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真空热处理在工模具中的多种问题解决措施

康攀
2019-11-21 04:47

真空热处理作为一种绿色环保技术,经过多年的发展,特别是高压气淬炉的广泛应用,使得工模具的真空热处理具有很多优势:无污染;一次装炉量大;节能;少无氧化脱碳;控温精度高;自动控制程度高,操作过程受人为因素影响小等,在我厂的工模具热处理中得到了成功应用。但同时在生产中也遇到了许多问题,这些问题牵扯的面较广,通过一一分析,制定了解决的措施,取得了一定的经验,下面就真空热处理在工模具中的应用及常见问题分析和解决对策,做出回顾总结。

一、小刀具的真空淬火

直径6mm以下的小刀具由于变形、容易掉落盐浴中等问题无法直接在盐浴中加热淬火,需制作专用工装,装套筒隔盐加热。虽然对套筒进行预抽真空,但受预抽真空的程度、套筒本身的氧化状态、盐炉温度波动大等影响所淬刀具还是会产生氧化脱碳、硬度稳定性差等问题。采用自动控制的真空炉加热淬火,很好的解决了这些问题,质量稳定性大大提高,而且一次装炉量大,省时省力。但在真空淬火时又遇到其他一些问题:

1.淬火后刀具相互粘连问题

对于细长杆状的小刀具,为防止加热变形,装炉要求自然垂直竖立。生产上采用装入套筒的方法,即将几十件刀具理顺插入一个套筒中立直。为防止刀具歪斜,必须使套筒内的刀具紧密靠拢。在这种情况下真空淬火后时常出现刀具粘连的现象,严重时粘成一团很难磕开。造成粘连的原因是由于铬等合金元素在真空状态下蒸发,蒸发出来的气体状金属粘附在刀具表面造成相互粘连,不仅污染表面影响光度,还会造成工件表面硬度低、软点等问题。

为减小或防止粘连必须注意,加热到850℃以上时及时回充氮气分压,通过降低真空度防止这类现象的产生。对这种密集排列的情况而言,回充氮气的分压应保持在800~1000Pa才能使淬火的刀具光亮无粘连。

2.真空淬火的刀具不耐回火,硬度低

国产真空炉,6bar压力淬火的普通高速钢刀具,560℃回火后没有二次硬化现象,有时甚至存在硬度下降的趋势,反映出的结果是不耐回火。为防止回火时硬度下降,我们选用下限温度540~550℃回火。

高速钢刀具在热处理过程中冷却速度是一个极为重要的因素,理想的冷却速度是“快”到可以使其在奥氏体化温度达到的平衡状态能“冻结”下来,这种状态的钢进行适当的回火将具有最佳的韧性和硬度。但在实际淬火时,存在着使溶于奥氏体中的碳化物重新析出的倾向,特别是在1000~800℃范围其析出速度达到峰值。这种过共析碳化物的析出使基体中的碳和合金元素贫乏,从而降低钢在回火时产生二次硬化的势能,还会降低钢的硬度和韧性。法国爱和高速钢公司对1000~800℃之间的不同冷却速率对最终硬度的影响进行了试验研究,认为要避免硬度的损失,必须以至少7℃/s的速度冷却,这时淬火的压力应达到10bar,而且炉内气体的吹向、循环及冷却方式等也要设置合理。

3.同炉淬火的刀具红硬性有差别

真空炉淬火的刀具,经正常温度回火后硬度均匀性较好,偏差1.5HRC左右。但经590~600℃回火后硬度偏差加大。用法国爱和公司EM35钴高速钢制作的M3以下规格的丝锥,同炉淬火550℃回火三次后,硬度65.7~66.8HRC(见图1),均匀性很好。再经600℃×2h回火后,硬度高低不均(见图2)。

图1 1210℃淬火,550℃回火三次

图2 1210℃淬火,550℃回火两次+660℃回火1次

由图2可以看出,高温回火后,硬度大约10%在62~63HRC,20%在65~66HRC,其余70%为63~65HRC。600℃回火后硬度散差加大说明在红硬性上有差别。

真空炉中的加热主要依靠辐射传热的方式进行,对流传热作用很少,因此靠近加热元件的刀具比“背阴”(不直接面向辐射体的一方)处要快,相应的在淬火加热温度下的保温时间也就不同,碳化物的溶解程度不同,致使红硬性上有差别。另外360°方向吹气冷却的真空炉,气流吹向负载的周边,四周比心部的冷却要快,进一步加剧了红硬性的差别。要想解决这种差异,一方面适当延长淬火保温时间,保证炉内各部位的刀具都烧透,另一方面真空炉本身的冷却方式、冷却速度也有影响,如冷却风机的启动方式、炉内气体的流向等。目前,真空炉气体的冷却方式除360°圆周冷却方式外还有上下方形冷却方式,上下方形冷却时气流穿过负载,有利于多层放置的小工件。所以,应根据工件的特点选用相应的炉型。

二、真空淬火的变形问题

大家普遍认为淬火变形小是真空淬火的优势之一,但在实际生产中并非完全如此,对于细长杆件和薄的圆片状刀具,圆周360°冷却的真空炉淬火的变形量远远大于盐浴淬火。真空炉中淬火时气体流向对工件的淬火变形有着至关重要的意义。圆周冷却方式冷却时气体流向工件四周,易导致工件变形,而上下方形冷却方式气体能均匀流经竖直放置的工件,变形要小。

为避免工件淬火变形,装炉方式也很重要,原则上气体应均匀流经工件,工件不能因自身重量或相互挤压而变形。

三、真空淬火脱碳问题

在真空加热时,由于氧分子稀薄,氧的分解压很低,氧化作用被抑制,通常情况下不会在加热过程中发生氧化、脱碳以及其它化学腐蚀。但是,对于已存在脱碳层的工件,在真空状态加热时表面脱碳层有加深、加剧的情况发生。为什么在真空状态脱碳层会加重,既然与氧的反应被抑制,那么可能是与碳原子在金属内的扩散有关。加热时在脱碳与未脱碳的交界区碳原子会向低碳区发生扩散,真空加热的时间又长,致使脱碳层加深。因此,千万不要认为真空不氧化就把表面略有脱碳的工件放入真空炉加热,这有可能使得脱碳更严重,影响成活硬度。

四、真空炉炉体材质对产品质量的影响

由于高速钢是高温淬火,炉体保温材质的性能除了对设备使用寿命、降低生产成本有着很大的影响外,对热处理的效果及产品质量也有很大的影响。

我们在2012年对真空炉进行了大修,更换了炉胆、加热元件等部件,由于忽视了炉胆碳素纤维的质量,维修后按正常工艺淬火回火的刀具硬度居高不下,逐步反复提温回火至600℃才将其硬度降至63~66HRC,但该批刀具发往用户后,用户复检时发现硬度只有58~60HRC。再次分析前后硬度差异的原因,这才恍然大悟原来淬火回火后的高硬度仅限于表面层,热处理后机加工把表面的高硬度层磨掉了,刀具内部真实的硬度并不高。至于表面高硬度是由于新炉胆碳纤维中的碳挥发,在高温加热过程中碳原子渗入刀具表面,造成了硬度高的假象。由于忽视了设备的影响,采取了错误的工艺措施,导致了废品。

此外,炉内挥发的碳纤维还会污染加热元件,严重时使加热元件放电打火,一旦打火的火弧冲击到工件上,就会造成工件表面局部烧伤,影响质量。我们的Cr12MoV模具板件当时有过烧伤三次的教训。这种碳纤维的污染一直经历了半年的挥发、抽气才慢慢消去。因此,在确定炉衬时应注意选用密度高、质量好或者经过一些表面处理工艺进行保护的碳素纤维材料。

真空热处理是清洁、节能、先进的热处理技术,但在实际应用中还需要注意一些问题,只有不断掌握规律,采取措施,扬长避短,才能充分发挥其特有的优势。

摘自《金属加工(热加工)》杂志


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