽命比未經滲碳模具提高2.5倍，比Cr12MoV鋼制模具（常規(guī)熱處理）提高7.5倍。
圖4 65Nb連桿擠壓模的真空滲碳工藝
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，數量5塊；240mm×180mm×20mm，數量5塊；210mm×150mm×30mm，數量5塊。共計裝爐15塊，質量共計約150kg。
圖5 45鋼、P20鋼模具的真空碳氮共滲工藝
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）：50%丙烷＋50%氨氣，其工藝曲線見圖6。
圖6 W9Cr4Mo3V鋼沖頭真空脈沖氮碳共滲工藝
（介質流量：800~2000L/h；壓力：20~51kPa）
作者：金榮植，特邀專家
單位：哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司副總工程師
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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