1、第9章 模具的热处理及外表强化技术模具热处理及外表强化是模具制造中的关键工艺之一，直接关系到模具的制造精度、力学性能(如强度等)、使用寿命以及制造本钱，是保证模具质量和使用寿命的重要环节。模具在实际生产使用中说明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起的失效居于首位。在模具设计制造过程中，假设能正确选用钢材，选择合理的热处理及外表强化技术工艺，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低本钱、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。当前模具热处理技术开展较快的领域是真空热处理技术和模具的外表强化技术。9.1模具的热处理9.1.l模具钢的热处理模具钢的热处理工艺是指模具钢在加热、冷却过程中，根
2、据组织转变规律制定的具体热处理加热、保温和冷却的工艺参数。根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，热处理工艺可分为常规热处理、外表热处理外表淬火和化学热处理等等。根据热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用，热处理又可分为预备热处理和最终热处理。模具钢的常规热处理主要包括退火、正火、淬火和回火。由于真空热处理技术具有防止加热氧化、不脱碳、真空除气、变形小及硬度均匀等特点，近年来得到广泛的推广应用。1.退火工艺退火一般是指将模具钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后使其缓冷至室温，获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。其组织为铁素体基体上分布着碳化物。目的是消除钢中的应力，降低模具材料的硬度，使
3、材料成分均匀，改善组织，为后续工序(机加工、冷加工成形、最终热处理等)做准备。退火工艺根据加热温度不同可分为： 1完全退火 将模具钢加热到临界温度Ac3以上2030，保温足够的时间，使其组织完全奥氏体化，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。其目的是为了降低硬度、均匀组织、消除内应力和热加工缺陷、改善切削加工性能和冷塑性变形性能，为后续热处理或冷加工做准备。2不完全退火 将钢加热到Ac1Ac3亚共析钢或Ac1Accm过共析钢之间，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。不完全退火用于过共析钢和合金钢制作的模具。3等温退火 将钢加热到临界温度以上，保温足够的时间，使
4、其组织完全奥氏体化，然后在低于Ac1温度以下的适当温度进行保温，使奥氏体在此温度下进行等温转变，完成组织转变,然后从炉中取出空冷。等温退火的特点是可以缩短退火时间，最适合用于合金工具钢、高合金工具钢模具，有利于获得更为均匀的组织和性能。(4)球化退火 是使钢中的碳化物球化，获得球状珠光体的一种热处理工艺，它实际上是不完全退火的一种。球化退火主要应用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是为了降低硬度、改善切削加工性能，以及获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，为以后的淬火作组织准备。图9.1.1为三种常用的球化退火工艺。图9.1.1常用球化退火工艺 图9.1.2正火工艺1-一次球化退火；2-等温
5、球化退火；3-屡次球化退火2.正火工艺正火工艺是将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或Accm(对于过共析钢)以上适当的温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，得到珠光体类型组织的热处理工艺。正火与完全退火相比，两者的加热温度根本相同，但正火的冷却速度较快，转变温度较低。冷却方式通常是将工件从炉中取出，放在空气中自然冷却，对于大件也可采用鼓风或喷雾等方法冷却。因此，对于亚共析钢来说，相同钢正火后组织中析出的铁素体数量较少，珠光体数量较多，且珠光体的片间距较小，对于过共析钢来说，正火可以抑制先共析网状渗碳体的析出。钢的强度、硬度和韧性也比拟高。正火工艺标准如图9.1.2所示。3.淬火
6、与回火淬火和回火是模具钢或模具零件强化的主要手段。将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度进行冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。回火是淬火工艺的后续工序，是将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度(根据回火后的组织和性能要求而定)，充分保温后，以适当的速度进行冷却的热处理工艺。淬火工艺的关键是要控制加热速度、淬火温度、保温时间以及冷却速度。(1) 淬火温度确实定淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原那么，以便淬火后获得细小的马氏体组织。淬火加热温度主要根据钢的临界点来确定。表9.1.1 为常用模具钢的相变点及淬
7、火加热温度。另外，淬火温度还应考虑模具的形状尺寸、原始组织等因素。表9.1.1常用模具钢的相变点及淬火加热温度牌号Ac1或Ac3/淬火温度/牌号Ac1或Ac3/淬火温度/45T8ATl2A40cr60Si2Mn GCr5 7807307808207458208507708008308608408708208609SiCrCrl2MoV3Cr2W8VW6Mo5Cr4V2Wl8Cr4v770810810810820860880100010501050110011901230126012902淬火时间确实定淬火加热时间通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，而统称为加热时间。影响加热时间的因素很多
8、，如加热介质、钢的成分、炉温、工件的形状及尺寸、装炉方式及装炉量等。淬火加热时间参见有关热处理手册。 3淬火介质为了使钢获得马氏体组织，淬火时冷却速度必须大于临界冷却速度。但是。冷却速度过大又会使工件内应力增加。产生变形或开裂。工件淬火冷却时要使其得到合理的淬火冷却速度，必须选择适当的淬火介质。淬火介质种类很多，常用的淬火介质有水、NaCl5%10%水溶液、NaOH (10%一50%)水溶液以及各种矿物油等。模具淬火可以在水、油或空气中进行。4回火回火是紧接淬火的一道热处理工艺，大多数淬火模具钢都要进行回火。目的是稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适
9、当配合，以满足不同模具的性能要求。决定模具回火后的组织和性能最重要的因素是回火温度。回火可分为低温、中温和高温回火。1低温回火 钢大局部是淬火高碳钢和淬火高合金钢。经低温回火后得到回火马氏体，具有很高的强度、硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性。冷冲压、冷镦、冷挤压模具，需要相当高的硬度和耐磨性，常采用低温回火。2中温回火 中温回火后模具的内应力根本消除，具有高的弹性极限、较高的强度和硬度、良好的塑性和韧性。中温回火主要用于热锻模具。3高温回火 压铸模和橡胶模要求较高的强度和韧性，常采用高温回火，回火时间一般不少于1h。 4真空热处理在热处理时，被处理模具零件外表发生氧化、脱碳和增碳
10、等效应，都会给模具使用寿命带来严重的影响。为了防止氧化、脱碳和增碳。利用真空作为理想的加热介质，制成真空热处理炉。零件在真空炉中加热后，将中性气体通入炉内的冷却室，在炉内利用气体进行淬火的为气冷真空处理炉，利用油进行淬火的为油冷真空处理炉。 近年来，真空热处理技术在我国开展较为迅速。它特别适合用于模具的热处理工艺。模具钢经过真空热处理后具有良好的外表状态，其外表不氧化、不脱碳，淬火变形小。而与大气下的淬火工艺相比，真空淬火后，模具外表硬度比拟均匀，而且还略高一点。真空加热时，模具钢外表呈活性状态，不脱碳，不产生阻碍冷却的氧化膜。真空淬火后，钢的断裂韧度有所提高，模具寿命比常规工艺提高40%40
11、0%，甚至更高。模具真空淬火技术在我国已得到较广泛的应用。1真空热处理的特点1因为在真空中加热和冷却，氧的分压很低，零件外表氧化作用得到抑制，从而可得到光亮的处理外表。2在大气中熔炼的金属和合金，由于吸气而使韧性下降，强度降低，在真空热处理时，可使吸收的气体释放，从而增加了强度和韧性，提高了模具的使用寿命。3真空热处理淬火变形小。如W6Mo5Cr4V2钢凸模真空热处理后，在氮气中冷却，变形实测结果说明，只要留0.08mm磨削余量即可。冷作模具钢制成的凹模，变形量为盐浴淬火变形量的1/31/5。 4由于在密封条件下处理，有无公害和保护环境等优点。5真空中的传热只是发热体的辐射，并非以对流、传导来
12、传热、因此零件反面局部的加热有时会不均匀。2真空热处理设备真空热处理技术的关键是采用适宜的设备(真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉)。真空加热最早采用真空辐射加热，后来逐步开展为真空辐射加热、负压载气加热、低温阶段正压对流加热等。1真空退火炉 真空退火炉的真空度为10-210-3Pa，温度的升降应能自动控制。热处理工艺与非真空炉退火工艺根本相同。2真空淬火炉 真空淬火分为油淬和气淬。油淬时，零件外表出现白亮层，其组织为大量的剩余奥氏体，不能用560左右的一般回火加以消除，需要更高的温度(700800)才能消除。气淬的零件外表质量好，变形小，不需清洗，炉子结构也较简单。对于高合金或高速钢模具零件
13、，应选用高压气淬炉。3真空回火炉 对于热处理后不再进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火，特别是真空淬火的工件(模具)，它可以提高与外表质量相关的力学性能，如疲劳性能、外表光亮度、耐腐蚀性等。3真空热处理工艺真空热处理工艺也是真空热处理技术的关键。1清洗 通常来用真空脱脂的方法。2真空度 真空度是主要的工艺参数。在高温高真空下，模具钢中的合金元素容易蒸发，影响模具外表质量和性能。 3加热温度 真空热处理的加热温度为10001100时，需要在大约800进行预热。加热温度为1200时，简单、小型模具可在850进行一次预热，大型、复杂模具可采用两次预热。第一次在500600；第二次在85
14、0左右。4保温时间 真空中的加热速度比盐浴处理的加热速度慢，主要是由于传热方式以辐射为主。一般加热时间是盐浴炉加热时间的6倍左右，是空气炉加热时间的2倍左右。另外，恒温时间也应长于盐浴炉加热。5冷却 真空冷却分油淬和气淬。油淬应使用特制的真空淬火油，气淬又分为负压气淬和高压气淬等。负压气淬由于负压气体冷却能力低，只能对小件实施淬火；高压气淬那么可对大件实施淬火，现在国际上(56)105Pa的单室真空高压气冷技术已得到普遍应用。加热的保护性气体和冷却所用气体主要是氨气、氮气、氦气、氢气。其冷却能力从大到小的顺序依次是氢气、氦气、氮气和氨气，其冷却能力之比为2.2：1.7：1：0.7。氮气和氦气的
15、混合气氛比单纯氦气的冷却能力高。60%的氮气与40%的氦气的混合气氛相当于纯洁氦气的冷却能力，这样不仅降低了价格，而且还到达了高的冷却能力。提高冷却能力的方法有冷却气体高压化、高速化，利用辐射冷却、优化工件放置方式等。9.1.2一些常用模具钢的真空热处理工艺牌号预热淬火回火温度/硬度/HRC温度/心真空度/Pa温度/ 真空度/Pa冷却介质9SiCr5006000.18508700.1油(40以上)170185 6163CrWMn500600 0.18208400.1油(40以上)17018562633CrW8V一次480520二次8008500.1105011000.1油或高纯氮气56058060064042473944Crl2MoV一次5005
