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模具钢真空热处理技术指导
2019-07-04 13:22:39
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丽水镍基焊技术

  模具钢真空热处理技术指导


  模具钢真空热处理,顾名思义乃是在减压的环境下实施之热处理,其减压后之压力,从几百torr到10ˉ6torr左右(1torr=1mmHg),真空热处理炉的环境之气体,可为大气、氧化性气体、脱碳性气体或渗碳气体,其实施之热处理与一般传统之热处理相同,有淬火、退火、渗碳面热处理等。


  在模具钢真空热处理中,实施热处理和一般之热处理区别有二:


  1.在模具钢真空热处理中由于气体稀薄,因气体之化学性较低,在较高的真空度下其活性几乎“钝“掉,因此在同温度下,传统之固体一气体间的反应诸如氧化、还原、脱碳等,在真空中都会比在大气中慢得多。


  2.在模具钢真空热处理中,提供了去除材料中吸附气体的机会,或使处理件表面原已存在的氧化物或化合物分解及去除。


  模具钢真空热处理在不同的温度及真空压力下,各金属均有其各自之蒸汽压,具有相当大的差异,在钢中较易蒸发之元素有Mn、Cr等,其中Mn在900?C10-3torr下就可能蒸发,所幸Mn在钢中含量均在1%以下,900?C至少要10-5torr以上之真空度才会使Mn由钢中蒸发,其次是Cr它在1atm之下,要2180?C才会蒸发,然在10-3torr下,却只要1093?C便会蒸发,由于Cr在模具钢等含量相当高,所以在真空热处理中,温度上升到1000?C左右时,必需由炉外加入少许之保护气体,即N2,由由于N2是惰性气体,它防止Cr之蒸发,且又可去除材料中之吸附气体,所以热处理后之模具会显得很洁白,但在N2入炉中时,真空度会下降,所以真空必须控制在0.6torr左右之真空状态。


  模具钢真空热处理技术在真空中实施之热处理,较常见的是淬火、退火、辉面热处理及渗碳等,但今只讨论一些真空淬火之要件。


  真空淬火:


  各种合金钢及非铁技术之真空淬火,其真空度主要在10-2到10-4torr左右,而冷却方法,主要分为空冷及油冷两种,由于淬火主要是在冷却时需有足够的冷速,以避免沃斯田铁化在冷速途中产生变态,因此特把真空淬火分GASQuenching及OilQuenching两方面来加以说明。


  一、真空炉中空冷把风硬钢在真空淬火变为可能,然由于在真空中,处理件之冷却速度较一般大气中之冷却速度为慢,尤其是断面较大者,致影响产品之机械性质。因此在真空淬火之冷却速度,是诸科学家所研究之对象。兹将改良的方法叙述于后。


  (1)利用热传导性良好之不活性气体,例如N2、Ar、He、H2等,由于不同的气体,也有不同的冷却速度,冷却时间比,H2为1时,He为1.2时,N2为1.5时,Ar为1.75时,也就是说,在真空淬火冷却效果以H2为佳,其次为He、N2,最差为Ar,但一般H2在高温时有爆炸的危险,因此一般H2均不使用,而He是稀有气体,价钱又昂贵,故不适用,而Ar之冷却特性又比N2差,因而工业上之使用均采用中性的N2气体。


  (2)降低冷却气体之温度,以增加冷速,工业上的作法是在冷却气体之循环路内增加热交换器的设计,同时炉壁加以水冷等方法,以达到有效降低气体的温度。


  (3)增加冷却气体的压力,以增加冷速,由下图中可知N2气体之加速冷却曲线,可见增加气体压力也是有效的增加冷却速度的方法,下表SKH-9(M-2)高速钢在不同之压力下冷却后之硬度,以及在550?C下回火之硬度值,1.54大气压下冷却之SKH-9其硬度已可与一般盐浴或油淬火者相比,且回火后之残留沃斯田铁量比传统方法者少。

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  二、在真空炉中油冷


  真空炉中油淬火:一般分为二室,加热室及冷却室,二者中间有一密闭之中间门,其真空度可自行调整,其热处理顺序一般在加热室加热完了再移到淬火室冷却,此时再充入相当压力的不活性气体,一方面可以空冷处理件,以免过高温油淬火,产生龟裂现象。


  模具钢真空热处理之利用真空热处理是利用辐射之原理,可使加热均温而复杂之加热与冷却及多目的之热处理,在真空炉之使用是一件极简单的操作方式。


  1.模具材料之选择


  (a)用者观点:耐磨性、韧性、耐热性、耐蚀性、离型性、镜面性。


  (b)制造者观点:被削性、热处理特性、被研磨性、表面处理、焊接及放电加工。


  由此可知,选择材料必须相当谨慎,当购入钢材时,必需向制造者或贩卖者索取相关之热处理特性等资料,提供给热处理者以利作业。


  2.材料取材之方向


  钢材取用方向不正确而易发生龟裂,因材料在制造过程中,塑性加工是有方向性,若取材不定,热处理变形也不一定,即有时大,有时小,有时膨胀,有时收缩。使用模具,受力方向应于材料的压延方向垂直。


  3.调质处理可减少热处理时之尺寸变化。


  下列二种试料是由真空淬火变形量之测定:


  (a)试料A:素材机械加工细加工热处理。


  (b)试料B:素材烧钝机械加工烧钝细加工热处理。


  模具钢真空热处理经烧钝后再热处理,其变形量很少,而尺寸之变化情形与钢材制造之压延方向有很大的关系(W为压延方向,L与H的尺寸则减少,而W为增功),故取材之方向要特别注意。


  4.淬火温度之选择


  一般认为较高温度淬火,则硬度较高,其实不然,以日本jis规格SKD-11为例,在1025?C淬火,得最高硬度HRC65,如果超过1050?C淬火,则硬度反而下降,即残留沃斯田铁太多,而且韧性减少,但高温淬火的模具,在其高温回火硬度高,适用于线切割之模具及热间使用之模具,而低温淬火之模具硬度较低,因而韧性较佳,适用于冷间模具和较大型之模具,一般社会常用工具钢SKD-11为1000~1020?CSKD-11为980C~1020?CSKH-9为1150~1180?C淬火较适合。


  5、淬火后回火常发生的问题


  模具淬火后,其组织即硬又耐磨之麻田散铁为消除淬火脆性,提高韧性,增加尺寸之稳定,而未回火的模具在室温长期保存或使用,麻田散铁将进行缓慢的分解,其体积效应将导致零件尺寸之改变,这对精密零件是不允许的,只要经120?C—150?C的低温回火就可完全避免麻田散铁在室温下继续分解。淬火之模具必须冷到60?C左右才可进行回火,因此时钢铁尚未变态为麻田散铁,另要注意一点淬油或淬水之模具钢,必须马上进行回火,否则可能很快就产生龟裂。


  6、设计不良所导致之淬火龟裂


  淬火龟裂通常是发生在锐角或有孔部分,也是淬火变形的主要原因,设计应考虑图形及形状的均衡,较复杂的模具必须使用空冷之硬化钢,即实施真空淬火之钢种较不容易龟裂,因淬油之冷却速度很快,容易变形及龟裂。模具若有盲孔,最好填满耐火以防龟裂。


  7、模具钢真空热处理后的加工问题


  (a)研磨龟裂:?研磨不当:研磨量太多,冷却不足,温度超过变态点生成麻田散铁冷却即产生龟裂,若超过回火温度则软化,研磨后必须要再回火,但回火温度要比原来之回火温度低,硬度才不会下降,且时间要比原来多两倍。研磨方向必须沿着使用方向研磨。


  热处理不当:沃斯田铁化温度太高,造成粗大组织和残留沃斯田铁太多,或回火时间太短及回火温度太低,都会造成研磨龟裂。


  8、变形之校正方法


  可以利用回火温度来修正模具之变形。


  模具钢真空热处理的技术已超于实用化,如真空硬焊及粉末冶金之真空热处理也被广泛的使用,且真空淬火具有下列之优点,减少变形、表面辉面、不脱碳、不腐蚀、品质相当稳定,因此随着真空炉之发展,模具之发展,品质亦大大的提高。但要制造一个高品质的模具必须要花相当大的精神与金钱,稍微有点差错,可能就会全功尽弃。


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