薄壁大直徑模具整體真空淬火工藝

彭帥

摘 要：我公司在對直徑≥300mm，壁厚20mm～30mm的薄壁大直徑模具，采用整體真空淬火工藝對其進行熱處理時，由于其直徑大、壁厚薄，存在產品變形大，廢品率高，很難準確控制淬火后的模具外圓直徑以及外圓表面花紋尺寸和形狀的缺陷，必須加大后續加工余量，淬火后還需要對花紋尺寸和形狀進行修整，導致材料浪費，加工成本居高不下，所以急需研發一種新的熱處理工藝以解決現狀。

關鍵詞：薄壁大直徑模具；熱處理工藝；整體真空淬火

中圖分類號：TG156.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0068-02

1 原熱處理工藝和改進后的工藝

我公司原來對直徑≥300mm，壁厚20mm～30mm的薄壁大直徑模具采用的熱處理工藝（如圖1）：直接把模具放在拖盤上，然后放入真空淬火爐中進行真空熱處理。此種工藝因為在淬火冷卻時，工件冷卻不均勻，所以導致熱處理后的模具產生大的變形，以至于后續加工困難[1]。因此，目前采取了以下改進措施。

1.1 工裝設計

為了解決淬火時，模具冷卻均勻的問題，在經過多次試驗以后，設計了一種工裝。此工裝由托盤及罩體兩部分組成，托盤與罩體可分離，實物圖如下圖2所示。

工裝示意圖如圖3所示。

將模具豎直放置于托盤上，托盤上均勻開設有多個通氣孔3，將罩體罩設在模具上，使模具容置于罩體和托盤圍成的空腔內，罩體呈筒狀，罩體由側面和頂面組成，罩體與模具之間留有25～30mm的間隙。罩體的頂面中央開設有通氣孔1，通氣孔1的直徑為模具的孔徑±10mm。罩體的側面和頂面上均勻開設有多個通氣孔2，通氣孔2的孔徑為5～6mm，通氣孔2的孔距為15～20mm，將通氣孔2的孔距設置為15～20mm，可以在保證罩體整體結構強度、避免罩體變形的情況下盡可能多的分布通氣孔，同時罩體上有盡可能多的通氣孔既能確保模具能比較快速達到淬火溫度，節省電耗，又能使吹氣到模具表面的氣流更加均勻，從而達到減少工件變形的效果。

罩體的材質為Q235-A，罩體的壁厚為4～5mm。罩體選用Q235-A材料，因為此種材料熔點高，價格低。罩體壁厚選擇為4～5mm，這樣既能達到高溫氣淬不易變形，同時又可以減輕重量，減少裝爐重量，節省電耗。

區別于現有技術，用罩體將模具罩設在托盤上后再一起進行真空淬火，可以使模具各部位的冷卻速度更加均勻，從而減少工件變形量。

1.2 淬火時間

模具材料選用W6Mo5Cr4V2高速鋼[2-3]，增設罩體后，相當于整個模具的體積變大，重量增加，所以在650～680℃升溫及保溫時間各延長10min、850～880℃升溫及保溫時間各延長10min、1050～1080℃升溫及保溫時間延長6min，1150～1180℃升溫及保溫時間延長4min[4]。

1.3 冷卻工藝

增設罩體后，相當于壁厚增加，導致冷卻速度降低，所以在淬火冷卻時將沖入氮氣（冷卻介質），氮氣壓力由0.5 MPa提高到0.6MPa[5]，風機轉速由原來的2700轉/分鐘提高到2900～3000轉/分鐘，保證有足夠的冷卻速度，將模具快速冷卻至100℃；再將風機轉速降低到2400～2500轉/分鐘，將工件冷卻至70℃，然后出爐，從而保證淬火后的工件的綜合機械性能。

在經過對淬火時間與冷卻工藝的改進后，最終得出的淬火工藝曲線如圖4所示。

具體的真空淬火工藝為：（1）將模具從常溫升溫到650～680℃，升溫時間50～55min，保溫30～35min。（2）將模具從650～680℃升溫到850～880℃，升溫時間35～40min，保溫20～25min。（3）將模具從850～880℃升溫到1050～1080℃，升溫時間35～40min，保溫20～25min。（4）將模具從1050～1080℃升溫到1150～1180℃，升溫時間30～35min，保溫20～25min。（5）保溫結束，往真空氣淬爐爐膛內充氮氣，氮氣壓力為0.6MPa，同時打開風機，風機轉速為2900～3000轉/分鐘，將模具快速冷卻至100℃；再將風機轉速降低到2400～2500轉/分鐘，將工件冷卻至70℃，然后出爐。（6）出爐后的模具進行550℃高溫回火，保溫3小時，回火3次[6]。

2 改進后產品性能

使用新工藝對薄壁大直徑模具（直徑≥300mm，壁厚20mm～30mm）進行真空淬火，所得到的產品的性能如下。

2.1 采用三座標測量機檢測產品的變形量和加工余量

整體真空淬火后，產品的變形量大幅減少，模具外圓直徑的加工余量大幅減少。比如：高速鋼模具的變形量由原來的2-2.5mm減少到1-1.5mm，粉末冶金模具變形量由原來的1.5-2mm減少到0.4-0.8mm，且無需修整外圓表面花紋尺寸和形狀。

2.2 采用洛氏硬度計檢測產品的硬度

整體真空淬火后，產品的綜合機械性能保持不變，各部位硬度更均勻，由原來相差HRC2減少到HRC1以內。

3 結束語

新的熱處理工藝與舊工藝相比，有效減少了模具變形，提高了成品率，能夠準確控制淬火后的模具外圓直徑以及外圓表面花紋尺寸和形狀，節省材料，減少后續加工余量，淬火后無需修整花紋尺寸和形狀，降低加工成本。

參考文獻：

[1]張志鵬，張志剛.模具熱處理技術及其變形預防措施[J].模具制造，2006，6（11）：81-86.

[2]吳立志.中國高速鋼的發展[J].河北冶金，2015，239（11）：1-8.

[3]李正邦.發展我國高速鋼的戰略分析[J].特殊鋼，2006，27（1）：1-6.

[4]吳景猷.高速鋼工模具熱處理工藝淺析[J].裝備制造技術，2010，36（3）：81-82.

[5]R A Mesquita， C A Barbosa， C S Goncalves， et al. 淬火工藝對高速鋼力學性能的影響[J].熱處理，2013，28（4）：59-64.

[6]孫元輝，孫易安.熱處理工藝對高速鋼組織性能的影響[J].熱加工工藝，2011，40（18）：156-159.endprint