原标题：干货！高手总结磨具真空热处理性能参数、工艺、实例

　　作者：金荣植，特邀专家

　　企业：哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司副总工程师

　　由来:《金属加工(热加工)杂志》

　　真空热处理是指将真空热处理设备放置在模具零件上进行加热、保温和制冷的方法。它是模具热处理的前沿技术之一。随着磨具质量要求的不断提高，一般热处理难以达到技术标准。真空热处理后，磨具表面不氧化不渗碳，淬火崎变小，表面硬度对称，性能指标提高，磨具使用寿命广泛提高，一般可提高30%以上。此外，真空热处理可将加工余量（切割或抛光）降低1/3~1/2，从而提高生产率，降低模具加工成本。真空热处理特别适用于高精度、规定尺寸、质量稳定的磨具。真空热处理技术包括：真空淬火、真空淬火、真空渗氮、真空渗氮、真空渗金属等。图1为磨具真空热处理设备，图2为磨具相片。

　　图1 磨具真空热处理设备

　　图2 磨具相片

　　1.真空热处理工艺指标

　　（1）真空值

　　真空度直接影响磨具表面的粗糙度，进而影响表面的质量特性，为避免磨具表面合金元素的蒸发，应选择合理的真空值，当合金钢磨具真空加热时，真空值与加热温度的对应关系见表1。

　　表1 真空值与加热温度的多度对应关系

　　加热温度/℃

　　≤900

　　1000~1100

　　1100~1300

　　真空值/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℃加热一次；当加热温度超过1200℃时，外观简单的磨具可在850℃加热一次，较大或复杂的磨具需在500~600℃和800~850℃加热两次。

　　（3）保温

　　1)加热温度。

　　（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低限。真空淬火、真空退火、真空固溶处理和真空时效的加热温度一般与常规热处理相同。

　　2)保温时间。一般来说，真空加热时间是盐浴炉的6倍，气体炉的2倍，经验公式是τ＝KB＋T，其中，τ加热保温时间（min），K是保温时间指数（min/mm），B是模具的有效厚度（mm），T为时长裕量(或固定时间)（min）。表2可以找到K值和T值。

　　表2 磨具真空淬火保温时间的计算参数

　　钢材

　　绝缘时间指数

　　K/min·mm -1

　　时长裕量

　　T/min

　　备注

　　非合金工具钢

　　1.9

　　5~10

　　560℃加热一次

　　低合金工具钢

　　2.0

　　10~20

　　560℃加热一次

　　高合金工具钢

　　0.48

　　20~40

　　560℃加热一次，800℃加热一次

　　高速钢

　　0.33

　　15~25

　　560℃加热一次，800℃加热一次

　　2.模具真空淬火

　　（1）加热

　　低合金钢(40cr、60Si2Mn等)、中合金钢（CrWMn、9CrSi、可选择二次加热(如650℃加热)→淬火加热850℃)；高合金钢(H13)、Cr12Mov等。)可选择三级加热(如650℃加热)→850℃加热→淬火加热1030℃)。

　　(2)加热保温时间的选择

　　保温时间不仅要保证一定量的渗碳体充分融化，提高马氏体中的合金成分，保证二次硬化峰温淬火时明显的硬度回升，而且不会造成超温，影响磨具的质量。

　　(2)加热保温时间的选择

　　保温时间不仅要保证一定量的渗碳体充分融化，提高马氏体中的合金成分，保证二次硬化峰温淬火时明显的硬度回升，而且不会造成超温，影响磨具的质量。

　　(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。合金模具钢可实现真空油淬火，从而获得明亮的表面和有效的性能。与气冷淬火相比，由于油冷速度快，容易获得强韧性和强度。气冷淬火可以得到较小的淬火崎变。

　　真空淬火冷却方法应根据模具外观、材料、规格、技术标准进行选择，实际见表3。

　　表3 真空淬火冷却方式的选择

　　冷却方式

　　适用范围

　　真空油淬

　　适用于合金工具钢、高碳高铬合金钢、高速工具钢等磨具钢，选用专用真空油淬火。真空油淬特别适用于要求高韧性的磨具

　　气冷

　　气冷淬火在世界上的应用越来越多，以减少磨具的变化，减少工艺周期，实现热处理生产的清洗。对冷却速度的规定:H13(4Cr5MoSiv1)钢≥28℃/min，Mov钢Cr12≥17℃/min

　　1)0.2MPa真气淬火:即低压真气淬火，其N 2 淬火冷却压力大于0.2MPa，N 2 纯度高于99.95%(体积分数)，一般用于冷速要求低的高速工具钢和冷热模具钢

　　2)0.6MPa高压气淬:其N.6MPa高压气淬: 2 0.6淬火压力MPa，一般用于高速工具钢、高碳高铬合金钢、部分合金工具钢等淬火模具

　　3)1MPa以上高压气淬:一般用于所有高速钢、热模钢、冷模钢、Cr13钢和部分油淬合金钢。也适用于大中型磨具淬火

　　真空水淬

　　用于稀有金属、耐热合金、钛金属和碳钢的淬火冷却

　　真空硝盐淬火

　　采用硝盐进行模具分级或等温淬火，可减少磨具崎变，防止干裂，避免高强度结构钢渗碳等，静态硝盐浴的整体冷却能力和油都很好，混合可以提高盐浴的冷却能力，温度控制一般在160~280℃范围内

　　案例：H13(4Cr5MoSiv1)钢大型铝合金压铸模(5t)，Ipsen企业Super Turbo真空炉淬火加热温度为1000℃，经过充分保温后，用1.5MPaN2淬火冷却，为了减少磨具崎变，防止干裂，400℃终止制冷进入等温维持环节。最终赢得了优异的物理性能和最小淬火崎变，实际检验结果见表4。

　　表4 H13钢模具真气淬灭后的结果

　　项目

　　表层

　　芯部

　　显微组织

　　细微

　　小(淬火时)

　　晶粒度/级

　　10~11

　　9

　　抗压强度Rm//MPa

　　1287

　　1264

　　拉伸强度ReL//MPa

　　1044

　　1019

　　断裂后伸长率A(%)

　　19.5

　　17.8

　　Z(%)断面收缩率

　　52.8

　　49.1

　　冲击式吸收功/J

　　262，282，279

　　221，239，238

　　(4)真空淬火

　　真空炉淬火的优点（如WZH系列单室正压回火炉）：温度控制准确、对称，确保加热和绝缘环节无氧化，使炉冷却或快速冷却。高纯度N2或高纯度N2和其他还原气体的混合物(如H2)可以在制冷过程中加入，以确保制冷过程中不氧化或着色。高纯度N2或高纯度N2和其他还原气体的混合物(如H2)可以在制冷过程中加入，以确保制冷过程中不氧化或着色。

　　淬火加热速度0.8min/mm，芯到温后至少保持2小时。根据强度规定回火温度。第一次、第二次淬火是强制性的，第三次淬火取决于技术标准和最终强度，也可以节省。

　　(5)常用模具钢的真空淬火和回火工艺参数见表5。

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

　　(点击放大观看)

　　3.模具真空退火

　　磨具(模块)的真空退火易于完成无氧化、无渗碳的热处理，有利于提高磨具表面的质量和生产率，减少工艺周期，使磨具表面明亮，显微组织均匀一致。

　　(1)一般真空退火工艺

　　图3为H13(4Cr5MoSiv1)钢模块的一般真空退火工艺。

　　(1)一般真空退火工艺

　　图3为H13(4Cr5Mosiv1)钢模块的一般真空退火工艺。磨具淬火选用真空炉(如WZT系列单室真空炉，极限真空度为0.1Pa），将模块以60℃/h的速度缓慢加热到870℃，并根据模块的合理规格确定维护时间(2~4h)，并在温度下保持0.8min/mm。保温环节压力控制在0.1~10Pa。当温度低于500℃时，可在真空状态下进行炉冷，并可充入1× 10 5Pa的高纯度N2或高纯度N2与其他还原性气体(如H2)的混合物进行制冷，以确保模块表面无氧化和着色。模块强度淬火后＜235HBW是珠光体＋粒状渗碳体联合分布。

　　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≤在200℃/h缓慢上升到875~890℃并保持2~4h后，快速冷却至710~740℃保持3~4h，用高纯N2冷却至100℃以下公布。

　　(3)Cr12MoV模具钢等温退火工艺

　　真空炉压力0.1~10Pa≤在200℃/h缓慢上升到830~870℃并保持2~4h后，快速冷却至720~740℃保持3~4h，用高纯N2冷却至100℃以下公布。

　　4.模具真空渗氮

　　真空渗氮是将磨具在真空炉中加热到奥氏体化，在渗氮气氛中渗碳，然后扩散淬火。由于磨具在真空状态下加热，磨具表面非常光滑，适用于表面质量强的模具渗碳处理。

　　案例：65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)钢挑线曲轴挤压模的真空渗氮。

　　(1)渗氮物质(体积分数)：70%CH4＋30%H2。H2为稀释气，CH4(甲烷)为渗氮气。内火式小型真空渗碳炉为渗氮设备。磨具真空渗碳工艺见图4。

　　(2)使用寿命。65Nb钢磨具经真空渗碳热处理后，使用寿命比无渗氮磨具提高2.5倍，比Cr12MoV钢磨具(基本热处理)提高7.5倍。

　　图4 65Nb曲轴挤压模的真空渗碳工艺

　　5.模具真空碳氮共渗

　　真空碳氮共渗是一种化学热处理方法，磨具表面在真空炉内处于负压加热状态，渗入碳氮。与单氮相比，磨具表面硬度更高，耐磨性更强，具有一定的耐腐蚀性和较高的疲劳极限。由于共渗温度低，渗透后能立即淬火，奥氏体晶粒比单一渗氮细，提高了模具芯的韧性。共渗层机构无晶界氧化，磨具特性明显增强。

　　案例：45钢、调质预硬钢P20钢(3Cr2Mo)塑料模具真空碳氮共渗。

　　1)选用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)℃，均温后公布油淬，压力为100~800Pa，共渗剂为乙炔和氨混合物。装炉条件：磨具规格260mm×200mm×25毫米，总数5块，240毫米×180mm×20毫米，总数5元；210毫米×150mm×30毫米，总数5元。共装炉15块，质量约150公斤。

　　图5 真空碳氮共渗工艺为45钢和P20钢模具

　　2)碳氮共渗油淬火45钢模具后，外观均匀为深灰色，45钢和P20钢模具的硬度可达到62HRC以上，提高表面硬度，使P20钢磨具达到较高的使用寿命。深层0.53~0.56mm的45钢渗碳层有助于提高45钢模的使用寿命。

　　6.模具真空脉冲氮碳共渗

　　真空脉冲氮碳共渗保留了真空脉冲氮渗透的优点，如深孔和埋孔内腔渗透层对称，比真空脉冲氮具有更好的耐磨性和抗咬性，白色亮层少，延展性小，渗透层致密，渗透速度快，能承受重载和冲击载荷。

　　案例：W9Cr4Mo3V钢交叉槽冲针真空脉冲氮碳共渗。

　　(1)十字槽冲针在工作中，应承受较大的冲击、缩小、拉伸、弯曲等应力作用，无效形式为槽筋疲劳断裂。原采用T10钢制成，经基本盐浴加热淬火、回火处理后，磨具的人均寿命为3万件。

　　(2)真空加热淬火、淬火、真空脉冲氮碳共渗后，采用W9Cr4Mo3V钢制成冲针，模具使用寿命提高到近30万件。ZCT65双室真空渗碳炉采用真空氮碳共渗，工作真空值为2.7Pa。

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

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

　　图6 W9Cr4Mo3V钢冲针真空脉冲氮碳共渗工艺

　　(物质流量:800~2000L/h；压力：20~51kPa

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