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工模具热处理-不锈钢热处理
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作者:鼎言热处理
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发布时间: 2019-11-04
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工模具热处理-不锈钢热处理
(1)刀具热处理刀具热处理是刀具生产制造中最重要的环节,其质量好坏直接关系到企业的经济效益和市场竞争成败
刀具热处理仍以盐浴炉为主,很少用真空炉和网带炉。以下重点介绍高速钢刀具的预备热处理、淬火及表面强化工艺
1)高速钢刀具的预备热处理。预备热处理包括退火、调质和去应力退火三大类高速钢又称风钢,加热到相变温度以上,在空气中就可以淬火,经轧制和锻造后均有较高的硬度,为使其软化便于切削加工,必须进行退火处理。退火工艺有普通退火、等温退火、高温退火等多种方法。经拉、拔、挤等塑性变形方法加工的毛坯,为消除冷作硬化应进行低温去应力退火;对于形状复杂、切削加工量较大或细长、薄片状工具,为了减少热处理畸变或淬火裂纹,常进行550~600℃×4h去应力退火为了改善高速钢毛坯的可加工性,特别是铣削加工性能,应经不完全加热淬火、高温回火,使毛坯达到32~38HRC的硬度。
预备热处理要掌握好温度,防止氧化脱碳。
2)高速钢刀具的淬火回火处理。夹具对热处理质量的影响越来越引起人们的重视,不同的刀具淬火应设计制造出合适的夹具,有些刀具热处理难度很大,其实就难在淬火夹具上高速钢含有较多的合金元素,导热性能较差,需要进行两次甚至三次预热。比较可靠实用的方法是在450~500℃的井式炉中先烘干水分,避免湿工件进炉爆炸,飞液溅出伤人预热温度一般为850~870℃,预热时间为加热时间的两倍。盐浴配方(质量分数)为70%BaCl2+30%NaCl。
高速钢刀具高温加热是非常重要又非常难的环节,盐浴成分为100%BaCl2。从增加碳化物溶入量,提高奥氏体合金化程度的角度考虑,奥氏体化温度越高越好,以便提高钢的耐磨性和热硬性;但从细化晶粒,提高韧性的角度考虑,加热温度不宜太高。不同牌号有不同的加热温度,同一牌号钢制作不同刀具,加热温度相差也很大,也就是说,制订热处理工艺应该个性化。不管何种刀具,在制订热处理工艺时,必须了解刀具加工的对象在满足韧性的前提下,温度高比温度低优越。加热时间严格地讲应定义为浸液时间更科学,因为它对刀具在高温加热状态给以定性定量的描述。如何确定浸液时间涉及有效直径(或有效厚度)问题,它是计算浸液时间的依据。不同形状的工件计算方法是不同的以下经验估算可供参考。
①圆棒形刀具(如麻花钻)以外径计算。
②扁平形刀具(如车刀)以厚度计算。
3空心圆柱体(如滚刀)以外径与内径之差的一半计算。
④空心圆锥体(如指形铣刀)以外径乘以0.8计算。
⑤圆锥体以距大端L3处的外径计算。
⑥球体以球径乘以0.6计算。
⑦不规则形状的刀具以主要工作尺寸计算。
⑧特殊工件则按经验法测算
理论上讲,高速钢刀具的加热系数按8-15s/mm来计算,但实际上不同尺寸加热系数是不一样的。表1-1列出了高速钢刀具不同尺寸的加热系数。
有些生产单位在实践中总结出加热时间的经验公式为:加热时间=30+加热系数×有效直径。例如,d10mm钻头在高温炉中的加热时间=30s+10mmx10/mm=130s
对于不同种类、不同规格、不同使用条件下的刀具,选择淬火加热温度和加热时间应以奥氏体晶粒度和碳化物溶解程度为主要依据,以便得到耐磨性、热硬性同韧性的最佳配合从而最大限度地提高刀具的寿命。
以上提供的加热系数,是以单件加热作为计算加热时间的依据的。在实际生产大量装炉时,还必须考虑诸多因素,如加热炉的炉型、结构、功率,控制电流的大小,升温速度的快慢,装炉方式、装炉量多少,以及预热情况等来确定最终的加热时间。
在加热时,对于两个重要的工艺参数,即加热温度和加热时间,两者相比,温度是第一位的,但也丝毫不能忽视时间的作用。两者综合作用可用淬火参量来表达:
高速钢刀具淬火冷却已很少用油冷,大多数用分级淬火或者等温淬火。分级淬火(简称为分级)即在480~560℃中性盐浴中冷却,冷却时间同高温加热时间,分级后放在空气中冷却至室温。中性盐浴配方(质量分数)为:48%CaCl2+31%BaC2+21%NaCl。对于形状复杂、易于变形的工件采用分级等温淬火,即在480~560℃中性盐浴分级冷却后立即转入24080℃硝盐浴中等温0.5~2h。硝盐浴的配方(质量分数)为:55%KNO3+45%NaNO2。
高速钢刀具淬火冷却至室温清洗干净后,应立即进行回火,从淬火到回火的间隔时间最好不要超过12h,一般在8h之内就能完成。回火应达到最佳的碳化物二次析出二次硬化效应、残留奥氏体充分转变和残余应力彻底消除三大目的。高速钢回火也有一个回火参量经验公式
大多数高速钢的二次硬化峰均在550℃左右,所以回火温度一般都定在550℃。回火介质为质量分数为100%的NaNO3或质量分数为100%的KNO3,3次回火,每次保温1h,等温淬火因残留奥氏体较多,需进行4次回火。回火后一定要冷至室温才能进行下一次回火。高性能高速钢经50℃回火后硬度大多会超过681BC,但超硬高速钢也不能超硬度。如果硬度超过68HRC,一般情况下提高回火温度至590℃,使之降至67.5-67HRC较佳。
3)高速钢刀具的表面强化技术。高速钢刀具加工成品后,有时还要进行表面强化处理,以进一步提高刀具的使用寿命。常用方法有如下几种
①蒸汽处理。这是刀具比较老也比较实用的表面强化方法,目前主要用于钻头、丝锥等刀具。蒸汽处理是使刀具在过热的蒸汽中加热,表面形成1~5m厚的致密的蓝黑色Fe3O4氧化膜的方法。通过蒸汽处理,不仅使刀具外观漂亮,而且提高了耐蚀性,减小了摩擦因数,能使刀具寿命提高20%~30%。
②氧氮共渗(氧氮化)。氧氮共渗是目前我国在麻花钻上应用最多的表面强化方法。它是在含氧和氮的气氛中进行的化学热处理方法。渗层内部为氮的扩散层,外层为氧化膜,渗氮层具有很高的耐磨性,氧化膜主要起防锈作用,对提高切削性能也有好处。共渗层的硬度为900-150HV,氧化膜厚度为1-5μm,共渗层的深度为15~45μm。氧氮共渗一般能提高钻头寿命50%~80%。
③QPQ盐浴复合处理。此项工艺国家曾在“八五”期间重点推广。QPQ盐浴复合处理的方法是:将刀具去油后,经预热,在渗氮盐浴中渗氮,然后浸入到氧化盐浴中氧化,出炉后空冷、清洗、干燥、上油。
ρPQ盐浴复合处理能大幅度提高刀具的寿命,而且可以大大降低刀具寿命的分散提高刀具寿命的稳定性。
④无污染硫氮碳共渗。这种工艺处理后,渗层中除氮碳以外还含有硫。硫在刀具表面上还有润滑和减摩作用。这种工艺通常可提高刀具寿命1~2倍
⑤物理气相沉积(PVD)。目前在刀具上应用的主要是沉积TN的离子镀技术。物理气相沉积的方法有反应溅射、空心阴极离子镀、热阴极等,以及离子弧源离子镀、多弧离子镀等。
物理气相沉积后,刀具表面形成2~5um的TN层,其硬度为1800-2200V。TN层有很高的耐磨性,一般可提高刀具寿命2-5倍,提高切削效率30%左右,尤其适用于齿轮滚刀之类的切齿刀具。
物理气相沉积技术发展很快,不仅能沉积一层,而且能沉积多层;不仅能沉积硬层,而且能沉积MoS2之类的软层。因此,物理气相沉积技术可满足刀具不同沉积层的需求。除了上述5种表面强化技术外,还有激光表面强化、多元共渗、滑化处理、渗氮处理涂覆磷镍合金等。
(2)量具热处理
1)量具的预备热处理。量具的预备热处理包括退火、正火、消除网状碳化物处理及调质等
①退火。退火一般多采用等温退火
②正火。正火可改善一些中碳钢量具的原始组织,降低表面粗糙度值和提高强度。正火可作为预备热处理,也可以作为最终热处理
③消除网状碳化物处理。如果过共析钢中网状碳化物较严重或组织粗大,淬火时易产生裂纹。淬火前这类不良组织可以用适当的预备热处理方法来减轻或消除,方法是将钢加热到稍高于或接近于Ac温度,保持一定时间使碳化物全部或大部分溶入奥氏体并适当均匀化然后快冷,使碳化物不致沿晶界析出,再在Ac1以下合适的温度回火或正常退火,以调整到所需的硬度和组织。
④调质。调质可使工件加工后得到较低的表面粗糙度值,并细化淬火前的组织,消除机械加工应力,减少热处理畸变,使工件得到均匀而稍高的淬火硬度
2)量具的最终热处理。量具的最终热处理包括淬火、回火、冷处理、时效处理和矫直等
①淬火。淬火宜用盐浴炉、真空炉、可控气氛加热炉加热。为减少变形,除普通淬火冷却外,也可选择分级淬火或等温淬火
②回火。回火以在硝盐浴或油中回火为宜。不进行冷处理的量具,淬火后应立即回火以免产生裂纹
③冷处理。对尺寸稳定性要求高的量具,淬火后冷至室温立即进行冷处理(-70-80℃或-190℃),以使残留奥氏体尽可能地转变为马氏体,经冷处理后量具的硬度也会有所提高
④时效处理。人工时效宜在热浴中进行。一般量规(硬度≥62HRC)淬火后进行140160℃×8-10h人工时效(与回火合并进行);要求硬度≥63HRC的量块等则在回火后再进行120℃×48h人工时效,或冷处理与时效处理反复数次的热循环处理。
量具精磨后宜进行120℃×10h时效处理,以去除磨削应力。量具精磨后留出少量研磨余量,然后在室温下存放半年至一年,进行自然时效后再研磨成成品,其效果较好。
物理气相沉积后,刀具表面形成2~5um的TN层,其硬度为1800-2200V。TN层有很高的耐磨性,一般可提高刀具寿命2-5倍,提高切削效率30%左右,尤其适用于齿轮滚刀之类的切齿刀具。
⑤矫直。矫直有冷矫直和热矫直两种。对已发生变形的量具,最好采用热矫直。此外,量具在装配过程中,不允许再进行敲打。
3)量具的热处理技术要求。在国家标准中对各种量具的硬度都有明确的要求,见表12。生产厂应在保证尺寸稳定性的前提下力求高硬度。
量具热处理的显微组织至少应达到JBT9986-2013《工具热处理金相检验》中规定的级别。
4)量块及高尺寸稳定性量规的热处理特点。量块是技术要求最高的长度计量基准,其测量面的硬度不应低于800HV,并对尺寸稳定性有很高的要求。
量块对材料质量的要求比一般量具严格,选用含有Cr、Mo、W、Co等合金元素的过共析钢是合理的;现行的含Cr轴承钢标准对材质要求高,也适宜制造量块;用30Cr13或0Cr13不锈钢渗氮制成的量块硬度可达950~1000HV,研磨后的量具表面粗糙度和色泽均优于淬火钢,且耐蚀性好,其心部为经调质的索氏体组织,尺寸极为稳定。
量块热处理工艺的要点为尽量减少淬火后残留奥氏体量、增加马氏体的正方性以及减少残余应力。因此,GCrl5钢制量块的热处理工艺为经淬火并冷处理及低温回火,可满足上述要求。
GCr15钢量块的热处理工艺路线为:840~860℃加热,油淬→-78℃冷处理→140150℃x1h×3次回火→120℃×48h人工时效→精磨→120℃×10h去应力→研磨。
长度大于100mm的GCr15钢量块,为保证尺寸稳定性可采用两端工作部分淬火的方法。其工艺路线为:整体淬火→280~300℃回火(≥55HRC)→量块端部约10mm浸入盐浴加热水淬→用同样的方法对量块另一端水淬→120~130℃×24h回火;也可以将量块整体淬火,回火后再用感应淬火方法对两端分别淬火、回火。
对于30Cr13、40Cr13钢量块,先经调质处理,得到索氏体组织(硬度为240HBW左右),再经气体渗氮(硬度≥900HV),然后研磨,精度高,尺寸稳定性极佳。其工艺路线为:表面活化处理(喷砂)540-550℃气体渗氮(氨分解率为25%~35%,厚度≤10mm的量块渗氮2h,渗层为0.15-0.18mm;厚度为20~100mm的量块渗氮48h,渗层为0.220.24mm)。
5)磨削缺陷与热处理的关系。由于量具多采用过共析钢,以期淬火后得到高硬度,因此在热处理后磨削时会出现烧伤、裂纹、变形(翘曲)等弊病。
材料或热处理与磨削裂纹没有直接关系,磨削裂纹一般是磨削规范或磨削条件不当造成的。而淬火温度过高,回火不充分造成残留奥氏体过多,残余应力过大,以及存在较严重的网状碳化物和材料导热性差也都能促使磨削裂纹的产生。
量具零件的硬度与磨削裂纹的形成也有关系。硬度<55HRC时,磨削裂纹很少产生;硬度>60HRC时,产生磨削裂纹的概率大为增加,磨削裂纹多在表面发生变色后才出现,烧伤前很少开裂。
零件在磨削后产生的变形(翘曲)与磨削时磨面存在的拉应力有关。在磨削之间插入人工时效处理,合理安排磨削方向、磨削量、进给量、磨削速度,以及在磨削过程中经常翻面,有助于磨削应力达到平衡,从而可减少磨削后的变形。
3)夹具热处理夹具热处理以盐浴炉为主,由于它以单件、小批量为主,热处理质量不稳定,原材料也不规范,热处理难度比较大;不少夹具检测硬度比较难,比如卡瓦的头部、尾部、中间三段硬度各不相同,热处理工艺比较复杂,测量硬度必须破坏其中一个(或用废品替代)。夹具对韧性和强度的要求比较严,因此淬火温度不宜过高,回火要及时,夹具在热处理过程中不可受到侵蚀。
(4)模具热处理模具热处理分预备热处理、最终热处理、表面强化三大部分。模具预备热处理工艺在不断地改革和发展。循环退火工艺、正火处理工艺、消除链状碳化物的工艺、高温双重处理工艺、快速匀细退火工艺、以调质代替退火工艺、快速软化退火工艺等,都在模具预备热处理中发挥了重要作用。
模具最终热处理有常规热处理、低温淬火、高温淬火、真空热处理等。淬火后的回火规范也是形式多样。
低温淬火是在比常规淬火温度低50~100℃或在更低的温度下进行淬火的热处理工艺高速钢模具、高合金钢模具低温淬火工艺比较成熟,已成功应用;但低温淬火工艺不适合在易磨损和镦粗的模具上应用。
高温淬火是在比常规淬火温度高30-80℃的温度下进行淬火的热处理工艺。3C2W8V5 CrNiMo、5 CrMnMo等热作模具高温淬火在某些领域获得了重大成果,解决了不少产品寿命低的关键问题。
真空热处理具有高质量、低能耗、无氧化、无污染等优点,在工模具热处理中得到了广泛运用。多年的实践证明,采用高压气淬比真空油淬更具有优越性。
精湛的热处理技术再加上合适的表面强化技术,将更能发挥材料潜能,提高模具寿命。表面强化技术分三方面:化学热处理表面强化、表面沉积覆层强化及其他表面强化法。
化学热处理表面强化有渗碳、渗硼、渗氮、碳氮共渗、滲金属及多元共渗等;表面沉积覆层强化有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子气相沉积(PCVD)及TD处理;其他表面强化方法有激光表面强化、离子注入表面淬火及火焰淬火等。
1)热作模具的热处理特点。热作模具主要有热锻模、热挤压模、压铸模、热镦模等热作模具在服役根据压铸模的用途不同,要求其有不同的硬度。一般来说,表面硬度越高,耐磨性越好,而且不会使液体金属黏附在模膛上。韧性好的心部和高硬度的表面,能使压铸模有良好的性能。针对上述情况,表面强化技术在压铸模热处理中应发挥重要的作用。
2)冷作模具的热处理特点。冷作模具的种类繁多,结构复杂,模具在使用中受到压缩、拉伸、弯曲、摩擦等作用。因此,要求模具具有高的变形抗力、断裂抗力、耐磨性、疲劳强度等性能。
①大多数冷作模具钢含合金元素较多,导热性差,而奥氏体化温度又高,因此,应缓慢加热,宜采用多次预热或阶梯式升温
②为了提高模具工作面的表面质量,加热介质应予以重视。可控气氛加热炉、真空热处理炉等先进加热设备应优先考虑;盐浴加热有许多长处,但一定要充分脱氧捞渣。
③在达到淬火目的前提下,应采取较缓慢的冷却方法。等温淬火、分级淬火、高压气淬等减少变形的冷却方案都是行之有效的。
④为了进一步提高模具寿命,表面强化工艺应针对性选用。
⑤盐浴处理后应及时清理;工序间注意防锈;酸洗要防氢脆,并及时去氢。
⑥模具使用到一定时期,应取下进行一次去应力处理。
⑦热处理后需线切割或电火花加工的模具,要求模具淬透性高、淬硬层深,并要求热处理后应力最小,因此,需进行二次甚至三次回火,线切割后应补充一次去应力回火。
3)塑料模具的热处理特点。塑料模具的品种多,形状复杂,表面粗糙度值低,制造难度大。塑料模具的热处理并不要整体淬硬,只要表面有一定深度的淬硬层即可,中心则应保持较高的韧性和强度,故有时采用渗碳等化学热处理比较好。要防止表面氧化脱碳,表面应光洁致密,研磨抛光性能要好。
4)玻璃模具的热处理特点。玻璃模具应具有良好的抗氧化性、耐蚀性、导热性、耐冷热疲劳性、耐磨性、切割加工性,以及组织致密均匀、膨胀系数小等性能。针对这一情况,玻璃模具多采用高温回火和表面强化工艺。
(5)其他工具热处理
1)退火。其目的是改善普通工具的可加工性和热处理工艺性能。退火主要采用球化退火,对不易球化的钢可采用循环退火的方法以增进球化效果
2)正火。其目的是细化过热钢的晶粒或消除过共析钢的网状碳化物。普通工具钢正火后通常为片状珠光体组织,一般还要进行球化退火,使珠光体球化
3)调质。调质可使工件加工后得到较低的表面粗糙度值,并细化淬火前钢的组织,减少最终热处理的变形,使工件得到高而均匀的淬火硬度
4)去应力退火。去应力退火主要用于消除因冷塑变形产
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(1)刀具热处理刀具热处理是刀具生产制造中最重要的环节,其质量好坏直接关系到企业的经济效益和市场竞争成败
刀具热处理仍以盐浴炉为主,很少用真空炉和网带炉。以下重点介绍高速钢刀具的预备热处理、淬火及表面强化工艺
1)高速钢刀具的预备热处理。预备热处理包括退火、调质和去应力退火三大类高速钢又称风钢,加热到相变温度以上,在空气中就可以淬火,经轧制和锻造后均有较高的硬度,为使其软化便于切削加工,必须进行退火处理。退火工艺有普通退火、等温退火、高温退火等多种方法。经拉、拔、挤等塑性变形方法加工的毛坯,为消除冷作硬化应进行低温去应力退火;对于形状复杂、切削加工量较大或细长、薄片状工具,为了减少热处理畸变或淬火裂纹,常进行550~600℃×4h去应力退火为了改善高速钢毛坯的可加工性,特别是铣削加工性能,应经不完全加热淬火、高温回火,使毛坯达到32~38HRC的硬度。
预备热处理要掌握好温度,防止氧化脱碳。
2)高速钢刀具的淬火回火处理。夹具对热处理质量的影响越来越引起人们的重视,不同的刀具淬火应设计制造出合适的夹具,有些刀具热处理难度很大,其实就难在淬火夹具上高速钢含有较多的合金元素,导热性能较差,需要进行两次甚至三次预热。比较可靠实用的方法是在450~500℃的井式炉中先烘干水分,避免湿工件进炉爆炸,飞液溅出伤人预热温度一般为850~870℃,预热时间为加热时间的两倍。盐浴配方(质量分数)为70%BaCl2+30%NaCl。
高速钢刀具高温加热是非常重要又非常难的环节,盐浴成分为100%BaCl2。从增加碳化物溶入量,提高奥氏体合金化程度的角度考虑,奥氏体化温度越高越好,以便提高钢的耐磨性和热硬性;但从细化晶粒,提高韧性的角度考虑,加热温度不宜太高。不同牌号有不同的加热温度,同一牌号钢制作不同刀具,加热温度相差也很大,也就是说,制订热处理工艺应该个性化。不管何种刀具,在制订热处理工艺时,必须了解刀具加工的对象在满足韧性的前提下,温度高比温度低优越。加热时间严格地讲应定义为浸液时间更科学,因为它对刀具在高温加热状态给以定性定量的描述。如何确定浸液时间涉及有效直径(或有效厚度)问题,它是计算浸液时间的依据。不同形状的工件计算方法是不同的以下经验估算可供参考。
①圆棒形刀具(如麻花钻)以外径计算。
②扁平形刀具(如车刀)以厚度计算。
3空心圆柱体(如滚刀)以外径与内径之差的一半计算。
④空心圆锥体(如指形铣刀)以外径乘以0.8计算。
⑤圆锥体以距大端L3处的外径计算。
⑥球体以球径乘以0.6计算。
⑦不规则形状的刀具以主要工作尺寸计算。
⑧特殊工件则按经验法测算
理论上讲,高速钢刀具的加热系数按8-15s/mm来计算,但实际上不同尺寸加热系数是不一样的。表1-1列出了高速钢刀具不同尺寸的加热系数。
对于不同种类、不同规格、不同使用条件下的刀具,选择淬火加热温度和加热时间应以奥氏体晶粒度和碳化物溶解程度为主要依据,以便得到耐磨性、热硬性同韧性的最佳配合从而最大限度地提高刀具的寿命。
以上提供的加热系数,是以单件加热作为计算加热时间的依据的。在实际生产大量装炉时,还必须考虑诸多因素,如加热炉的炉型、结构、功率,控制电流的大小,升温速度的快慢,装炉方式、装炉量多少,以及预热情况等来确定最终的加热时间。
在加热时,对于两个重要的工艺参数,即加热温度和加热时间,两者相比,温度是第一位的,但也丝毫不能忽视时间的作用。两者综合作用可用淬火参量来表达:
P=7(37+lg
式中P—淬火参量
7—淬火加热温度(K);
—淬火加热时间(s)。
简单地说,高温短时间和低温长时间两种情况,只要淬火参量相同,那么,热处理后的效果应该是一致的,作者长期使用的是前者,因为高温加热,效果显著,提高5℃比延长20s有效,而且节能、快速。高速钢刀具淬火冷却已很少用油冷,大多数用分级淬火或者等温淬火。分级淬火(简称为分级)即在480~560℃中性盐浴中冷却,冷却时间同高温加热时间,分级后放在空气中冷却至室温。中性盐浴配方(质量分数)为:48%CaCl2+31%BaC2+21%NaCl。对于形状复杂、易于变形的工件采用分级等温淬火,即在480~560℃中性盐浴分级冷却后立即转入24080℃硝盐浴中等温0.5~2h。硝盐浴的配方(质量分数)为:55%KNO3+45%NaNO2。
高速钢刀具淬火冷却至室温清洗干净后,应立即进行回火,从淬火到回火的间隔时间最好不要超过12h,一般在8h之内就能完成。回火应达到最佳的碳化物二次析出二次硬化效应、残留奥氏体充分转变和残余应力彻底消除三大目的。高速钢回火也有一个回火参量经验公式
P1=T1(20+lgt)
式中P1—回火参量
T1——回火温度(K);
t回火加热时间(h)
尽管回火温度、加热时间不同,但只要回火参量相同,回火的效果就应该是一样的。但这种计算方法在大生产中很难推广大多数高速钢的二次硬化峰均在550℃左右,所以回火温度一般都定在550℃。回火介质为质量分数为100%的NaNO3或质量分数为100%的KNO3,3次回火,每次保温1h,等温淬火因残留奥氏体较多,需进行4次回火。回火后一定要冷至室温才能进行下一次回火。高性能高速钢经50℃回火后硬度大多会超过681BC,但超硬高速钢也不能超硬度。如果硬度超过68HRC,一般情况下提高回火温度至590℃,使之降至67.5-67HRC较佳。
3)高速钢刀具的表面强化技术。高速钢刀具加工成品后,有时还要进行表面强化处理,以进一步提高刀具的使用寿命。常用方法有如下几种
①蒸汽处理。这是刀具比较老也比较实用的表面强化方法,目前主要用于钻头、丝锥等刀具。蒸汽处理是使刀具在过热的蒸汽中加热,表面形成1~5m厚的致密的蓝黑色Fe3O4氧化膜的方法。通过蒸汽处理,不仅使刀具外观漂亮,而且提高了耐蚀性,减小了摩擦因数,能使刀具寿命提高20%~30%。
②氧氮共渗(氧氮化)。氧氮共渗是目前我国在麻花钻上应用最多的表面强化方法。它是在含氧和氮的气氛中进行的化学热处理方法。渗层内部为氮的扩散层,外层为氧化膜,渗氮层具有很高的耐磨性,氧化膜主要起防锈作用,对提高切削性能也有好处。共渗层的硬度为900-150HV,氧化膜厚度为1-5μm,共渗层的深度为15~45μm。氧氮共渗一般能提高钻头寿命50%~80%。
③QPQ盐浴复合处理。此项工艺国家曾在“八五”期间重点推广。QPQ盐浴复合处理的方法是:将刀具去油后,经预热,在渗氮盐浴中渗氮,然后浸入到氧化盐浴中氧化,出炉后空冷、清洗、干燥、上油。
ρPQ盐浴复合处理能大幅度提高刀具的寿命,而且可以大大降低刀具寿命的分散提高刀具寿命的稳定性。
④无污染硫氮碳共渗。这种工艺处理后,渗层中除氮碳以外还含有硫。硫在刀具表面上还有润滑和减摩作用。这种工艺通常可提高刀具寿命1~2倍
⑤物理气相沉积(PVD)。目前在刀具上应用的主要是沉积TN的离子镀技术。物理气相沉积的方法有反应溅射、空心阴极离子镀、热阴极等,以及离子弧源离子镀、多弧离子镀等。
物理气相沉积后,刀具表面形成2~5um的TN层,其硬度为1800-2200V。TN层有很高的耐磨性,一般可提高刀具寿命2-5倍,提高切削效率30%左右,尤其适用于齿轮滚刀之类的切齿刀具。
物理气相沉积技术发展很快,不仅能沉积一层,而且能沉积多层;不仅能沉积硬层,而且能沉积MoS2之类的软层。因此,物理气相沉积技术可满足刀具不同沉积层的需求。除了上述5种表面强化技术外,还有激光表面强化、多元共渗、滑化处理、渗氮处理涂覆磷镍合金等。
(2)量具热处理
1)量具的预备热处理。量具的预备热处理包括退火、正火、消除网状碳化物处理及调质等
①退火。退火一般多采用等温退火
②正火。正火可改善一些中碳钢量具的原始组织,降低表面粗糙度值和提高强度。正火可作为预备热处理,也可以作为最终热处理
③消除网状碳化物处理。如果过共析钢中网状碳化物较严重或组织粗大,淬火时易产生裂纹。淬火前这类不良组织可以用适当的预备热处理方法来减轻或消除,方法是将钢加热到稍高于或接近于Ac温度,保持一定时间使碳化物全部或大部分溶入奥氏体并适当均匀化然后快冷,使碳化物不致沿晶界析出,再在Ac1以下合适的温度回火或正常退火,以调整到所需的硬度和组织。
④调质。调质可使工件加工后得到较低的表面粗糙度值,并细化淬火前的组织,消除机械加工应力,减少热处理畸变,使工件得到均匀而稍高的淬火硬度
2)量具的最终热处理。量具的最终热处理包括淬火、回火、冷处理、时效处理和矫直等
①淬火。淬火宜用盐浴炉、真空炉、可控气氛加热炉加热。为减少变形,除普通淬火冷却外,也可选择分级淬火或等温淬火
②回火。回火以在硝盐浴或油中回火为宜。不进行冷处理的量具,淬火后应立即回火以免产生裂纹
③冷处理。对尺寸稳定性要求高的量具,淬火后冷至室温立即进行冷处理(-70-80℃或-190℃),以使残留奥氏体尽可能地转变为马氏体,经冷处理后量具的硬度也会有所提高
④时效处理。人工时效宜在热浴中进行。一般量规(硬度≥62HRC)淬火后进行140160℃×8-10h人工时效(与回火合并进行);要求硬度≥63HRC的量块等则在回火后再进行120℃×48h人工时效,或冷处理与时效处理反复数次的热循环处理。
量具精磨后宜进行120℃×10h时效处理,以去除磨削应力。量具精磨后留出少量研磨余量,然后在室温下存放半年至一年,进行自然时效后再研磨成成品,其效果较好。
物理气相沉积后,刀具表面形成2~5um的TN层,其硬度为1800-2200V。TN层有很高的耐磨性,一般可提高刀具寿命2-5倍,提高切削效率30%左右,尤其适用于齿轮滚刀之类的切齿刀具。
⑤矫直。矫直有冷矫直和热矫直两种。对已发生变形的量具,最好采用热矫直。此外,量具在装配过程中,不允许再进行敲打。
3)量具的热处理技术要求。在国家标准中对各种量具的硬度都有明确的要求,见表12。生产厂应在保证尺寸稳定性的前提下力求高硬度。
量具热处理的显微组织至少应达到JBT9986-2013《工具热处理金相检验》中规定的级别。
4)量块及高尺寸稳定性量规的热处理特点。量块是技术要求最高的长度计量基准,其测量面的硬度不应低于800HV,并对尺寸稳定性有很高的要求。
量块对材料质量的要求比一般量具严格,选用含有Cr、Mo、W、Co等合金元素的过共析钢是合理的;现行的含Cr轴承钢标准对材质要求高,也适宜制造量块;用30Cr13或0Cr13不锈钢渗氮制成的量块硬度可达950~1000HV,研磨后的量具表面粗糙度和色泽均优于淬火钢,且耐蚀性好,其心部为经调质的索氏体组织,尺寸极为稳定。
量块热处理工艺的要点为尽量减少淬火后残留奥氏体量、增加马氏体的正方性以及减少残余应力。因此,GCrl5钢制量块的热处理工艺为经淬火并冷处理及低温回火,可满足上述要求。
GCr15钢量块的热处理工艺路线为:840~860℃加热,油淬→-78℃冷处理→140150℃x1h×3次回火→120℃×48h人工时效→精磨→120℃×10h去应力→研磨。
长度大于100mm的GCr15钢量块,为保证尺寸稳定性可采用两端工作部分淬火的方法。其工艺路线为:整体淬火→280~300℃回火(≥55HRC)→量块端部约10mm浸入盐浴加热水淬→用同样的方法对量块另一端水淬→120~130℃×24h回火;也可以将量块整体淬火,回火后再用感应淬火方法对两端分别淬火、回火。
对于30Cr13、40Cr13钢量块,先经调质处理,得到索氏体组织(硬度为240HBW左右),再经气体渗氮(硬度≥900HV),然后研磨,精度高,尺寸稳定性极佳。其工艺路线为:表面活化处理(喷砂)540-550℃气体渗氮(氨分解率为25%~35%,厚度≤10mm的量块渗氮2h,渗层为0.15-0.18mm;厚度为20~100mm的量块渗氮48h,渗层为0.220.24mm)。
5)磨削缺陷与热处理的关系。由于量具多采用过共析钢,以期淬火后得到高硬度,因此在热处理后磨削时会出现烧伤、裂纹、变形(翘曲)等弊病。
材料或热处理与磨削裂纹没有直接关系,磨削裂纹一般是磨削规范或磨削条件不当造成的。而淬火温度过高,回火不充分造成残留奥氏体过多,残余应力过大,以及存在较严重的网状碳化物和材料导热性差也都能促使磨削裂纹的产生。
量具零件的硬度与磨削裂纹的形成也有关系。硬度<55HRC时,磨削裂纹很少产生;硬度>60HRC时,产生磨削裂纹的概率大为增加,磨削裂纹多在表面发生变色后才出现,烧伤前很少开裂。
零件在磨削后产生的变形(翘曲)与磨削时磨面存在的拉应力有关。在磨削之间插入人工时效处理,合理安排磨削方向、磨削量、进给量、磨削速度,以及在磨削过程中经常翻面,有助于磨削应力达到平衡,从而可减少磨削后的变形。
3)夹具热处理夹具热处理以盐浴炉为主,由于它以单件、小批量为主,热处理质量不稳定,原材料也不规范,热处理难度比较大;不少夹具检测硬度比较难,比如卡瓦的头部、尾部、中间三段硬度各不相同,热处理工艺比较复杂,测量硬度必须破坏其中一个(或用废品替代)。夹具对韧性和强度的要求比较严,因此淬火温度不宜过高,回火要及时,夹具在热处理过程中不可受到侵蚀。
(4)模具热处理模具热处理分预备热处理、最终热处理、表面强化三大部分。模具预备热处理工艺在不断地改革和发展。循环退火工艺、正火处理工艺、消除链状碳化物的工艺、高温双重处理工艺、快速匀细退火工艺、以调质代替退火工艺、快速软化退火工艺等,都在模具预备热处理中发挥了重要作用。
模具最终热处理有常规热处理、低温淬火、高温淬火、真空热处理等。淬火后的回火规范也是形式多样。
低温淬火是在比常规淬火温度低50~100℃或在更低的温度下进行淬火的热处理工艺高速钢模具、高合金钢模具低温淬火工艺比较成熟,已成功应用;但低温淬火工艺不适合在易磨损和镦粗的模具上应用。
高温淬火是在比常规淬火温度高30-80℃的温度下进行淬火的热处理工艺。3C2W8V5 CrNiMo、5 CrMnMo等热作模具高温淬火在某些领域获得了重大成果,解决了不少产品寿命低的关键问题。
真空热处理具有高质量、低能耗、无氧化、无污染等优点,在工模具热处理中得到了广泛运用。多年的实践证明,采用高压气淬比真空油淬更具有优越性。
精湛的热处理技术再加上合适的表面强化技术,将更能发挥材料潜能,提高模具寿命。表面强化技术分三方面:化学热处理表面强化、表面沉积覆层强化及其他表面强化法。
化学热处理表面强化有渗碳、渗硼、渗氮、碳氮共渗、滲金属及多元共渗等;表面沉积覆层强化有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子气相沉积(PCVD)及TD处理;其他表面强化方法有激光表面强化、离子注入表面淬火及火焰淬火等。
1)热作模具的热处理特点。热作模具主要有热锻模、热挤压模、压铸模、热镦模等热作模具在服役根据压铸模的用途不同,要求其有不同的硬度。一般来说,表面硬度越高,耐磨性越好,而且不会使液体金属黏附在模膛上。韧性好的心部和高硬度的表面,能使压铸模有良好的性能。针对上述情况,表面强化技术在压铸模热处理中应发挥重要的作用。
2)冷作模具的热处理特点。冷作模具的种类繁多,结构复杂,模具在使用中受到压缩、拉伸、弯曲、摩擦等作用。因此,要求模具具有高的变形抗力、断裂抗力、耐磨性、疲劳强度等性能。
①大多数冷作模具钢含合金元素较多,导热性差,而奥氏体化温度又高,因此,应缓慢加热,宜采用多次预热或阶梯式升温
②为了提高模具工作面的表面质量,加热介质应予以重视。可控气氛加热炉、真空热处理炉等先进加热设备应优先考虑;盐浴加热有许多长处,但一定要充分脱氧捞渣。
③在达到淬火目的前提下,应采取较缓慢的冷却方法。等温淬火、分级淬火、高压气淬等减少变形的冷却方案都是行之有效的。
④为了进一步提高模具寿命,表面强化工艺应针对性选用。
⑤盐浴处理后应及时清理;工序间注意防锈;酸洗要防氢脆,并及时去氢。
⑥模具使用到一定时期,应取下进行一次去应力处理。
⑦热处理后需线切割或电火花加工的模具,要求模具淬透性高、淬硬层深,并要求热处理后应力最小,因此,需进行二次甚至三次回火,线切割后应补充一次去应力回火。
3)塑料模具的热处理特点。塑料模具的品种多,形状复杂,表面粗糙度值低,制造难度大。塑料模具的热处理并不要整体淬硬,只要表面有一定深度的淬硬层即可,中心则应保持较高的韧性和强度,故有时采用渗碳等化学热处理比较好。要防止表面氧化脱碳,表面应光洁致密,研磨抛光性能要好。
4)玻璃模具的热处理特点。玻璃模具应具有良好的抗氧化性、耐蚀性、导热性、耐冷热疲劳性、耐磨性、切割加工性,以及组织致密均匀、膨胀系数小等性能。针对这一情况,玻璃模具多采用高温回火和表面强化工艺。
(5)其他工具热处理
1)退火。其目的是改善普通工具的可加工性和热处理工艺性能。退火主要采用球化退火,对不易球化的钢可采用循环退火的方法以增进球化效果
2)正火。其目的是细化过热钢的晶粒或消除过共析钢的网状碳化物。普通工具钢正火后通常为片状珠光体组织,一般还要进行球化退火,使珠光体球化
3)调质。调质可使工件加工后得到较低的表面粗糙度值,并细化淬火前钢的组织,减少最终热处理的变形,使工件得到高而均匀的淬火硬度
4)去应力退火。去应力退火主要用于消除因冷塑变形产
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