10bar真空高压气淬炉在压铸模具热处理中的应用

威途真空炉

随着人们环境保护意识的不断增强，危害环境的行为逐渐受到日益严格的限制或禁止。由于真空热处理无污染，故近年来在我国发展非常迅速。目前6 bar真空气淬炉使用已较普遍，但大型模具在6bar真空气淬炉中热处理时，冷却速度不理想，对模具的冲击韧性、使用寿命有很大影响。为提高模具使用寿命，人们对怎样提高真空炉冷却速度，产生了浓厚的兴趣，提高真空炉冷却气压是一条提高真空炉冷却速度的十分有效的途径，因此10 bar真空气淬炉成了人们关注的热点。由于时间较仓促，6 bar真空气淬炉与10 bar真空气淬炉的对
比试验尚未能充分进行，技术数据的收集亦有所欠缺。因此，本文仅作为对10 bar真空气淬炉在压铸模具热处理应用之中的一个粗浅探讨，不妥之处尚祈业界同仁不吝赐教。
1 传统工艺方法
压铸模具淬火时，为了防止表面氧化脱碳、变形、开裂，传统工艺是采用脱氧良好的氯化钡高温盐浴或用保护气氛电炉加热，或者装箱保护后在普通箱式电炉中加热。我们过去采用高温盐浴加热，存在很多问题：
①热处理劳动强度大，工作环境恶劣，加热时放出的气体，废弃的炉渣、盐、旧电炉对环境造成污染，且盐浴处理已受到限制。 ?
② 盐浴淬火后的工件表面易被盐浴腐蚀，即使工件经清洗磨削加工后，在使用中也容易生锈，导致工件使用寿命降低。
③ 盐浴处理由于加热速度快，工件截面温差大，由热应力引起的变形量增大。
④ 盐浴淬火过程中冷却不均匀，易出现软点，造成硬度不均匀，使用寿命下降。
2 真空热处理
真空热处理具有如下优点：
①高效率、低能耗、无污染、劳动强度低、产品质量高。
②工件在真空加热中无氧化、无脱碳、可脱脂、可除气(特别是模具内部的有害气体氢等)、表面洁净光亮，表面性能亦得到明显改善，可提高耐磨性，疲劳强度等。
③真空加热中升温速度可控，模具截面温差小，由热应力引起的变形小，比盐浴淬火变形量小70％左右。淬火时冷却气体可在360度范围内对工件进行喷射冷却，冷却较均匀，工件不会出现软点，淬火硬度均匀。
3.10 bar真空高压气淬炉
压铸模的寿命取决于多种因素，如材料的化学成分、冶炼工艺、金相组织、模具的设计与机械加工、模具规格、模具的使用和维护，以及锻造工艺，热处理工艺等。压铸模主要失效形式有两种：
①热龟裂。热龟裂典型的裂纹为网状分布的龟纹状裂纹，亦有在温度较高及应力集中部位产生的小裂纹。
②严重开裂。严重开裂是在模具使用中突然发生的。常常在模具表面应力集中处萌生裂纹源，最后以脆性断裂突然开裂，造成模具报废。此种失效形式对模具寿命危害最大。实践经验证明，模具寿命长短主要取决于材料
性能的优劣，优良的模具材料应具有推迟裂纹的萌生和扩展的能力。提高模具寿命的关键在于：
①高温时材料抗塑性变形的能力，即高温屈服
强度和高温下材料的抗回火能力高，硬度不易下降。
②热传导性好，热膨胀性低。
③ 吸收塑性变形的能力高，即延展性高，冲击韧性及断裂韧性好。模具材料的上述性能，主要取决于钢的化学成分及金相组织，而冶炼工艺是获得材料优质性能的关键。虽然模具开裂的起因是模具在使用过程中经受热负荷及机械负荷所致，但模具材料的韧性差，常常是重要因素。提高模具回火温度以降低硬度，是提高模具抗严重开裂的一种选择，但是较高的屈服强度、较高的硬度，却有利于抗热龟裂。为兼顾两者以提高模具寿命，应注重改善材料的显微组织结构，除冶炼方面，要尽量降低非金属夹杂物、细化碳化物、均匀成分外，热处理工序也是提高模具寿命的关键手段。在热处理工艺的诸多影响因素中，冷却速度的选择至关重要，它对模具的韧性影响很大。压铸模常用的H13钢具有较高的淬透性，厚度100mm以下的H13钢在风冷条件下，即能获得马氏体组织；但在800～600℃温区缓冷或冷却速度不足够时，有二次碳化物沿晶界析出的倾向，在马氏体转变点以上缓冷或冷却速度不够时，会有贝氏体形成。大型模具在热处理时对淬火冷却速度的要求更高，6 bar真空气淬炉淬火冷却速度远远不能满足。某厂有效厚度为280mm的模具在6 bar真空气淬炉中淬火时，由于冷却不足，形成上贝氏体组织，致使模具脆性增大，仅使用了数百模次即发生了严重开裂。

　　提高真空气淬炉的冷却速度方法有：
①采用大换热器，以降低淬火气体温度；
②选用热传导能力高的气体，常用气体的导热性能为：(H2)：(He)：(N2)：( )=2．2：1．7：l：0．7，从成本和安全方面考虑，大都选用N2气；

　　③加大气体流速、流量；④提高冷却气体压强。其中采用大换热器，选用热传导能力高的气体都有一定限度，经综合分析比较，认为采用高压高流率的气冷真空炉比较经济合理。鉴于国内技术成熟情况，选择了10 bar真空高压高流率气淬真空炉。
4 .10 bar真空高压气淬炉结构和性能;我厂使用的lObar真空高压气淬炉是北京华海生产的VCQ一240型高压高流率气冷真空炉。VCQ一240型高压高流率气冷真空炉是采用石墨管加热，用石墨硬毡隔热屏隔热的单室卧式真空炉。该设备由压力炉体、加热室、风冷系统、对流加热装置真空系统、充气系统、气动系统、水冷系统、炉外料车及电气控制系统等组成。主要适用于气冷工模具钢等合金钢的真空光亮淬火，也可适用于其它真空热处理、真空烧结和真空钎焊等。
4．1 炉体与炉门均为双壁水冷结构，炉体与炉门之间采用双向密封结构，用锁紧圈锁紧，保证了真空炉在负压和高压气冷时的密封。加热室设计为圆筒形。由框架及石墨毡组成隔热屏，隔热层由四层石墨毡和一层钼片组成。加热元件为24根石墨管，采用三角形接法，沿加热区圆周均匀分布，以提供良好的炉温均匀性。炉床置于在炉体中的炉床支座上。炉床上装有使之与工件绝缘的氧化铝隔条，防止工件受污染及意外连电熔化。
4．2 真空系统有KT一600型扩散泵(抽速为20 000L／S)，前级泵为ZJ一600型罗茨泵(抽速为600 L／S)和H一150型滑阀泵。在泵抽空能力的选择上，相对于容器的容积具有充分储备，保证了迅速抽空。所有阀由电气动实施控制。如果突然停电，所有阀立即自动关闭，以确保炉内的真空环境。
4．3 气冷系统由处于密封状态下的增压风机、热交换器、气流分配套(即气压箱)及喷嘴组成。热交换器和风机位于真空炉主体的后部。风机出口处设有导风装置。冷却气体通过8个风道口进入气压箱，通过192个喷嘴对工件进行360度范围内的喷射冷却，然后由已经打开的加热室前后端活动门流出，返回热交换器进行循环冷却。石墨喷嘴可以更换。气冷压力在0．1～0．9MPa(表压)范围内，可任意选择，如2 bar、4 bar、6 bar、8 bar、10 bar等。
真空炉的前端装有对流加热装置。低温加热时可对工件进行对流加热，以提高低温加热均匀性，缩短加热时间，缩小工件温差，有利于减少加热变形。
主要性能如下：
1)有效加热尺寸：1200 mm×800 mm×800 mm (L×W×H)；

　　2)炉温均匀性：±5℃；

　　3)最高工作温度：1320℃；

　　4)装炉量：1000 kg；

　　5)极限真空度：4×10-3Pa；

　　6)工作真空度：(1O～4)×10－2Pa；

　　7)最大淬火压力：10 bar；

　　8)压升率：≤O．67 Pa／h。
5 工艺试验及分析
5．1 试验用料及试验方法
试验用料：4Cr5MoSiV1模具，实际装炉量1．5 T左右。
试验方法：用仪表测温系统和试样心部测温系统分别检测加热和冷却全过程，考核该炉型加热和冷却性能。
试验工艺曲线如图1所示。4Cr5MoSiV1模具经650℃,850℃两级预热后，在1040℃淬火，保温时间均为心部到温后，再加热半小时。

　　
5．2 试验结果及分析
试验结果如表1所示。从表1中可以看出，该炉型具有良好的加热性能，装炉量1．5 T左右，加热时间为1O～12 h，保温时间2 h左右。其冷却性能比较高，1O40℃冷至800℃的冷却时间约为l2～20 min左右，1040℃冷至200℃的时间一般为1.5 h左右，并可以根据需要调整设定冷却曲线，以满足不同模具的要求。

　　
图2所示是一件有效厚度为280 mm模具的金相组织，在某厂6 bar真空气淬炉中淬火时，由于冷却不足产生上贝氏体组织，增加了模具脆性，仅使用
了数百模次即发生严重断裂。

　　
图3所示，是一件有效厚度为320 mm的模具经10 bar真空气淬炉处理后之金相组织，由于冷却速度加快，组织转变正常。该模具已使用了lO万余模次，还在正常生产。试验证明10 bar真空高压气淬炉能满足大型压铸模具对热处理的质量要求。但10 bar真空高压气淬炉由于冷却速度加快，模具变形量也相应增大，需要进一步研究如何降低大型模具在高压气淬的变形问题。

　　6 生产应用情况
我厂多年来采用10 bar真空高压气淬炉，热处理模具已达几千余吨，其中大型模具，有效厚度一般为200 mm以上，最厚达380 mm，长度多为1000 mm左右，宽600 mm左右。材料为国产H13，处理1000余付。正常使用寿命均在5万模以上。小型模具(重量200 kg以下)国产材料正常使用寿命达lO多万模次，进口材料寿命达20余万模次。

　　10bar真空高压气淬炉由于冷却速度快，所以能有效的阻止大型模具在淬火冷却时碳化物的析出，也有效的阻止了贝氏体的产生，从而有效的提高了模具的韧性，使模具寿命得到了大幅提高，产生了巨大的社会效益。在大型模具淬火时，使用10bar真空高压气淬炉是十分必要的。