薄壁大直径模具整体真空淬火工艺

彭帅

摘 要：我公司在对直径≥300mm，壁厚20mm～30mm的薄壁大直径模具，采用整体真空淬火工艺对其进行热处理时，由于其直径大、壁厚薄，存在产品变形大，废品率高，很难准确控制淬火后的模具外圆直径以及外圆表面花纹尺寸和形状的缺陷，必须加大后续加工余量，淬火后还需要对花纹尺寸和形状进行修整，导致材料浪费，加工成本居高不下，所以急需研发一种新的热处理工艺以解决现状。

关键词：薄壁大直径模具；热处理工艺；整体真空淬火

中图分类号：TG156.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0068-02

1 原热处理工艺和改进后的工艺

我公司原来对直径≥300mm，壁厚20mm～30mm的薄壁大直径模具采用的热处理工艺（如图1）：直接把模具放在拖盘上，然后放入真空淬火炉中进行真空热处理。此种工艺因为在淬火冷却时，工件冷却不均匀，所以导致热处理后的模具产生大的变形，以至于后续加工困难[1]。因此，目前采取了以下改进措施。

1.1 工装设计

为了解决淬火时，模具冷却均匀的问题，在经过多次试验以后，设计了一种工装。此工装由托盘及罩体两部分组成，托盘与罩体可分离，实物图如下图2所示。

工装示意图如图3所示。

将模具竖直放置于托盘上，托盘上均匀开设有多个通气孔3，将罩体罩设在模具上，使模具容置于罩体和托盘围成的空腔内，罩体呈筒状，罩体由侧面和顶面组成，罩体与模具之间留有25～30mm的间隙。罩体的顶面中央开设有通气孔1，通气孔1的直径为模具的孔径±10mm。罩体的侧面和顶面上均匀开设有多个通气孔2，通气孔2的孔径为5～6mm，通气孔2的孔距为15～20mm，将通气孔2的孔距设置为15～20mm，可以在保证罩体整体结构强度、避免罩体变形的情况下尽可能多的分布通气孔，同时罩体上有尽可能多的通气孔既能确保模具能比较快速达到淬火温度，节省电耗，又能使吹气到模具表面的气流更加均匀，从而达到减少工件变形的效果。

罩体的材质为Q235-A，罩体的壁厚为4～5mm。罩体选用Q235-A材料，因为此种材料熔点高，价格低。罩体壁厚选择为4～5mm，这样既能达到高温气淬不易变形，同时又可以减轻重量，减少装炉重量，节省电耗。

区别于现有技术，用罩体将模具罩设在托盘上后再一起进行真空淬火，可以使模具各部位的冷却速度更加均匀，从而减少工件变形量。

1.2 淬火时间

模具材料选用W6Mo5Cr4V2高速钢[2-3]，增设罩体后，相当于整个模具的体积变大，重量增加，所以在650～680℃升温及保温时间各延长10min、850～880℃升温及保温时间各延长10min、1050～1080℃升温及保温时间延长6min，1150～1180℃升温及保温时间延长4min[4]。

1.3 冷却工艺

增设罩体后，相当于壁厚增加，导致冷却速度降低，所以在淬火冷却时将冲入氮气（冷却介质），氮气压力由0.5 MPa提高到0.6MPa[5]，风机转速由原来的2700转/分钟提高到2900～3000转/分钟，保证有足够的冷却速度，将模具快速冷卻至100℃；再将风机转速降低到2400～2500转/分钟，将工件冷却至70℃，然后出炉，从而保证淬火后的工件的综合机械性能。

在经过对淬火时间与冷却工艺的改进后，最终得出的淬火工艺曲线如图4所示。

具体的真空淬火工艺为：（1）将模具从常温升温到650～680℃，升温时间50～55min，保温30～35min。（2）将模具从650～680℃升温到850～880℃，升温时间35～40min，保温20～25min。（3）将模具从850～880℃升温到1050～1080℃，升温时间35～40min，保温20～25min。（4）将模具从1050～1080℃升温到1150～1180℃，升温时间30～35min，保温20～25min。（5）保温结束，往真空气淬炉炉膛内充氮气，氮气压力为0.6MPa，同时打开风机，风机转速为2900～3000转/分钟，将模具快速冷却至100℃；再将风机转速降低到2400～2500转/分钟，将工件冷却至70℃，然后出炉。（6）出炉后的模具进行550℃高温回火，保温3小时，回火3次[6]。

2 改进后产品性能

使用新工艺对薄壁大直径模具（直径≥300mm，壁厚20mm～30mm）进行真空淬火，所得到的产品的性能如下。

2.1 采用三座标测量机检测产品的变形量和加工余量

整体真空淬火后，产品的变形量大幅减少，模具外圆直径的加工余量大幅减少。比如：高速钢模具的变形量由原来的2-2.5mm减少到1-1.5mm，粉末冶金模具变形量由原来的1.5-2mm减少到0.4-0.8mm，且无需修整外圆表面花纹尺寸和形状。

2.2 采用洛氏硬度计检测产品的硬度

整体真空淬火后，产品的综合机械性能保持不变，各部位硬度更均匀，由原来相差HRC2减少到HRC1以内。

3 结束语

新的热处理工艺与旧工艺相比，有效减少了模具变形，提高了成品率，能够准确控制淬火后的模具外圆直径以及外圆表面花纹尺寸和形状，节省材料，减少后续加工余量，淬火后无需修整花纹尺寸和形状，降低加工成本。

参考文献：

[1]张志鹏，张志刚.模具热处理技术及其变形预防措施[J].模具制造，2006，6（11）：81-86.

[2]吴立志.中国高速钢的发展[J].河北冶金，2015，239（11）：1-8.

[3]李正邦.发展我国高速钢的战略分析[J].特殊钢，2006，27（1）：1-6.

[4]吴景猷.高速钢工模具热处理工艺浅析[J].装备制造技术，2010，36（3）：81-82.

[5]R A Mesquita， C A Barbosa， C S Goncalves， et al. 淬火工艺对高速钢力学性能的影响[J].热处理，2013，28（4）：59-64.

[6]孙元辉，孙易安.热处理工艺对高速钢组织性能的影响[J].热加工工艺，2011，40（18）：156-159.endprint