作者：金榮植，特邀專(zhuān)家

單位：哈爾濱匯隆汽車(chē)箱橋有限公司副總工程師

來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志

真空熱處理是指將模具零件置于真空熱處理設(shè)備中，進(jìn)行加熱、保溫和冷卻的工藝方法。其是當(dāng)前先進(jìn)的模具熱處理技術(shù)之一。隨著模具質(zhì)量的要求越來(lái)越高，一般熱處理難以達(dá)到技術(shù)要求，模具經(jīng)真空熱處理后，表面不氧化、不脫碳，淬火畸變小，表面硬度均勻，使用性能得到提高，模具使用壽命普遍增加，一般能提高30%以上，另外真空熱處理可將加工余量（磨削或拋光）縮小1/3~1/2，從而提高了生產(chǎn)效率、降低了模具制造成本。真空熱處理尤其適合于高精密、要求尺寸和性能穩(wěn)定的模具。模具真空熱處理技術(shù)有：真空淬火、真空回火、真空滲碳、真空滲氮、真空滲金屬等。圖1為模具真空熱處理設(shè)備，圖2為模具照片。

圖1  模具真空熱處理設(shè)備

 圖2  模具照片

1.真空熱處理工藝參數(shù)

（1）真空度

真空度直接影響到模具表面的粗糙度，從而影響表面質(zhì)量性能，為防止模具表面的合金元素的揮發(fā)，應(yīng)選擇合理的真空度，合金鋼模具真空加熱時(shí)真空度與加熱溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1  真空度與加熱溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

（2）預(yù)熱溫度

當(dāng)真空熱處理的加熱溫度為1000~1100℃時(shí)，在800~850℃進(jìn)行一次預(yù)熱；當(dāng)加熱溫度超過(guò)1200℃時(shí)，形狀簡(jiǎn)單的模具可在850℃進(jìn)行一次預(yù)熱，較大或復(fù)雜的模具則應(yīng)在500~600℃和800~850℃進(jìn)行兩次預(yù)熱。

（3）保溫

1）加熱溫度。真空淬火的加熱溫度一般取鹽浴爐和空氣爐的下限。真空回火、真空退火、真空固溶處理及真空時(shí)效的加熱溫度一般與常規(guī)熱處理時(shí)的加熱溫度相同。

2）保溫時(shí)間。通常情況下真空加熱時(shí)間為鹽浴爐的6倍，空氣爐的2倍，經(jīng)驗(yàn)公式為τ＝KB＋T，其中，τ為加熱保溫時(shí)間（min），K為保溫時(shí)間系數(shù)（min/mm），B為模具的有效厚度（mm），T為時(shí)間裕量（或稱固定時(shí)間）（min）。K值與T值可從表2查出。

表2  模具真空淬火保溫時(shí)間的計(jì)算參數(shù)

2.模具的真空淬火

（1）預(yù)熱

低合金鋼（40Cr、60Si2Mn等）、中合金鋼（CrWMn、9CrSi、5CrNiMo等）可選擇兩級(jí)加熱（如650℃預(yù)熱→850℃淬火加熱）；高合金鋼（H13、Cr12MoV等）可選擇三級(jí)加熱（如650℃預(yù)熱→850℃預(yù)熱→1030℃淬火加熱）。

（2）加熱保溫時(shí)間的選擇

保溫時(shí)間既要確保一定量的碳化物充分溶解，提高奧氏體中的合金含量，為二次硬化峰溫度回火時(shí)有較明顯的硬度回升提供保證，又不能產(chǎn)生過(guò)熱而影響模具質(zhì)量。

（3）冷卻方式

模具鋼的真空淬火可采用油淬、氣淬、水淬、硝鹽淬火等。合金模具鋼均可實(shí)施真空油淬，從而獲得光亮的表面及合理的性能。與氣冷淬火相比，因油冷速度快而容易獲得高的韌性和強(qiáng)度。氣冷淬火可獲得更小的淬火畸變。

真空淬火冷卻方式應(yīng)根據(jù)模具的形狀、材質(zhì)、尺寸、技術(shù)要求等來(lái)選擇，具體見(jiàn)表3。

表3  真空淬火冷卻方式的選擇

實(shí)例：H13（4Cr5MoSiV1）鋼制超大型鋁合金壓鑄模（5t），采用Ipsen公司Super Turbo真空爐淬火加熱溫度為1000℃，經(jīng)充分保溫后，用1.5MPa氮?dú)獯慊鹄鋮s，在400℃停止冷卻進(jìn)入等溫保持階段，以減少模具畸變避免開(kāi)裂。最終獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能和最小的淬火畸變，具體檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4  H13鋼模具真空氣淬后的結(jié)果

（4）真空回火

采用真空爐（如WZH系列單室正壓回火爐）回火的優(yōu)點(diǎn)：控溫準(zhǔn)確、均勻；確保加熱及保溫階段無(wú)氧化；可隨爐緩冷，也可充氣快冷。冷卻過(guò)程可充入高純度N2或高純度N2與其他還原性氣體的混合氣（如H2），確保冷卻時(shí)不氧化、不著色。

回火加熱速度為0.8min/mm，心部到溫后最少保持2h?；鼗饻囟纫曈捕纫蠖?。第一、第二次回火為強(qiáng)制性，第三次回火視技術(shù)要求和最終硬度而定，也可以省去。

（5）常用模具鋼的真空淬火與回火工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

表5  常用模具鋼的真空淬火與回火工藝參數(shù)（GB/T 22561—2008）

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3.模具的真空退火

模具（模塊）的真空退火易實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化、無(wú)脫碳的熱處理，有利于提高模具表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率，縮短工藝周期，模具表面可達(dá)到光亮，顯微組織均勻一致。

（1）普通真空退火工藝

圖3是H13（4Cr5MoSiV1）鋼模塊普通真空退火工藝。模具退火采用真空爐（如WZT系列單室真空爐，極限真空度0.1Pa），將模塊以60℃/h的速度緩慢加熱到870℃，視模塊有效尺寸決定保持時(shí)間（2~4h），也可以待到溫后保持0.8min/mm。保溫階段壓力控制在0.1~10Pa。冷卻時(shí)可在真空狀態(tài)下進(jìn)行爐冷，當(dāng)溫度低于500℃時(shí)，可充入1×10⁵Pa的高純度N2或高純度N2與其他還原性氣體（如H2）的混合氣進(jìn)行冷卻，以確保模塊表面無(wú)氧化、不著色。經(jīng)退火后的模塊硬度＜235HBW，組織為珠光體＋均勻分布的粒狀碳化物。

圖3  H13鋼真空退火工藝

（2）H13模具鋼等溫退火工藝

真空爐壓力0.1~10Pa，以≤200℃/h緩慢升至875~890℃并保持2~4h后，快冷至710~740℃保持3~4h，用高純度氮?dú)饫渲?00℃以下出爐。

（3）Cr12MoV模具鋼等溫退火工藝

真空爐壓力0.1~10Pa，以≤200℃/h緩慢升至830~870℃并保持2~4h后，快冷至720~740℃保持3~4h，用高純度N2冷至100℃以下出爐。

4.模具的真空滲碳

真空滲碳是將模具在真空爐中加熱到奧氏體化狀態(tài)，在滲碳?xì)夥罩袧B碳，然后擴(kuò)散及淬火處理。因模具在真空狀態(tài)下加熱，故模具表面十分光潔，適于高的表面質(zhì)量要求模具的滲碳處理。

實(shí)例：65Nb（65Cr4W3Mo2VNb）鋼制挑線連桿擠壓模的真空滲碳。

（1）滲碳介質(zhì)（體積分?jǐn)?shù)）：70%CH4＋30%H2。H2作為稀釋氣，CH4（甲烷）為滲碳?xì)狻B碳設(shè)備為內(nèi)熱式小型真空滲碳爐。模具真空滲碳工藝見(jiàn)圖4。

（2）使用壽命。65Nb鋼制模具經(jīng)真空滲碳熱處理后，其使用壽命比未經(jīng)滲碳模具提高2.5倍，比Cr12MoV鋼制模具（常規(guī)熱處理）提高7.5倍。

圖4  65Nb連桿擠壓模的真空滲碳工藝

5.模具的真空碳氮共滲

真空碳氮共滲是模具表層在真空爐內(nèi)處于負(fù)壓的加熱狀態(tài)下，同時(shí)滲入碳、氮元素的化學(xué)熱處理工藝，與單一的滲碳相比，模具表面硬度更高，耐磨性更好，同時(shí)還具有一定的抗蝕性和更高的疲勞強(qiáng)度。因共滲溫度低，且滲后可直接淬火，奧氏體晶粒比單一滲碳細(xì)，因此提高了模具的心部韌性，共滲層組織無(wú)晶界氧化現(xiàn)象，模具性能明顯提高。

實(shí)例：45鋼、調(diào)質(zhì)預(yù)硬鋼P(yáng)20鋼（3Cr2Mo）制塑料模的真空碳氮共滲。

1）采用WZST-45型雙室真空滲碳淬火爐，其工藝曲線見(jiàn)圖5，碳氮共滲溫度（850±10）℃，預(yù)冷至（740±10）℃，并均溫后出爐油淬，壓力為100~800Pa，共滲劑為乙炔和氨氣混合氣。裝爐情況：模具尺寸260mm×200mm×25mm，數(shù)量5塊；240mm×180mm×20mm，數(shù)量5塊；210mm×150mm×30mm，數(shù)量5塊。共計(jì)裝爐15塊，質(zhì)量共計(jì)約150kg。

圖5  45鋼、P20鋼模具的真空碳氮共滲工藝

2）45鋼模具碳氮共滲油淬后，其外觀呈均勻的銀灰色，45鋼及P20鋼模具的硬度均可達(dá)到62HRC以上，提高了表面硬度，可使P20鋼制模具進(jìn)入高壽命狀態(tài)。45鋼滲碳層深度0.53~0.56mm，有助于提高45鋼模具使用壽命。

6.模具的真空脈沖氮碳共滲

真空脈沖氮碳共滲保留了真空脈沖滲氮的優(yōu)點(diǎn)，如深孔、盲孔內(nèi)壁滲層均勻，比真空脈沖滲氮有更好的耐磨性和抗咬合性，而且白亮層少，脆性小，滲層致密，滲速快，并能承受重負(fù)荷和沖擊載荷。

實(shí)例：W9Cr4Mo3V鋼制十字槽沖頭的真空脈沖氮碳共滲。

（1）十字槽沖頭在工作時(shí)，要承受大的沖擊、壓縮、拉伸和彎曲等應(yīng)力的作用，失效形式為槽筋疲勞斷裂。原采用T10鋼制造，經(jīng)常規(guī)鹽浴加熱淬火、回火處理后，模具平均壽命為3萬(wàn)件。

（2）采用W9Cr4Mo3V鋼制造沖頭，經(jīng)真空加熱淬火、回火和真空脈沖氮碳共滲后，模具壽命提高到近30萬(wàn)件。真空氮碳共滲采用ZCT65型雙室真空滲碳爐，工作真空度為2.7Pa。

1）真空淬火與回火工藝：830~850℃×3min/mm預(yù)熱，1080~1200℃×1~2min/mm加熱后，氣淬油冷；540~580℃×1~2h真空回火。

2）真空脈沖氮碳共滲工藝：共滲劑成分（體積分?jǐn)?shù)）：50%丙烷＋50%氨氣，其工藝曲線見(jiàn)圖6。

圖6  W9Cr4Mo3V鋼沖頭真空脈沖氮碳共滲工藝

（介質(zhì)流量：800~2000L/h；壓力：20~51kPa）