模具鋼的熱處理
根據(jù)熱處理在零件生產(chǎn)工藝流程中的位置和作用，熱處理又可分為預(yù)備熱處理和最終熱處理。模具鋼的常規(guī)熱處理主要包括退火、正火、淬火和回火。由于真空熱處理技術(shù)具有防止加熱氧化、不脫碳、真空除氣、變形小及硬度均勻等特點，近年來得到廣泛的推廣應(yīng)用。
1.退火工藝
退火一般是指將模具鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時間，然后使其緩冷至室溫，獲得接近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。其組織為鐵素體基體上分布著碳化物。目的是消除鋼中的應(yīng)力，降低模具材料的硬度，使材料成分均勻，改善組織，為后續(xù)工序(機加工、冷加工成形、最終熱處理等)做準備。
退火工藝根據(jù)加熱溫度不同可分為：
1）完全退火 將模具鋼加熱到臨界溫度Ac3以上20~30℃，保溫足夠的時間，使其組織完全奧氏體化，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。其目的是為了降低硬度、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力和熱加工缺陷、改善切削加工性能和冷塑性變形性能，為后續(xù)熱處理或冷加工做準備。
2）不完全退火 將鋼加熱到Ac1~Ac3（亞共析鋼）或Ac1~Accm（過共析鋼）之間，保溫一定時間后緩慢冷卻，以獲得接近于平衡組織的熱處理工藝。不完全退火用于過共析鋼和合金鋼制作的模具。
3）等溫退火 將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫足夠的時間，使其組織完全奧氏體化，然后在低于Ac1溫度以下的適當溫度進行保溫，使奧氏體在此溫度下進行等溫轉(zhuǎn)變，完成組織轉(zhuǎn)變,然后從爐中取出空冷。等溫退火的特點是可以縮短退火時間，最適合用于合金工具鋼、高合金工具鋼模具，有利于獲得更為均勻的組織和性能。
(4)球化退火 是使鋼中的碳化物球化，獲得球狀珠光體的一種熱處理工藝，它實際上是不完全退火的一種。球化退火主要應(yīng)用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼。其目的是為了降低硬度、改善切削加工性能，以及獲得均勻的組織，改善熱處理工藝性能，為以后的淬火作組織準備。圖9.1.1為三種常用的球化退火工藝。
圖
2.正火工藝
正火工藝是將鋼加熱到Ac3(對于亞共析鋼)或Accm(對于過共析鋼)以上適當?shù)臏囟龋匾欢〞r間，使之完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻，得到珠光體類型組織的熱處理工藝。
正火與完全退火相比，兩者的加熱溫度基本相同，但正火的冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變溫度較低。冷卻方式通常是將工件從爐中取出，放在空氣中自然冷卻，對于大件也可采用鼓風(fēng)或噴霧等方法冷卻。因此，對于亞共析鋼來說，相同鋼正火后組織中析出的鐵素體數(shù)量較少，珠光體數(shù)量較多，且珠光體的片間距較小，對于過共析鋼來說，正火可以抑制先共析網(wǎng)狀滲碳體的析出。鋼的強度、硬度和韌性也比較高。正火工藝規(guī)范如圖9.1.2所示。
3.淬火與回火
淬火和回火是模具鋼或模具零件強化的主要手段。
將鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上一定溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界淬火速度的速度進行冷卻，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。回火是淬火工藝的后續(xù)工序，是將淬火后的鋼加熱到Ac1以下某一溫度(根據(jù)回火后的組織和性能要求而定)，充分保溫后，以適當?shù)乃俣冗M行冷卻的熱處理工藝。淬火工藝的關(guān)鍵是要控制加熱速度、淬火溫度、保溫時間以及冷卻速度。
(1) 淬火溫度的確定
淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后獲得細小的馬氏體組織。淬火加熱溫度主要根據(jù)鋼的臨界點來確定。表9.1.1 為常用模具鋼的相變點及淬火加熱溫度。另外，淬火溫度還應(yīng)考慮模具的形狀尺寸、原始組織等因素。
（2）淬火時間的確定
淬火加熱時間通常將工件升溫和保溫所需的時間計算在一起，而統(tǒng)稱為加熱時間。影響加熱時間的因素很多，如加熱介質(zhì)、鋼的成分、爐溫、工件的形狀及尺寸、裝爐方式及裝爐量等。淬火加熱時間參見有關(guān)熱處理手冊。
（3）淬火介質(zhì)
為了使鋼獲得馬氏體組織，淬火時冷卻速度必須大于臨界冷卻速度。但是。冷卻速度過大又會使工件內(nèi)應(yīng)力增加。產(chǎn)生變形或開裂。
工件淬火冷卻時要使其得到合理的淬火冷卻速度，必須選擇適當?shù)拇慊鸾橘|(zhì)。淬火介質(zhì)種類很多，常用的淬火介質(zhì)有水、NaCl（5%~10%）水溶液、NaOH (10%一50%)水溶液以及各種礦物油等。模具淬火可以在水、油或空氣中進行。
（4）回火
回火是緊接淬火的一道熱處理工藝，大多數(shù)淬火模具鋼都要進行回火。目的是穩(wěn)定組織，減小或消除淬火應(yīng)力，提高鋼的塑性和韌性，獲得強度、硬度和塑性、韌性的適當配合，以滿足不同模具的性能要求。
決定模具回火后的組織和性能最重要的因素是回火溫度。回火可分為低溫、中溫和高溫回火。
1）低溫回火 鋼大部分是淬火高碳鋼和淬火高合金鋼。經(jīng)低溫回火后得到回火馬氏體，具有很高的強度、硬度和耐磨性，同時顯著降低了鋼的淬火應(yīng)力和脆性。冷沖壓、冷鐓、冷擠壓模具，需要相當高的硬度和耐磨性，常采用低溫回火。
2）中溫回火 中溫回火后模具的內(nèi)應(yīng)力基本消除，具有高的彈性極限、較高的強度和硬度、良好的塑性和韌性。中溫回火主要用于熱鍛模具。
3）高溫回火 壓鑄模和橡膠模要求較高的強度和韌性，常采用高溫回火，回火時間一般不少于1h。
4．真空熱處理
在熱處理時，被處理模具零件表面發(fā)生氧化、脫碳和增碳等效應(yīng)，都會給模具使用壽命帶來嚴重的影響。為了防止氧化、脫碳和增碳。利用真空作為理想的加熱介質(zhì)，制成真空熱處理爐。零件在真空爐中加熱后，將中性氣體通入爐內(nèi)的冷卻室，在爐內(nèi)利用氣體進行淬火的為氣冷真空處理爐，利用油進行淬火的為油冷真空處理爐。
近年來，真空熱處理技術(shù)在我國發(fā)展較為迅速。它特別適合用于模具的熱處理工藝。模具鋼經(jīng)過真空熱處理后具有良好的表面狀態(tài)，其表面不氧化、不脫碳，淬火變形小。而與大氣下的淬火工藝相比，真空淬火后，模具表面硬度比較均勻，而且還略高一點。真空加熱時，模具鋼表面呈活性狀態(tài)，不脫碳，不產(chǎn)生阻礙冷卻的氧化膜。真空淬火后，鋼的斷裂韌度有所提高，模具壽命比常規(guī)工藝提高40%~400%，甚至更高。模具真空淬火技術(shù)在我國已得到較廣泛的應(yīng)用。
（1）真空熱處理的特點
1）因為在真空中加熱和冷卻，氧的分壓很低，零件表面氧化作用得到抑制，從而可得到光亮的處理表面。
2）在大氣中熔煉的金屬和合金，由于吸氣而使韌性下降，強度降低，在真空熱處理時，可使吸收的氣體釋放，從而增加了強度和韌性，提高了模具的使用壽命。
3）真空熱處理淬火變形小。如W6Mo5Cr4V2鋼凸模真空熱處理后，在氮氣中冷卻，變形實測結(jié)果表明，只要留0.08mm磨削余量即可。冷作模具鋼制成的凹模，變形量為鹽浴淬火變形量的1/3~1/5。
4）由于在密封條件下處理，有無公害和保護環(huán)境等優(yōu)點。
5）真空中的傳熱只是發(fā)熱體的輻射，并非以對流、傳導(dǎo)來傳熱、因此零件背面部分的加熱有時會不均勻。
（2）真空熱處理設(shè)備
真空熱處理技術(shù)的關(guān)鍵是采用合適的設(shè)備(真空退火爐、真空淬火爐、真空回火爐)。真空加熱最早采用真空輻射加熱，后來逐步發(fā)展為真空輻射加熱、負壓載氣加熱、低溫階段正壓對流加熱等。
1）真空退火爐 真空退火爐的真空度為10-2~10-3Pa，溫度的升降應(yīng)能自動控制。熱處理工藝與非真空爐退火工藝基本相同。
2）真空淬火爐 真空淬火分為油淬和氣淬。油淬時，零件表面出現(xiàn)白亮層，其組織為大量的殘余奧氏體，不能用560℃左右的一般回火加以消除，需要更高的溫度(700~800℃)才能消除。氣淬的零件表面質(zhì)量好，變形小，不需清洗，爐子結(jié)構(gòu)也較簡單。對于高合金或高速鋼模具零件，應(yīng)選用高壓氣淬爐。
3）真空回火爐 對于熱處理后不再進行機械加工的模具工作面，淬火后盡可能采用真空回火，特別是真空淬火的工件(模具)，它可以提高與表面質(zhì)量相關(guān)的力學(xué)性能，如疲勞性能、表面光亮度、耐腐蝕性等。