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模具鋼真空熱處理技術(shù)指導(dǎo)

作者:河南鴻爐來源：原創(chuàng) 發(fā)表時(shí)間：2017-11-01 09:33:00

真空熱處理，顧名思義乃是在減壓的環(huán)境下實(shí)施之熱處理，其減壓后之壓力，從幾百torr到10¯6torr左右（１ torr=1mmHg ），真空熱處理爐的環(huán)境之氣體，可為大氣、氧化性氣體、脫碳性氣體或滲碳?xì)怏w，其實(shí)施之熱處理與一般傳統(tǒng)之熱處理相同，有淬火、退火、滲碳面熱處理等。

在真空中，實(shí)施熱處理和一般之熱處理區(qū)別有二：

1.在真空中由于氣體稀薄，因氣體之化學(xué)性較低，在較高的真空度下其活性幾乎“鈍“掉，因此在同溫度下，傳統(tǒng)之固體一氣體間的反應(yīng)諸如氧化、還原、脫碳等，在真空中都會(huì)比在大氣中慢得多。

2.在真空中，提供了去除材料中吸附氣體的機(jī)會(huì)，或使處理件表面原已存在的氧化物或化合物分解及去除。

在不同的溫度及真空壓力下，各金屬均有其各自之蒸汽壓，具有相當(dāng)大的差異，在鋼中較易蒸發(fā)之元素有Mn、Cr等，其中Mn在900?C 10-3torr下就可能蒸發(fā)，所幸Mn在鋼中含量均在1％以下，900?C至少要10-5torr以上之真空度才會(huì)使Mn由鋼中蒸發(fā)，其次是Cr它在１atm之下，要2180?C 才會(huì)蒸發(fā)，然在10-3torr下，卻只要1093?C便會(huì)蒸發(fā)，由于Cr在模具鋼等含量相當(dāng)高，所以在真空熱處理中，溫度上升到1000?C左右時(shí)，必需由爐外加入少許之保護(hù)氣體，即N2，由由于N2是惰性氣體，它防止Cr之蒸發(fā)，且又可去除材料中之吸附氣體，所以熱處理后之模具會(huì)顯得很潔白，但在N2入爐中時(shí)，真空度會(huì)下降，所以真空必須控制在0.6torr左右之真空狀態(tài)。

真空熱處理技術(shù)在真空中實(shí)施之熱處理，較常見的是淬火、退火、輝面熱處理及滲碳等，但今只討論一些真空淬火之要件。

真空淬火：

各種合金鋼及非鐵技術(shù)之真空淬火，其真空度主要在10-2到10-4 torr左右，而冷卻方法，主要分為空冷及油冷兩種，由于淬火主要是在冷卻時(shí)需有足夠的冷速，以避免沃斯田鐵化在冷速途中產(chǎn)生變態(tài)，因此特把真空淬火分GAS Quenching及 Oil Quenching兩方面來加以說明。

一、真空爐中空冷（GAS Quenching)從1958年美國1psen公司開發(fā)成功以來，把風(fēng)硬鋼在真空淬火變?yōu)榭赡?，然由于在真空中，處理件之冷卻速度較一般大氣中之冷卻速度為慢，尤其是斷面較大者，致影響產(chǎn)品之機(jī)械性質(zhì)。因此在真空淬火之冷卻速度，是諸科學(xué)家所研究之對象。茲將改良的方法敘述于后?！?/div>

（1）利用熱傳導(dǎo)性良好之不活性氣體，例如N2、Ar、He、H2 等，由于不同的氣體，也有不同的冷卻速度，冷卻時(shí)間比，H2為1時(shí)，He為1.2時(shí)，N2為1.5時(shí)，Ar為1.75時(shí)，也就是說，在真空淬火冷卻效果以H2為佳，其次為He、N2，最差為Ar，但一般H2在高溫時(shí)有爆炸的危險(xiǎn)，因此一般H2均不使用，而He是稀有氣體，價(jià)錢又昂貴，故不適用，而Ar之冷卻特性又比N2差，因而工業(yè)上之使用均采用中性的N2氣體。

（2）降低冷卻氣體之溫度,以增加冷速，工業(yè)上的作法是在冷卻氣體之循環(huán)路內(nèi)增加熱交換器的設(shè)計(jì)，同時(shí)爐壁加以水冷等方法,以達(dá)到有效降低氣體的溫度。

（3）增加冷卻氣體的壓力，以增加冷速，由下圖中可知N2氣體之加速冷卻曲線，可見增加氣體壓力也是有效的增加冷卻速度的方法，下表SKH-9（M-2）高速鋼在不同之壓力下冷卻后之硬度，以及在550?C下回火之硬度值，1.54大氣壓下冷卻之SKH-9其硬度已可與一般鹽浴或油淬火者相比，且回火后之殘留沃斯田鐵量比傳統(tǒng)方法者少。

二、在真空爐中油冷

真空爐中油淬火：一般分為二室，加熱室及冷卻室，二者中間有一密閉之中間門，其真空度可自行調(diào)整，其熱處理順序一般在加熱室加熱完了再移到淬火室冷卻，此時(shí)再充入相當(dāng)壓力的不活性氣體，一方面可以空冷處理件，以免過高溫油淬火，產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象。

真空熱處理爐之利用真空熱處理是利用輻射之原理，可使加熱均溫而復(fù)雜之加熱與冷卻及多目的之熱處理，在真空爐之使用是一件極簡單的操作方式。

1.模具材料之選擇

（a）用者觀點(diǎn)：耐磨性、韌性、耐熱性、耐蝕性、離型性、鏡面性。

（b）制造者觀點(diǎn)：被削性、熱處理特性、被研磨性、表面處理、焊接及放電加工。

由此可知，選擇材料必須相當(dāng)謹(jǐn)慎，當(dāng)購入鋼材時(shí)，必需向制造者或販賣者索取相關(guān)之熱處理特性等資料，提供給熱處理者以利作業(yè)。

2.材料取材之方向

鋼材取用方向不正確而易發(fā)生龜裂，因材料在制造過程中，塑性加工是有方向性，若取材不定，熱處理變形也不一定，即有時(shí)大，有時(shí)小，有時(shí)膨脹，有時(shí)收縮。使用模具，受力方向應(yīng)于材料的壓延方向垂直。

3.調(diào)質(zhì)處理可減少熱處理時(shí)之尺寸變化。

下列二種試料是由真空淬火變形量之測定：

（a）試料A：素材機(jī)械加工細(xì)加工熱處理。

（b）試料B：素材燒鈍機(jī)械加工燒鈍細(xì)加工熱處理。

模具經(jīng)燒鈍后再熱處理，其變形量很少，而尺寸之變化情形與鋼材制造之壓延方向有很大的關(guān)系（W為壓延方向，L與H的尺寸則減少，而W為增功），故取材之方向要特別注意。

4.淬火溫度之選擇

一般認(rèn)為較高溫度淬火，則硬度較高，其實(shí)不然，以日本jis規(guī)格SKD-11為例，在1025?C淬火，得最高硬度HRC65，如果超過1050?C淬火，則硬度反而下降，即殘留沃斯田鐵太多，而且韌性減少，但高溫淬火的模具，在其高溫回火硬度高，適用于線切割之模具及熱間使用之模具，而低溫淬火之模具硬度較低，因而韌性較佳，適用于冷間模具和較大型之模具，一般社會(huì)常用工具鋼SKD-11為1000~1020?C SKD-11為980?C~1020?C SKH-9為1150~1180?C淬火較適合。

5、淬火后回火常發(fā)生的問題

模具淬火后，其組織即硬又耐磨之麻田散鐵為消除淬火脆性，提高韌性，增加尺寸之穩(wěn)定，而未回火的模具在室溫長期保存或使用，麻田散鐵將進(jìn)行緩慢的分解，其體積效應(yīng)將導(dǎo)致零件尺寸之改變，這對精密零件是不允許的，只要經(jīng)120 ?C—150 ?C的低溫回火就可完全避免麻田散鐵在室溫下繼續(xù)分解。淬火之模具必須冷到60 ?C左右才可進(jìn)行回火，因此時(shí)鋼鐵尚未變態(tài)為麻田散鐵，另要注意一點(diǎn)淬油或淬水之模具鋼，必須馬上進(jìn)行回火，否則可能很快就產(chǎn)生龜裂。

6、設(shè)計(jì)不良所導(dǎo)致之淬火龜裂

淬火龜裂通常是發(fā)生在銳角或有孔部分，也是淬火變形的主要原因，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮圖形及形狀的均衡，較復(fù)雜的模具必須使用空冷之硬化鋼，即實(shí)施真空淬火之鋼種較不容易龜裂，因淬油之冷卻速度很快，容易變形及龜裂。模具若有盲孔，最好填滿耐火以防龜裂。

7、熱處理后的加工問題

（a）研磨龜裂：?研磨不當(dāng)：研磨量太多，冷卻不足，溫度超過變態(tài)點(diǎn)生成麻田散鐵冷卻即產(chǎn)生龜裂，若超過回火溫度則軟化，研磨后必須要再回火，但回火溫度要比原來之回火溫度低，硬度才不會(huì)下降，且時(shí)間要比原來多兩倍。研磨方向必須沿著使用方向研磨。

熱處理不當(dāng)：沃斯田鐵化溫度太高，造成粗大組織和殘留沃斯田鐵太多，或回火時(shí)間太短及回火溫度太低，都會(huì)造成研磨龜裂。

8、變形之校正方法

可以利用回火溫度來修正模具之變形。

三、結(jié)論：真空熱處理的技術(shù)已超于實(shí)用化，如真空硬焊及粉末冶金之真空熱處理也被廣泛的使用，且真空淬火具有下列之優(yōu)點(diǎn)，減少變形、表面輝面、不脫碳、不腐蝕、品質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定，因此隨著真空爐之發(fā)展，模具之發(fā)展，品質(zhì)亦大大的提高。但要制造一個(gè)高品質(zhì)的模具必須要花相當(dāng)大的精神與金錢，稍微有點(diǎn)差錯(cuò)，可能就會(huì)全功盡棄。

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