H13钢制HSK刀柄热处理工艺

上海工具厂有限公司 （200438） 盛瑞瑛

H13（4Cr5MoSiV1）钢是一种淬透性高、韧性好，并具有良好的热强性能、热稳定性、抗氧化性能和冷热疲劳性能的热作模具钢，广泛应用于高韧性和冷热疲劳抗力的热作模具。

1.HSK刀柄热处理技术要求

我公司开发的高速加工刀柄系统必须满足刚性好，传递扭矩，体积小，动平衡性好，高速下切削振动小，装夹刀具后能够承受高的加减速度和集中应力的要求。结合HSK刀柄的工作环境和H13钢的性能特点，合适的热处理工艺才能使H13钢满足在复杂工作状态中保持刀柄使用性能稳定的要求。

综上所述，设定热处理技术要求：热处理后产品硬度52～56HRC，根据产品规格变形维持在0.03～0.05mm，表面发黑处理，保护膜性能稳定，不易脱落。

2.试验方法

利用现有的设备进行试验，真空试验在IPSEN Internatingal GmbH 制12×105Pa高压气淬炉内进行，盐浴淬火采用现有传统盐浴炉淬火。试验分别采用真空淬火＋真空回火和盐浴加热淬火＋盐浴回火作比较。工艺路线如下：①盐浴热处理：盐浴淬火→盐浴回火→喷砂→发黑。②真空热处理：真空淬火→真空回火→发黑。

3.试验结果分析

（1）盐浴淬火试验 根据产品热处理技术要求，选择淬火温度区间1000～1050℃，每隔10℃作为1个温度点。试验后发现，最佳温度区间为1020～1035℃，该区间内，材料具有较高硬度和较稳定的硬度分布，而且产生的变形量最小，硬度结果如表1所示。

表1（HRC）

回火后金相组织（见图1）显示，回火比较充分，达到了北美压铸模协会（NADCA）的要求。选取试验工件10件，每件工件上取3段径向圆跳动测试点，如图2所示。检测内孔变形（见表2）和径向圆跳动（见表3）表明，内孔尺寸变化稳定在0.025mm以下，3段径向圆跳动值均在0.02mm以下，基本上没有变化，完全符合要求。

图1 回火后的金相组织

（2）真空淬火试验 真空热处理为高效、节能和无污染的清洁热处理。处理件具有无氧化，无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好，变形小，综合力学性能高和可靠性好（重复性好、寿命稳定）等一系列优点。

北美压铸模协会研究认为，虽然盐浴奥氏体化和油淬等热处理方法可进行H13钢的热处理，但是唯有真空热处理应用其特有的程序控制工艺，能获得最佳的金相组织和力学性能，并减少变形和开裂。

图2

表2 内孔尺寸盐浴淬火检测结果 （mm）

表3 盐浴淬火3段径向圆跳动测试结果 （mm）

据NADCA推荐热处理工艺，结合盐浴热处理的结果，选用1020～1030℃的奥氏体化温度，采用高压气淬的方法冷却，然后分别用500～550℃在真空回火炉中进行三次回火。淬火、回火后硬度如表4所示。

表4 （HRC）

相比盐浴回火后的组织，真空淬火的回火组织（见图3）更细，更为均匀。检测内孔变形（见表5）和径向圆跳动（见表6）表明，内孔尺寸变化稳定，在0.02mm以下，3段径向圆跳动基本上没有变化，完全符合要求。相比盐浴热处理，真空热处理后变形更小。

图3 回火后的金相组织

表5 内孔尺寸真空淬火检测结果 （mm）

表6 真空淬火3段径向圆跳动测试结果 （mm）

从上述试验结果可以看出，真空热处理略优于盐浴热处理，且真空热处理后产品的外观表面明显优于盐浴热处理的外观，并且采用真空热处理后可减少喷砂处理环节，减少盐浴热处理产生的废水、废气和废渣，具有明显的经济效益和社会效益。故确定真空热处理作为HSK刀柄的最终热处理工艺。

（3）发黑处理 在工艺开发过程中，先试验了普通碱性发黑，发现普通碱性发黑后的产品表面略微泛红，达不到同类产品的外观要求。为此，我们从欧洲某公司引进了常温发黑工艺，表7是两种发黑工艺的对比。

表7 普通碱性发黑和常温发黑对比