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工模具熱處理-不銹鋼熱處理
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作者:鼎言熱處理
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發(fā)布時間: 2019-11-04
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工模具熱處理-不銹鋼熱處理
(1)刀具熱處理刀具熱處理是刀具生產(chǎn)制造中最重要的環(huán)節(jié),其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭成敗
刀具熱處理仍以鹽浴爐為主,很少用真空爐和網(wǎng)帶爐。以下重點介紹高速鋼刀具的預(yù)備熱處理、淬火及表面強化工藝
1)高速鋼刀具的預(yù)備熱處理。預(yù)備熱處理包括退火、調(diào)質(zhì)和去應(yīng)力退火三大類高速鋼又稱風(fēng)鋼,加熱到相變溫度以上,在空氣中就可以淬火,經(jīng)軋制和鍛造后均有較高的硬度,為使其軟化便于切削加工,必須進(jìn)行退火處理。退火工藝有普通退火、等溫退火、高溫退火等多種方法。經(jīng)拉、拔、擠等塑性變形方法加工的毛坯,為消除冷作硬化應(yīng)進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火;對于形狀復(fù)雜、切削加工量較大或細(xì)長、薄片狀工具,為了減少熱處理畸變或淬火裂紋,常進(jìn)行550~600℃×4h去應(yīng)力退火為了改善高速鋼毛坯的可加工性,特別是銑削加工性能,應(yīng)經(jīng)不完全加熱淬火、高溫回火,使毛坯達(dá)到32~38HRC的硬度。
預(yù)備熱處理要掌握好溫度,防止氧化脫碳。
2)高速鋼刀具的淬火回火處理。夾具對熱處理質(zhì)量的影響越來越引起人們的重視,不同的刀具淬火應(yīng)設(shè)計制造出合適的夾具,有些刀具熱處理難度很大,其實就難在淬火夾具上高速鋼含有較多的合金元素,導(dǎo)熱性能較差,需要進(jìn)行兩次甚至三次預(yù)熱。比較可靠實用的方法是在450~500℃的井式爐中先烘干水分,避免濕工件進(jìn)爐爆炸,飛液濺出傷人預(yù)熱溫度一般為850~870℃,預(yù)熱時間為加熱時間的兩倍。鹽浴配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為70%BaCl2+30%NaCl。
高速鋼刀具高溫加熱是非常重要又非常難的環(huán)節(jié),鹽浴成分為100%BaCl2。從增加碳化物溶入量,提高奧氏體合金化程度的角度考慮,奧氏體化溫度越高越好,以便提高鋼的耐磨性和熱硬性;但從細(xì)化晶粒,提高韌性的角度考慮,加熱溫度不宜太高。不同牌號有不同的加熱溫度,同一牌號鋼制作不同刀具,加熱溫度相差也很大,也就是說,制訂熱處理工藝應(yīng)該個性化。不管何種刀具,在制訂熱處理工藝時,必須了解刀具加工的對象在滿足韌性的前提下,溫度高比溫度低優(yōu)越。加熱時間嚴(yán)格地講應(yīng)定義為浸液時間更科學(xué),因為它對刀具在高溫加熱狀態(tài)給以定性定量的描述。如何確定浸液時間涉及有效直徑(或有效厚度)問題,它是計算浸液時間的依據(jù)。不同形狀的工件計算方法是不同的以下經(jīng)驗估算可供參考。
①圓棒形刀具(如麻花鉆)以外徑計算。
②扁平形刀具(如車刀)以厚度計算。
3空心圓柱體(如滾刀)以外徑與內(nèi)徑之差的一半計算。
④空心圓錐體(如指形銑刀)以外徑乘以0.8計算。
⑤圓錐體以距大端L3處的外徑計算。
⑥球體以球徑乘以0.6計算。
⑦不規(guī)則形狀的刀具以主要工作尺寸計算。
⑧特殊工件則按經(jīng)驗法測算
理論上講,高速鋼刀具的加熱系數(shù)按8-15s/mm來計算,但實際上不同尺寸加熱系數(shù)是不一樣的。表1-1列出了高速鋼刀具不同尺寸的加熱系數(shù)。
有些生產(chǎn)單位在實踐中總結(jié)出加熱時間的經(jīng)驗公式為:加熱時間=30+加熱系數(shù)×有效直徑。例如,d10mm鉆頭在高溫爐中的加熱時間=30s+10mmx10/mm=130s
對于不同種類、不同規(guī)格、不同使用條件下的刀具,選擇淬火加熱溫度和加熱時間應(yīng)以奧氏體晶粒度和碳化物溶解程度為主要依據(jù),以便得到耐磨性、熱硬性同韌性的最佳配合從而最大限度地提高刀具的壽命。
以上提供的加熱系數(shù),是以單件加熱作為計算加熱時間的依據(jù)的。在實際生產(chǎn)大量裝爐時,還必須考慮諸多因素,如加熱爐的爐型、結(jié)構(gòu)、功率,控制電流的大小,升溫速度的快慢,裝爐方式、裝爐量多少,以及預(yù)熱情況等來確定最終的加熱時間。
在加熱時,對于兩個重要的工藝參數(shù),即加熱溫度和加熱時間,兩者相比,溫度是第一位的,但也絲毫不能忽視時間的作用。兩者綜合作用可用淬火參量來表達(dá):
高速鋼刀具淬火冷卻已很少用油冷,大多數(shù)用分級淬火或者等溫淬火。分級淬火(簡稱為分級)即在480~560℃中性鹽浴中冷卻,冷卻時間同高溫加熱時間,分級后放在空氣中冷卻至室溫。中性鹽浴配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:48%CaCl2+31%BaC2+21%NaCl。對于形狀復(fù)雜、易于變形的工件采用分級等溫淬火,即在480~560℃中性鹽浴分級冷卻后立即轉(zhuǎn)入24080℃硝鹽浴中等溫0.5~2h。硝鹽浴的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:55%KNO3+45%NaNO2。
高速鋼刀具淬火冷卻至室溫清洗干凈后,應(yīng)立即進(jìn)行回火,從淬火到回火的間隔時間最好不要超過12h,一般在8h之內(nèi)就能完成?；鼗饝?yīng)達(dá)到最佳的碳化物二次析出二次硬化效應(yīng)、殘留奧氏體充分轉(zhuǎn)變和殘余應(yīng)力徹底消除三大目的。高速鋼回火也有一個回火參量經(jīng)驗公式
大多數(shù)高速鋼的二次硬化峰均在550℃左右,所以回火溫度一般都定在550℃。回火介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的NaNO3或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的KNO3,3次回火,每次保溫1h,等溫淬火因殘留奧氏體較多,需進(jìn)行4次回火。回火后一定要冷至室溫才能進(jìn)行下一次回火。高性能高速鋼經(jīng)50℃回火后硬度大多會超過681BC,但超硬高速鋼也不能超硬度。如果硬度超過68HRC,一般情況下提高回火溫度至590℃,使之降至67.5-67HRC較佳。
3)高速鋼刀具的表面強化技術(shù)。高速鋼刀具加工成品后,有時還要進(jìn)行表面強化處理,以進(jìn)一步提高刀具的使用壽命。常用方法有如下幾種
①蒸汽處理。這是刀具比較老也比較實用的表面強化方法,目前主要用于鉆頭、絲錐等刀具。蒸汽處理是使刀具在過熱的蒸汽中加熱,表面形成1~5m厚的致密的藍(lán)黑色Fe3O4氧化膜的方法。通過蒸汽處理,不僅使刀具外觀漂亮,而且提高了耐蝕性,減小了摩擦因數(shù),能使刀具壽命提高20%~30%。
②氧氮共滲(氧氮化)。氧氮共滲是目前我國在麻花鉆上應(yīng)用最多的表面強化方法。它是在含氧和氮的氣氛中進(jìn)行的化學(xué)熱處理方法。滲層內(nèi)部為氮的擴(kuò)散層,外層為氧化膜,滲氮層具有很高的耐磨性,氧化膜主要起防銹作用,對提高切削性能也有好處。共滲層的硬度為900-150HV,氧化膜厚度為1-5μm,共滲層的深度為15~45μm。氧氮共滲一般能提高鉆頭壽命50%~80%。
③QPQ鹽浴復(fù)合處理。此項工藝國家曾在“八五”期間重點推廣。QPQ鹽浴復(fù)合處理的方法是:將刀具去油后,經(jīng)預(yù)熱,在滲氮鹽浴中滲氮,然后浸入到氧化鹽浴中氧化,出爐后空冷、清洗、干燥、上油。
ρPQ鹽浴復(fù)合處理能大幅度提高刀具的壽命,而且可以大大降低刀具壽命的分散提高刀具壽命的穩(wěn)定性。
④無污染硫氮碳共滲。這種工藝處理后,滲層中除氮碳以外還含有硫。硫在刀具表面上還有潤滑和減摩作用。這種工藝通?？商岣叩毒邏勖?~2倍
⑤物理氣相沉積(PVD)。目前在刀具上應(yīng)用的主要是沉積TN的離子鍍技術(shù)。物理氣相沉積的方法有反應(yīng)濺射、空心陰極離子鍍、熱陰極等,以及離子弧源離子鍍、多弧離子鍍等。
物理氣相沉積后,刀具表面形成2~5um的TN層,其硬度為1800-2200V。TN層有很高的耐磨性,一般可提高刀具壽命2-5倍,提高切削效率30%左右,尤其適用于齒輪滾刀之類的切齒刀具。
物理氣相沉積技術(shù)發(fā)展很快,不僅能沉積一層,而且能沉積多層;不僅能沉積硬層,而且能沉積MoS2之類的軟層。因此,物理氣相沉積技術(shù)可滿足刀具不同沉積層的需求。除了上述5種表面強化技術(shù)外,還有激光表面強化、多元共滲、滑化處理、滲氮處理涂覆磷鎳合金等。
(2)量具熱處理
1)量具的預(yù)備熱處理。量具的預(yù)備熱處理包括退火、正火、消除網(wǎng)狀碳化物處理及調(diào)質(zhì)等
①退火。退火一般多采用等溫退火
②正火。正火可改善一些中碳鋼量具的原始組織,降低表面粗糙度值和提高強度。正火可作為預(yù)備熱處理,也可以作為最終熱處理
③消除網(wǎng)狀碳化物處理。如果過共析鋼中網(wǎng)狀碳化物較嚴(yán)重或組織粗大,淬火時易產(chǎn)生裂紋。淬火前這類不良組織可以用適當(dāng)?shù)念A(yù)備熱處理方法來減輕或消除,方法是將鋼加熱到稍高于或接近于Ac溫度,保持一定時間使碳化物全部或大部分溶入奧氏體并適當(dāng)均勻化然后快冷,使碳化物不致沿晶界析出,再在Ac1以下合適的溫度回火或正常退火,以調(diào)整到所需的硬度和組織。
④調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)可使工件加工后得到較低的表面粗糙度值,并細(xì)化淬火前的組織,消除機(jī)械加工應(yīng)力,減少熱處理畸變,使工件得到均勻而稍高的淬火硬度
2)量具的最終熱處理。量具的最終熱處理包括淬火、回火、冷處理、時效處理和矯直等
①淬火。淬火宜用鹽浴爐、真空爐、可控氣氛加熱爐加熱。為減少變形,除普通淬火冷卻外,也可選擇分級淬火或等溫淬火
②回火?；鼗鹨栽谙觖}浴或油中回火為宜。不進(jìn)行冷處理的量具,淬火后應(yīng)立即回火以免產(chǎn)生裂紋
③冷處理。對尺寸穩(wěn)定性要求高的量具,淬火后冷至室溫立即進(jìn)行冷處理(-70-80℃或-190℃),以使殘留奧氏體盡可能地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,經(jīng)冷處理后量具的硬度也會有所提高
④時效處理。人工時效宜在熱浴中進(jìn)行。一般量規(guī)(硬度≥62HRC)淬火后進(jìn)行140160℃×8-10h人工時效(與回火合并進(jìn)行);要求硬度≥63HRC的量塊等則在回火后再進(jìn)行120℃×48h人工時效,或冷處理與時效處理反復(fù)數(shù)次的熱循環(huán)處理。
量具精磨后宜進(jìn)行120℃×10h時效處理,以去除磨削應(yīng)力。量具精磨后留出少量研磨余量,然后在室溫下存放半年至一年,進(jìn)行自然時效后再研磨成成品,其效果較好。
物理氣相沉積后,刀具表面形成2~5um的TN層,其硬度為1800-2200V。TN層有很高的耐磨性,一般可提高刀具壽命2-5倍,提高切削效率30%左右,尤其適用于齒輪滾刀之類的切齒刀具。
⑤矯直。矯直有冷矯直和熱矯直兩種。對已發(fā)生變形的量具,最好采用熱矯直。此外,量具在裝配過程中,不允許再進(jìn)行敲打。
3)量具的熱處理技術(shù)要求。在國家標(biāo)準(zhǔn)中對各種量具的硬度都有明確的要求,見表12。生產(chǎn)廠應(yīng)在保證尺寸穩(wěn)定性的前提下力求高硬度。
量具熱處理的顯微組織至少應(yīng)達(dá)到JBT9986-2013《工具熱處理金相檢驗》中規(guī)定的級別。
4)量塊及高尺寸穩(wěn)定性量規(guī)的熱處理特點。量塊是技術(shù)要求最高的長度計量基準(zhǔn),其測量面的硬度不應(yīng)低于800HV,并對尺寸穩(wěn)定性有很高的要求。
量塊對材料質(zhì)量的要求比一般量具嚴(yán)格,選用含有Cr、Mo、W、Co等合金元素的過共析鋼是合理的;現(xiàn)行的含Cr軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)對材質(zhì)要求高,也適宜制造量塊;用30Cr13或0Cr13不銹鋼滲氮制成的量塊硬度可達(dá)950~1000HV,研磨后的量具表面粗糙度和色澤均優(yōu)于淬火鋼,且耐蝕性好,其心部為經(jīng)調(diào)質(zhì)的索氏體組織,尺寸極為穩(wěn)定。
量塊熱處理工藝的要點為盡量減少淬火后殘留奧氏體量、增加馬氏體的正方性以及減少殘余應(yīng)力。因此,GCrl5鋼制量塊的熱處理工藝為經(jīng)淬火并冷處理及低溫回火,可滿足上述要求。
GCr15鋼量塊的熱處理工藝路線為:840~860℃加熱,油淬→-78℃冷處理→140150℃x1h×3次回火→120℃×48h人工時效→精磨→120℃×10h去應(yīng)力→研磨。
長度大于100mm的GCr15鋼量塊,為保證尺寸穩(wěn)定性可采用兩端工作部分淬火的方法。其工藝路線為:整體淬火→280~300℃回火(≥55HRC)→量塊端部約10mm浸入鹽浴加熱水淬→用同樣的方法對量塊另一端水淬→120~130℃×24h回火;也可以將量塊整體淬火,回火后再用感應(yīng)淬火方法對兩端分別淬火、回火。
對于30Cr13、40Cr13鋼量塊,先經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,得到索氏體組織(硬度為240HBW左右),再經(jīng)氣體滲氮(硬度≥900HV),然后研磨,精度高,尺寸穩(wěn)定性極佳。其工藝路線為:表面活化處理(噴砂)540-550℃氣體滲氮(氨分解率為25%~35%,厚度≤10mm的量塊滲氮2h,滲層為0.15-0.18mm;厚度為20~100mm的量塊滲氮48h,滲層為0.220.24mm)。
5)磨削缺陷與熱處理的關(guān)系。由于量具多采用過共析鋼,以期淬火后得到高硬度,因此在熱處理后磨削時會出現(xiàn)燒傷、裂紋、變形(翹曲)等弊病。
材料或熱處理與磨削裂紋沒有直接關(guān)系,磨削裂紋一般是磨削規(guī)范或磨削條件不當(dāng)造成的。而淬火溫度過高,回火不充分造成殘留奧氏體過多,殘余應(yīng)力過大,以及存在較嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物和材料導(dǎo)熱性差也都能促使磨削裂紋的產(chǎn)生。
量具零件的硬度與磨削裂紋的形成也有關(guān)系。硬度<55HRC時,磨削裂紋很少產(chǎn)生;硬度>60HRC時,產(chǎn)生磨削裂紋的概率大為增加,磨削裂紋多在表面發(fā)生變色后才出現(xiàn),燒傷前很少開裂。
零件在磨削后產(chǎn)生的變形(翹曲)與磨削時磨面存在的拉應(yīng)力有關(guān)。在磨削之間插入人工時效處理,合理安排磨削方向、磨削量、進(jìn)給量、磨削速度,以及在磨削過程中經(jīng)常翻面,有助于磨削應(yīng)力達(dá)到平衡,從而可減少磨削后的變形。
3)夾具熱處理夾具熱處理以鹽浴爐為主,由于它以單件、小批量為主,熱處理質(zhì)量不穩(wěn)定,原材料也不規(guī)范,熱處理難度比較大;不少夾具檢測硬度比較難,比如卡瓦的頭部、尾部、中間三段硬度各不相同,熱處理工藝比較復(fù)雜,測量硬度必須破壞其中一個(或用廢品替代)。夾具對韌性和強度的要求比較嚴(yán),因此淬火溫度不宜過高,回火要及時,夾具在熱處理過程中不可受到侵蝕。
(4)模具熱處理模具熱處理分預(yù)備熱處理、最終熱處理、表面強化三大部分。模具預(yù)備熱處理工藝在不斷地改革和發(fā)展。循環(huán)退火工藝、正火處理工藝、消除鏈狀碳化物的工藝、高溫雙重處理工藝、快速勻細(xì)退火工藝、以調(diào)質(zhì)代替退火工藝、快速軟化退火工藝等,都在模具預(yù)備熱處理中發(fā)揮了重要作用。
模具最終熱處理有常規(guī)熱處理、低溫淬火、高溫淬火、真空熱處理等。淬火后的回火規(guī)范也是形式多樣。
低溫淬火是在比常規(guī)淬火溫度低50~100℃或在更低的溫度下進(jìn)行淬火的熱處理工藝高速鋼模具、高合金鋼模具低溫淬火工藝比較成熟,已成功應(yīng)用;但低溫淬火工藝不適合在易磨損和鐓粗的模具上應(yīng)用。
高溫淬火是在比常規(guī)淬火溫度高30-80℃的溫度下進(jìn)行淬火的熱處理工藝。3C2W8V5 CrNiMo、5 CrMnMo等熱作模具高溫淬火在某些領(lǐng)域獲得了重大成果,解決了不少產(chǎn)品壽命低的關(guān)鍵問題。
真空熱處理具有高質(zhì)量、低能耗、無氧化、無污染等優(yōu)點,在工模具熱處理中得到了廣泛運用。多年的實踐證明,采用高壓氣淬比真空油淬更具有優(yōu)越性。
精湛的熱處理技術(shù)再加上合適的表面強化技術(shù),將更能發(fā)揮材料潛能,提高模具壽命。表面強化技術(shù)分三方面:化學(xué)熱處理表面強化、表面沉積覆層強化及其他表面強化法。
化學(xué)熱處理表面強化有滲碳、滲硼、滲氮、碳氮共滲、滲金屬及多元共滲等;表面沉積覆層強化有化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、等離子氣相沉積(PCVD)及TD處理;其他表面強化方法有激光表面強化、離子注入表面淬火及火焰淬火等。
1)熱作模具的熱處理特點。熱作模具主要有熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模、熱鐓模等熱作模具在服役根據(jù)壓鑄模的用途不同,要求其有不同的硬度。一般來說,表面硬度越高,耐磨性越好,而且不會使液體金屬黏附在模膛上。韌性好的心部和高硬度的表面,能使壓鑄模有良好的性能。針對上述情況,表面強化技術(shù)在壓鑄模熱處理中應(yīng)發(fā)揮重要的作用。
2)冷作模具的熱處理特點。冷作模具的種類繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,模具在使用中受到壓縮、拉伸、彎曲、摩擦等作用。因此,要求模具具有高的變形抗力、斷裂抗力、耐磨性、疲勞強度等性能。
①大多數(shù)冷作模具鋼含合金元素較多,導(dǎo)熱性差,而奧氏體化溫度又高,因此,應(yīng)緩慢加熱,宜采用多次預(yù)熱或階梯式升溫
②為了提高模具工作面的表面質(zhì)量,加熱介質(zhì)應(yīng)予以重視?？煽貧夥占訜釥t、真空熱處理爐等先進(jìn)加熱設(shè)備應(yīng)優(yōu)先考慮;鹽浴加熱有許多長處,但一定要充分脫氧撈渣。
③在達(dá)到淬火目的前提下,應(yīng)采取較緩慢的冷卻方法。等溫淬火、分級淬火、高壓氣淬等減少變形的冷卻方案都是行之有效的。
④為了進(jìn)一步提高模具壽命,表面強化工藝應(yīng)針對性選用。
⑤鹽浴處理后應(yīng)及時清理;工序間注意防銹;酸洗要防氫脆,并及時去氫。
⑥模具使用到一定時期,應(yīng)取下進(jìn)行一次去應(yīng)力處理。
⑦熱處理后需線切割或電火花加工的模具,要求模具淬透性高、淬硬層深,并要求熱處理后應(yīng)力最小,因此,需進(jìn)行二次甚至三次回火,線切割后應(yīng)補充一次去應(yīng)力回火。
3)塑料模具的熱處理特點。塑料模具的品種多,形狀復(fù)雜,表面粗糙度值低,制造難度大。塑料模具的熱處理并不要整體淬硬,只要表面有一定深度的淬硬層即可,中心則應(yīng)保持較高的韌性和強度,故有時采用滲碳等化學(xué)熱處理比較好。要防止表面氧化脫碳,表面應(yīng)光潔致密,研磨拋光性能要好。
4)玻璃模具的熱處理特點。玻璃模具應(yīng)具有良好的抗氧化性、耐蝕性、導(dǎo)熱性、耐冷熱疲勞性、耐磨性、切割加工性,以及組織致密均勻、膨脹系數(shù)小等性能。針對這一情況,玻璃模具多采用高溫回火和表面強化工藝。
(5)其他工具熱處理
1)退火。其目的是改善普通工具的可加工性和熱處理工藝性能。退火主要采用球化退火,對不易球化的鋼可采用循環(huán)退火的方法以增進(jìn)球化效果
2)正火。其目的是細(xì)化過熱鋼的晶粒或消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物。普通工具鋼正火后通常為片狀珠光體組織,一般還要進(jìn)行球化退火,使珠光體球化
3)調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)可使工件加工后得到較低的表面粗糙度值,并細(xì)化淬火前鋼的組織,減少最終熱處理的變形,使工件得到高而均勻的淬火硬度
4)去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火主要用于消除因冷塑變形產(chǎn)
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刀具熱處理仍以鹽浴爐為主,很少用真空爐和網(wǎng)帶爐。以下重點介紹高速鋼刀具的預(yù)備熱處理、淬火及表面強化工藝
1)高速鋼刀具的預(yù)備熱處理。預(yù)備熱處理包括退火、調(diào)質(zhì)和去應(yīng)力退火三大類高速鋼又稱風(fēng)鋼,加熱到相變溫度以上,在空氣中就可以淬火,經(jīng)軋制和鍛造后均有較高的硬度,為使其軟化便于切削加工,必須進(jìn)行退火處理。退火工藝有普通退火、等溫退火、高溫退火等多種方法。經(jīng)拉、拔、擠等塑性變形方法加工的毛坯,為消除冷作硬化應(yīng)進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火;對于形狀復(fù)雜、切削加工量較大或細(xì)長、薄片狀工具,為了減少熱處理畸變或淬火裂紋,常進(jìn)行550~600℃×4h去應(yīng)力退火為了改善高速鋼毛坯的可加工性,特別是銑削加工性能,應(yīng)經(jīng)不完全加熱淬火、高溫回火,使毛坯達(dá)到32~38HRC的硬度。
預(yù)備熱處理要掌握好溫度,防止氧化脫碳。
2)高速鋼刀具的淬火回火處理。夾具對熱處理質(zhì)量的影響越來越引起人們的重視,不同的刀具淬火應(yīng)設(shè)計制造出合適的夾具,有些刀具熱處理難度很大,其實就難在淬火夾具上高速鋼含有較多的合金元素,導(dǎo)熱性能較差,需要進(jìn)行兩次甚至三次預(yù)熱。比較可靠實用的方法是在450~500℃的井式爐中先烘干水分,避免濕工件進(jìn)爐爆炸,飛液濺出傷人預(yù)熱溫度一般為850~870℃,預(yù)熱時間為加熱時間的兩倍。鹽浴配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為70%BaCl2+30%NaCl。
高速鋼刀具高溫加熱是非常重要又非常難的環(huán)節(jié),鹽浴成分為100%BaCl2。從增加碳化物溶入量,提高奧氏體合金化程度的角度考慮,奧氏體化溫度越高越好,以便提高鋼的耐磨性和熱硬性;但從細(xì)化晶粒,提高韌性的角度考慮,加熱溫度不宜太高。不同牌號有不同的加熱溫度,同一牌號鋼制作不同刀具,加熱溫度相差也很大,也就是說,制訂熱處理工藝應(yīng)該個性化。不管何種刀具,在制訂熱處理工藝時,必須了解刀具加工的對象在滿足韌性的前提下,溫度高比溫度低優(yōu)越。加熱時間嚴(yán)格地講應(yīng)定義為浸液時間更科學(xué),因為它對刀具在高溫加熱狀態(tài)給以定性定量的描述。如何確定浸液時間涉及有效直徑(或有效厚度)問題,它是計算浸液時間的依據(jù)。不同形狀的工件計算方法是不同的以下經(jīng)驗估算可供參考。
①圓棒形刀具(如麻花鉆)以外徑計算。
②扁平形刀具(如車刀)以厚度計算。
3空心圓柱體(如滾刀)以外徑與內(nèi)徑之差的一半計算。
④空心圓錐體(如指形銑刀)以外徑乘以0.8計算。
⑤圓錐體以距大端L3處的外徑計算。
⑥球體以球徑乘以0.6計算。
⑦不規(guī)則形狀的刀具以主要工作尺寸計算。
⑧特殊工件則按經(jīng)驗法測算
理論上講,高速鋼刀具的加熱系數(shù)按8-15s/mm來計算,但實際上不同尺寸加熱系數(shù)是不一樣的。表1-1列出了高速鋼刀具不同尺寸的加熱系數(shù)。
對于不同種類、不同規(guī)格、不同使用條件下的刀具,選擇淬火加熱溫度和加熱時間應(yīng)以奧氏體晶粒度和碳化物溶解程度為主要依據(jù),以便得到耐磨性、熱硬性同韌性的最佳配合從而最大限度地提高刀具的壽命。
以上提供的加熱系數(shù),是以單件加熱作為計算加熱時間的依據(jù)的。在實際生產(chǎn)大量裝爐時,還必須考慮諸多因素,如加熱爐的爐型、結(jié)構(gòu)、功率,控制電流的大小,升溫速度的快慢,裝爐方式、裝爐量多少,以及預(yù)熱情況等來確定最終的加熱時間。
在加熱時,對于兩個重要的工藝參數(shù),即加熱溫度和加熱時間,兩者相比,溫度是第一位的,但也絲毫不能忽視時間的作用。兩者綜合作用可用淬火參量來表達(dá):
P=7(37+lg
式中P—淬火參量
7—淬火加熱溫度(K);
—淬火加熱時間(s)。
簡單地說,高溫短時間和低溫長時間兩種情況,只要淬火參量相同,那么,熱處理后的效果應(yīng)該是一致的,作者長期使用的是前者,因為高溫加熱,效果顯著,提高5℃比延長20s有效,而且節(jié)能、快速。高速鋼刀具淬火冷卻已很少用油冷,大多數(shù)用分級淬火或者等溫淬火。分級淬火(簡稱為分級)即在480~560℃中性鹽浴中冷卻,冷卻時間同高溫加熱時間,分級后放在空氣中冷卻至室溫。中性鹽浴配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:48%CaCl2+31%BaC2+21%NaCl。對于形狀復(fù)雜、易于變形的工件采用分級等溫淬火,即在480~560℃中性鹽浴分級冷卻后立即轉(zhuǎn)入24080℃硝鹽浴中等溫0.5~2h。硝鹽浴的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:55%KNO3+45%NaNO2。
高速鋼刀具淬火冷卻至室溫清洗干凈后,應(yīng)立即進(jìn)行回火,從淬火到回火的間隔時間最好不要超過12h,一般在8h之內(nèi)就能完成?；鼗饝?yīng)達(dá)到最佳的碳化物二次析出二次硬化效應(yīng)、殘留奧氏體充分轉(zhuǎn)變和殘余應(yīng)力徹底消除三大目的。高速鋼回火也有一個回火參量經(jīng)驗公式
P1=T1(20+lgt)
式中P1—回火參量
T1——回火溫度(K);
t回火加熱時間(h)
盡管回火溫度、加熱時間不同,但只要回火參量相同,回火的效果就應(yīng)該是一樣的。但這種計算方法在大生產(chǎn)中很難推廣大多數(shù)高速鋼的二次硬化峰均在550℃左右,所以回火溫度一般都定在550℃。回火介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的NaNO3或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的KNO3,3次回火,每次保溫1h,等溫淬火因殘留奧氏體較多,需進(jìn)行4次回火。回火后一定要冷至室溫才能進(jìn)行下一次回火。高性能高速鋼經(jīng)50℃回火后硬度大多會超過681BC,但超硬高速鋼也不能超硬度。如果硬度超過68HRC,一般情況下提高回火溫度至590℃,使之降至67.5-67HRC較佳。
3)高速鋼刀具的表面強化技術(shù)。高速鋼刀具加工成品后,有時還要進(jìn)行表面強化處理,以進(jìn)一步提高刀具的使用壽命。常用方法有如下幾種
①蒸汽處理。這是刀具比較老也比較實用的表面強化方法,目前主要用于鉆頭、絲錐等刀具。蒸汽處理是使刀具在過熱的蒸汽中加熱,表面形成1~5m厚的致密的藍(lán)黑色Fe3O4氧化膜的方法。通過蒸汽處理,不僅使刀具外觀漂亮,而且提高了耐蝕性,減小了摩擦因數(shù),能使刀具壽命提高20%~30%。
②氧氮共滲(氧氮化)。氧氮共滲是目前我國在麻花鉆上應(yīng)用最多的表面強化方法。它是在含氧和氮的氣氛中進(jìn)行的化學(xué)熱處理方法。滲層內(nèi)部為氮的擴(kuò)散層,外層為氧化膜,滲氮層具有很高的耐磨性,氧化膜主要起防銹作用,對提高切削性能也有好處。共滲層的硬度為900-150HV,氧化膜厚度為1-5μm,共滲層的深度為15~45μm。氧氮共滲一般能提高鉆頭壽命50%~80%。
③QPQ鹽浴復(fù)合處理。此項工藝國家曾在“八五”期間重點推廣。QPQ鹽浴復(fù)合處理的方法是:將刀具去油后,經(jīng)預(yù)熱,在滲氮鹽浴中滲氮,然后浸入到氧化鹽浴中氧化,出爐后空冷、清洗、干燥、上油。
ρPQ鹽浴復(fù)合處理能大幅度提高刀具的壽命,而且可以大大降低刀具壽命的分散提高刀具壽命的穩(wěn)定性。
④無污染硫氮碳共滲。這種工藝處理后,滲層中除氮碳以外還含有硫。硫在刀具表面上還有潤滑和減摩作用。這種工藝通?？商岣叩毒邏勖?~2倍
⑤物理氣相沉積(PVD)。目前在刀具上應(yīng)用的主要是沉積TN的離子鍍技術(shù)。物理氣相沉積的方法有反應(yīng)濺射、空心陰極離子鍍、熱陰極等,以及離子弧源離子鍍、多弧離子鍍等。
物理氣相沉積后,刀具表面形成2~5um的TN層,其硬度為1800-2200V。TN層有很高的耐磨性,一般可提高刀具壽命2-5倍,提高切削效率30%左右,尤其適用于齒輪滾刀之類的切齒刀具。
物理氣相沉積技術(shù)發(fā)展很快,不僅能沉積一層,而且能沉積多層;不僅能沉積硬層,而且能沉積MoS2之類的軟層。因此,物理氣相沉積技術(shù)可滿足刀具不同沉積層的需求。除了上述5種表面強化技術(shù)外,還有激光表面強化、多元共滲、滑化處理、滲氮處理涂覆磷鎳合金等。
(2)量具熱處理
1)量具的預(yù)備熱處理。量具的預(yù)備熱處理包括退火、正火、消除網(wǎng)狀碳化物處理及調(diào)質(zhì)等
①退火。退火一般多采用等溫退火
②正火。正火可改善一些中碳鋼量具的原始組織,降低表面粗糙度值和提高強度。正火可作為預(yù)備熱處理,也可以作為最終熱處理
③消除網(wǎng)狀碳化物處理。如果過共析鋼中網(wǎng)狀碳化物較嚴(yán)重或組織粗大,淬火時易產(chǎn)生裂紋。淬火前這類不良組織可以用適當(dāng)?shù)念A(yù)備熱處理方法來減輕或消除,方法是將鋼加熱到稍高于或接近于Ac溫度,保持一定時間使碳化物全部或大部分溶入奧氏體并適當(dāng)均勻化然后快冷,使碳化物不致沿晶界析出,再在Ac1以下合適的溫度回火或正常退火,以調(diào)整到所需的硬度和組織。
④調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)可使工件加工后得到較低的表面粗糙度值,并細(xì)化淬火前的組織,消除機(jī)械加工應(yīng)力,減少熱處理畸變,使工件得到均勻而稍高的淬火硬度
2)量具的最終熱處理。量具的最終熱處理包括淬火、回火、冷處理、時效處理和矯直等
①淬火。淬火宜用鹽浴爐、真空爐、可控氣氛加熱爐加熱。為減少變形,除普通淬火冷卻外,也可選擇分級淬火或等溫淬火
②回火?；鼗鹨栽谙觖}浴或油中回火為宜。不進(jìn)行冷處理的量具,淬火后應(yīng)立即回火以免產(chǎn)生裂紋
③冷處理。對尺寸穩(wěn)定性要求高的量具,淬火后冷至室溫立即進(jìn)行冷處理(-70-80℃或-190℃),以使殘留奧氏體盡可能地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,經(jīng)冷處理后量具的硬度也會有所提高
④時效處理。人工時效宜在熱浴中進(jìn)行。一般量規(guī)(硬度≥62HRC)淬火后進(jìn)行140160℃×8-10h人工時效(與回火合并進(jìn)行);要求硬度≥63HRC的量塊等則在回火后再進(jìn)行120℃×48h人工時效,或冷處理與時效處理反復(fù)數(shù)次的熱循環(huán)處理。
量具精磨后宜進(jìn)行120℃×10h時效處理,以去除磨削應(yīng)力。量具精磨后留出少量研磨余量,然后在室溫下存放半年至一年,進(jìn)行自然時效后再研磨成成品,其效果較好。
物理氣相沉積后,刀具表面形成2~5um的TN層,其硬度為1800-2200V。TN層有很高的耐磨性,一般可提高刀具壽命2-5倍,提高切削效率30%左右,尤其適用于齒輪滾刀之類的切齒刀具。
⑤矯直。矯直有冷矯直和熱矯直兩種。對已發(fā)生變形的量具,最好采用熱矯直。此外,量具在裝配過程中,不允許再進(jìn)行敲打。
3)量具的熱處理技術(shù)要求。在國家標(biāo)準(zhǔn)中對各種量具的硬度都有明確的要求,見表12。生產(chǎn)廠應(yīng)在保證尺寸穩(wěn)定性的前提下力求高硬度。
量具熱處理的顯微組織至少應(yīng)達(dá)到JBT9986-2013《工具熱處理金相檢驗》中規(guī)定的級別。
4)量塊及高尺寸穩(wěn)定性量規(guī)的熱處理特點。量塊是技術(shù)要求最高的長度計量基準(zhǔn),其測量面的硬度不應(yīng)低于800HV,并對尺寸穩(wěn)定性有很高的要求。
量塊對材料質(zhì)量的要求比一般量具嚴(yán)格,選用含有Cr、Mo、W、Co等合金元素的過共析鋼是合理的;現(xiàn)行的含Cr軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)對材質(zhì)要求高,也適宜制造量塊;用30Cr13或0Cr13不銹鋼滲氮制成的量塊硬度可達(dá)950~1000HV,研磨后的量具表面粗糙度和色澤均優(yōu)于淬火鋼,且耐蝕性好,其心部為經(jīng)調(diào)質(zhì)的索氏體組織,尺寸極為穩(wěn)定。
量塊熱處理工藝的要點為盡量減少淬火后殘留奧氏體量、增加馬氏體的正方性以及減少殘余應(yīng)力。因此,GCrl5鋼制量塊的熱處理工藝為經(jīng)淬火并冷處理及低溫回火,可滿足上述要求。
GCr15鋼量塊的熱處理工藝路線為:840~860℃加熱,油淬→-78℃冷處理→140150℃x1h×3次回火→120℃×48h人工時效→精磨→120℃×10h去應(yīng)力→研磨。
長度大于100mm的GCr15鋼量塊,為保證尺寸穩(wěn)定性可采用兩端工作部分淬火的方法。其工藝路線為:整體淬火→280~300℃回火(≥55HRC)→量塊端部約10mm浸入鹽浴加熱水淬→用同樣的方法對量塊另一端水淬→120~130℃×24h回火;也可以將量塊整體淬火,回火后再用感應(yīng)淬火方法對兩端分別淬火、回火。
對于30Cr13、40Cr13鋼量塊,先經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,得到索氏體組織(硬度為240HBW左右),再經(jīng)氣體滲氮(硬度≥900HV),然后研磨,精度高,尺寸穩(wěn)定性極佳。其工藝路線為:表面活化處理(噴砂)540-550℃氣體滲氮(氨分解率為25%~35%,厚度≤10mm的量塊滲氮2h,滲層為0.15-0.18mm;厚度為20~100mm的量塊滲氮48h,滲層為0.220.24mm)。
5)磨削缺陷與熱處理的關(guān)系。由于量具多采用過共析鋼,以期淬火后得到高硬度,因此在熱處理后磨削時會出現(xiàn)燒傷、裂紋、變形(翹曲)等弊病。
材料或熱處理與磨削裂紋沒有直接關(guān)系,磨削裂紋一般是磨削規(guī)范或磨削條件不當(dāng)造成的。而淬火溫度過高,回火不充分造成殘留奧氏體過多,殘余應(yīng)力過大,以及存在較嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物和材料導(dǎo)熱性差也都能促使磨削裂紋的產(chǎn)生。
量具零件的硬度與磨削裂紋的形成也有關(guān)系。硬度<55HRC時,磨削裂紋很少產(chǎn)生;硬度>60HRC時,產(chǎn)生磨削裂紋的概率大為增加,磨削裂紋多在表面發(fā)生變色后才出現(xiàn),燒傷前很少開裂。
零件在磨削后產(chǎn)生的變形(翹曲)與磨削時磨面存在的拉應(yīng)力有關(guān)。在磨削之間插入人工時效處理,合理安排磨削方向、磨削量、進(jìn)給量、磨削速度,以及在磨削過程中經(jīng)常翻面,有助于磨削應(yīng)力達(dá)到平衡,從而可減少磨削后的變形。
3)夾具熱處理夾具熱處理以鹽浴爐為主,由于它以單件、小批量為主,熱處理質(zhì)量不穩(wěn)定,原材料也不規(guī)范,熱處理難度比較大;不少夾具檢測硬度比較難,比如卡瓦的頭部、尾部、中間三段硬度各不相同,熱處理工藝比較復(fù)雜,測量硬度必須破壞其中一個(或用廢品替代)。夾具對韌性和強度的要求比較嚴(yán),因此淬火溫度不宜過高,回火要及時,夾具在熱處理過程中不可受到侵蝕。
(4)模具熱處理模具熱處理分預(yù)備熱處理、最終熱處理、表面強化三大部分。模具預(yù)備熱處理工藝在不斷地改革和發(fā)展。循環(huán)退火工藝、正火處理工藝、消除鏈狀碳化物的工藝、高溫雙重處理工藝、快速勻細(xì)退火工藝、以調(diào)質(zhì)代替退火工藝、快速軟化退火工藝等,都在模具預(yù)備熱處理中發(fā)揮了重要作用。
模具最終熱處理有常規(guī)熱處理、低溫淬火、高溫淬火、真空熱處理等。淬火后的回火規(guī)范也是形式多樣。
低溫淬火是在比常規(guī)淬火溫度低50~100℃或在更低的溫度下進(jìn)行淬火的熱處理工藝高速鋼模具、高合金鋼模具低溫淬火工藝比較成熟,已成功應(yīng)用;但低溫淬火工藝不適合在易磨損和鐓粗的模具上應(yīng)用。
高溫淬火是在比常規(guī)淬火溫度高30-80℃的溫度下進(jìn)行淬火的熱處理工藝。3C2W8V5 CrNiMo、5 CrMnMo等熱作模具高溫淬火在某些領(lǐng)域獲得了重大成果,解決了不少產(chǎn)品壽命低的關(guān)鍵問題。
真空熱處理具有高質(zhì)量、低能耗、無氧化、無污染等優(yōu)點,在工模具熱處理中得到了廣泛運用。多年的實踐證明,采用高壓氣淬比真空油淬更具有優(yōu)越性。
精湛的熱處理技術(shù)再加上合適的表面強化技術(shù),將更能發(fā)揮材料潛能,提高模具壽命。表面強化技術(shù)分三方面:化學(xué)熱處理表面強化、表面沉積覆層強化及其他表面強化法。
化學(xué)熱處理表面強化有滲碳、滲硼、滲氮、碳氮共滲、滲金屬及多元共滲等;表面沉積覆層強化有化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、等離子氣相沉積(PCVD)及TD處理;其他表面強化方法有激光表面強化、離子注入表面淬火及火焰淬火等。
1)熱作模具的熱處理特點。熱作模具主要有熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模、熱鐓模等熱作模具在服役根據(jù)壓鑄模的用途不同,要求其有不同的硬度。一般來說,表面硬度越高,耐磨性越好,而且不會使液體金屬黏附在模膛上。韌性好的心部和高硬度的表面,能使壓鑄模有良好的性能。針對上述情況,表面強化技術(shù)在壓鑄模熱處理中應(yīng)發(fā)揮重要的作用。
2)冷作模具的熱處理特點。冷作模具的種類繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,模具在使用中受到壓縮、拉伸、彎曲、摩擦等作用。因此,要求模具具有高的變形抗力、斷裂抗力、耐磨性、疲勞強度等性能。
①大多數(shù)冷作模具鋼含合金元素較多,導(dǎo)熱性差,而奧氏體化溫度又高,因此,應(yīng)緩慢加熱,宜采用多次預(yù)熱或階梯式升溫
②為了提高模具工作面的表面質(zhì)量,加熱介質(zhì)應(yīng)予以重視?？煽貧夥占訜釥t、真空熱處理爐等先進(jìn)加熱設(shè)備應(yīng)優(yōu)先考慮;鹽浴加熱有許多長處,但一定要充分脫氧撈渣。
③在達(dá)到淬火目的前提下,應(yīng)采取較緩慢的冷卻方法。等溫淬火、分級淬火、高壓氣淬等減少變形的冷卻方案都是行之有效的。
④為了進(jìn)一步提高模具壽命,表面強化工藝應(yīng)針對性選用。
⑤鹽浴處理后應(yīng)及時清理;工序間注意防銹;酸洗要防氫脆,并及時去氫。
⑥模具使用到一定時期,應(yīng)取下進(jìn)行一次去應(yīng)力處理。
⑦熱處理后需線切割或電火花加工的模具,要求模具淬透性高、淬硬層深,并要求熱處理后應(yīng)力最小,因此,需進(jìn)行二次甚至三次回火,線切割后應(yīng)補充一次去應(yīng)力回火。
3)塑料模具的熱處理特點。塑料模具的品種多,形狀復(fù)雜,表面粗糙度值低,制造難度大。塑料模具的熱處理并不要整體淬硬,只要表面有一定深度的淬硬層即可,中心則應(yīng)保持較高的韌性和強度,故有時采用滲碳等化學(xué)熱處理比較好。要防止表面氧化脫碳,表面應(yīng)光潔致密,研磨拋光性能要好。
4)玻璃模具的熱處理特點。玻璃模具應(yīng)具有良好的抗氧化性、耐蝕性、導(dǎo)熱性、耐冷熱疲勞性、耐磨性、切割加工性,以及組織致密均勻、膨脹系數(shù)小等性能。針對這一情況,玻璃模具多采用高溫回火和表面強化工藝。
(5)其他工具熱處理
1)退火。其目的是改善普通工具的可加工性和熱處理工藝性能。退火主要采用球化退火,對不易球化的鋼可采用循環(huán)退火的方法以增進(jìn)球化效果
2)正火。其目的是細(xì)化過熱鋼的晶粒或消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物。普通工具鋼正火后通常為片狀珠光體組織,一般還要進(jìn)行球化退火,使珠光體球化
3)調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)可使工件加工后得到較低的表面粗糙度值,并細(xì)化淬火前鋼的組織,減少最終熱處理的變形,使工件得到高而均勻的淬火硬度
4)去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火主要用于消除因冷塑變形產(chǎn)
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