图1  模具真空热处理设备

 图2  模具照片

 

1.真空热处理工艺参数

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（1）真空度

真空度直接影响到模具表面的粗糙度，从而影响表面质量性能，为防止模具表面的合金元素的挥发，应选择合理的真空度，合金钢模具真空加热时真空度与加热温度的对应关系见表1。

表1  真空度与加热温度的对应关系

加热温度/℃	≤900	1000~1100	1100~1300
真空度/Pa	≥0.133	1.33~13.3	13.3~665

 

（2）预热温度

当真空热处理的加热温度为1000~1100℃时，在800~850℃进行一次预热；当加热温度超过1200℃时，形状简单的模具可在850℃进行一次预热，较大或复杂的模具则应在500~600℃和800~850℃进行两次预热。

 

（3）保温

 

1）加热温度。真空淬火的加热温度一般取盐浴炉和空气炉的下限。真空回火、真空退火、真空固溶处理及真空时效的加热温度一般与常规热处理时的加热温度相同。

 

2）保温时间。通常情况下真空加热时间为盐浴炉的6倍，空气炉的2倍，经验公式为τ＝KB＋T，其中，τ为加热保温时间（min），K为保温时间系数（min/mm），B为模具的有效厚度（mm），T为时间裕量（或称固定时间）（min）。K值与T值可从表2查出。

 

表2  模具真空淬火保温时间的计算参数

钢材	保温时间系数 K/min·mm-1	时间裕量 T/min	备注
非合金工具钢	1.9	5~10	560℃预热一次
低合金工具钢	2.0	10~20	560℃预热一次
高合金工具钢	0.48	20~40	560℃预热一次，800℃预热一次
高速钢	0.33	15~25	560℃预热一次，800℃预热一次

 

2.模具的真空淬火

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（1）预热

低合金钢（40Cr、60Si2Mn等）、中合金钢（CrWMn、9CrSi、5CrNiMo等）可选择两级加热（如650℃预热→850℃淬火加热）；高合金钢（H13、Cr12MoV等）可选择三级加热（如650℃预热→850℃预热→1030℃淬火加热）。

 

（2）加热保温时间的选择

保温时间既要确保一定量的碳化物充分溶解，提高奥氏体中的合金含量，为二次硬化峰温度回火时有较明显的硬度回升提供保证，又不能产生过热而影响模具质量。

 

（3）冷却方式

模具钢的真空淬火可采用油淬、气淬、水淬、硝盐淬火等。合金模具钢均可实施真空油淬，从而获得光亮的表面及合理的性能。与气冷淬火相比，因油冷速度快而容易获得高的韧性和强度。气冷淬火可获得更小的淬火畸变。

 

真空淬火冷却方式应根据模具的形状、材质、尺寸、技术要求等来选择，具体见表3。

表3  真空淬火冷却方式的选择

冷却方式	使用范围
真空油淬	适用于合金工具钢、高碳高铬合金钢、高速工具钢等模具用钢，采用专用真空油淬火。真空油淬尤其适合于要求高强韧性的模具
气冷	为了减少模具畸变，缩短工艺周期，实现清洁热处理生产，国际上越来越多地使用气冷淬火。对冷却速度要求：H13（4Cr5MoSiV1）钢≥28℃/min，Cr12MoV钢≥17℃/min 1）0.2MPa真空气淬：即低压真空气淬，其N2淬火冷却压力最大在0.2MPa，N2的纯度在99.95%（体积分数）以上，一般用于冷速要求不高的高速工具钢及冷热作模具钢 2）0.6MPa高压气淬：其N2淬火压力在0.6MPa，一般用于高速工具钢、高碳高铬合金钢、部分合金工具钢制作模具等淬火 3）1MPa以上超高压气淬：一般用于所有高速钢、热作模具钢、冷作模具钢、Cr13钢及一些油淬合金钢。也适用于大、中型模具淬火
真空水淬	用于有色金属、耐热合金、钛合金及碳钢等的淬火冷却
真空硝盐淬火	采用硝盐进行模具的分级或等温淬火，可减少模具畸变，避免开裂，防止高强度结构钢的脱碳等，静止的硝盐浴总的冷却能力与油相当，进行搅拌则可提高盐浴的冷却能力，一般使用温度控制在160~280℃的范围内

实例：H13（4Cr5MoSiV1）钢制超大型铝合金压铸模（5t），采用Ipsen公司Super Turbo真空炉淬火加热温度为1000℃，经充分保温后，用1.5MPa氮气淬火冷却，在400℃停止冷却进入等温保持阶段，以减少模具畸变避免开裂。最终获得了优异的力学性能和最小的淬火畸变，具体检验结果见表4。

 

表4  H13钢模具真空气淬后的结果

项目	表面	心部
显微组织	细小	细小（在淬火状态下）
晶粒度/级	10~11	9
抗拉强度Rm/MPa	1287	1264
屈服强度ReL/MPa	1044	1019
断后伸长率A（%）	19.5	17.8
断面收缩率Z（%）	52.8	49.1
冲击吸收功/J	262，282，279	221，239，238

 

（4）真空回火

采用真空炉（如WZH系列单室正压回火炉）回火的优点：控温准确、均匀；确保加热及保温阶段无氧化；可随炉缓冷，也可充气快冷。冷却过程可充入高纯度N2或高纯度N2与其他还原性气体的混合气（如H2），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。第一、第二次回火为强制性，第三次回火视技术要求和最终硬度而定，也可以省去。

 

（5）常用模具钢的真空淬火与回火工艺参数见表5。

 

表5  常用模具钢的真空淬火与回火工艺参数（GB/T 22561—2008）

 

 

3.模具的真空退火

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模具（模块）的真空退火易实现无氧化、无脱碳的热处理，有利于提高模具表面质量和生产效率，缩短工艺周期，模具表面可达到光亮，显微组织均匀一致。

 

（1）普通真空退火工艺

图3是H13（4Cr5MoSiV1）钢模块普通真空退火工艺。模具退火采用真空炉（如WZT系列单室真空炉，极限真空度0.1Pa），将模块以60℃/h的速度缓慢加热到870℃，视模块有效尺寸决定保持时间（2~4h），也可以待到温后保持0.8min/mm。保温阶段压力控制在0.1~10Pa。冷却时可在真空状态下进行炉冷，当温度低于500℃时，可充入1×105Pa的高纯度N2或高纯度N2与其他还原性气体（如H2）的混合气进行冷却，以确保模块表面无氧化、不着色。经退火后的模块硬度＜235HBW，组织为珠光体＋均匀分布的粒状碳化物。

图3  H13钢真空退火工艺

 

（2）H13模具钢等温退火工艺

真空炉压力0.1~10Pa，以≤200℃/h缓慢升至875~890℃并保持2~4h后，快冷至710~740℃保持3~4h，用高纯度氮气冷至100℃以下出炉。

 

（3）Cr12MoV模具钢等温退火工艺

真空炉压力0.1~10Pa，以≤200℃/h缓慢升至830~870℃并保持2~4h后，快冷至720~740℃保持3~4h，用高纯度N2冷至100℃以下出炉。

 

4.模具的真空渗碳

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真空渗碳是将模具在真空炉中加热到奥氏体化状态，在渗碳气氛中渗碳，然后扩散及淬火处理。因模具在真空状态下加热，故模具表面十分光洁，适于高的表面质量要求模具的渗碳处理。

 

实例：65Nb（65Cr4W3Mo2VNb）钢制挑线连杆挤压模的真空渗碳。

（1）渗碳介质（体积分数）：70%CH4＋30%H2。H2作为稀释气，CH4（甲烷）为渗碳气。渗碳设备为内热式小型真空渗碳炉。模具真空渗碳工艺见图4。

 

（2）使用寿命。65Nb钢制模具经真空渗碳热处理后，其使用寿命比未经渗碳模具提高2.5倍，比Cr12MoV钢制模具（常规热处理）提高7.5倍。

图4  65Nb连杆挤压模的真空渗碳工艺

 

5.模具的真空碳氮共渗

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真空碳氮共渗是模具表层在真空炉内处于负压的加热状态下，同时渗入碳、氮元素的化学热处理工艺，与单一的渗碳相比，模具表面硬度更高，耐磨性更好，同时还具有一定的抗蚀性和更高的疲劳强度。因共渗温度低，且渗后可直接淬火，奥氏体晶粒比单一渗碳细，因此提高了模具的心部韧性，共渗层组织无晶界氧化现象，模具性能明显提高。

 

实例：45钢、调质预硬钢P20钢（3Cr2Mo）制塑料模的真空碳氮共渗。

1）采用WZST-45型双室真空渗碳淬火炉，其工艺曲线见图5，碳氮共渗温度（850±10）℃，预冷至（740±10）℃，并均温后出炉油淬，压力为100~800Pa，共渗剂为乙炔和氨气混合气。装炉情况：模具尺寸260mm×200mm×25mm，数量5块；240mm×180mm×20mm，数量5块；210mm×150mm×30mm，数量5块。共计装炉15块，质量共计约150kg。

图5  45钢、P20钢模具的真空碳氮共渗工艺

 

2）45钢模具碳氮共渗油淬后，其外观呈均匀的银灰色，45钢及P20钢模具的硬度均可达到62HRC以上，提高了表面硬度，可使P20钢制模具进入高寿命状态。45钢渗碳层深度0.53~0.56mm，有助于提高45钢模具使用寿命。

 

6.模具的真空脉冲氮碳共渗

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真空脉冲氮碳共渗保留了真空脉冲渗氮的优点，如深孔、盲孔内壁渗层均匀，比真空脉冲渗氮有更好的耐磨性和抗咬合性，而且白亮层少，脆性小，渗层致密，渗速快，并能承受重负荷和冲击载荷。

 

实例：W9Cr4Mo3V钢制十字槽冲头的真空脉冲氮碳共渗。

 

（1）十字槽冲头在工作时，要承受大的冲击、压缩、拉伸和弯曲等应力的作用，失效形式为槽筋疲劳断裂。原采用T10钢制造，经常规盐浴加热淬火、回火处理后，模具平均寿命为3万件。

 

（2）采用W9Cr4Mo3V钢制造冲头，经真空加热淬火、回火和真空脉冲氮碳共渗后，模具寿命提高到近30万件。真空氮碳共渗采用ZCT65型双室真空渗碳炉，工作真空度为2.7Pa。

 

1）真空淬火与回火工艺：830~850℃×3min/mm预热，1080~1200℃×1~2min/mm加热后，气淬油冷；540~580℃×1~2h真空回火。

 

2）真空脉冲氮碳共渗工艺：共渗剂成分（体积分数）：50%丙烷＋50%氨气，其工艺曲线见图6。