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技術(shù)文章

模具零件的熱處理工藝

模具零件的熱處理工藝
選用不同品種鋼材作塑料模具，其化學(xué)成分和力學(xué)性能各不相同，因此制造工藝路線不同；同樣，不同類型塑料模具鋼采用的熱處理工藝也是不同的。本節(jié)主要介紹塑料模具的制造工藝路線和熱處理工藝的特點。
一、塑料模具的制造工藝路線
１.低碳鋼及低碳合金鋼制模具
例如，20，20Cr，20CrMnTi等鋼的工藝路線為：下料→鍛造模坯→退火→機械粗加工→冷擠壓成形→再結(jié)晶退火→機械精加工→滲碳→淬火、回火→研磨拋光→裝配。
2.高合金滲碳鋼制模具
例如12CrNi3A，12CrNi4A鋼的工藝路線為：下料→鍛造模坯→正火并高溫回火→機械粗加工→高溫回火→精加工→滲碳→淬火、回火→研磨拋光→裝配。
3.調(diào)質(zhì)鋼制模具
例如，45，40Cr等鋼的工藝路線為：下料→鍛造模坯→退火→機械粗加工→調(diào)質(zhì)→機械精加工→修整、拋光→裝配。
4.碳素工具鋼及合金工具鋼制模具
例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等鋼的工藝路線為：下料→鍛成模坯→球化退火→機械粗加工→去應(yīng)力退火→機械半精加工→機械精加工→淬火、回火→研磨拋光→裝配。
5.預(yù)硬鋼制模具
例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等鋼。對于直接使用棒料加工的，因供貨狀態(tài)已進(jìn)行了預(yù)硬化處理，可直接加工成形后拋光、裝配。對于要改鍛成坯料后再加工成形的，其工藝路線為：下料→改鍛→球化退火→刨或銑六面→預(yù)硬處理（34～42HRC）→機械粗加工→去應(yīng)力退火→機械精加工→拋光→裝配。
二、塑料模具的熱處理特點
（一）滲碳鋼塑料模的熱處理特點
1.對于有高硬度、高耐磨性和高韌性要求的塑料模具，要選用滲碳鋼來制造，并把滲碳、淬火和低溫回火作為*終熱處理。
2.對滲碳層的要求，一般滲碳層的厚度為0.8～1.5mm，當(dāng)壓制含硬質(zhì)填料的塑料時模具滲碳層厚度要求為1.3～1.5mm，壓制軟性塑料時滲碳層厚度為0.8～1.2mm。滲碳層的含碳量為0.7%～1.0%為佳。若采用碳、氮共滲，則耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化、防粘性就更好。
3.滲碳溫度一般在900～920℃，復(fù)雜型腔的小型模具可取840～860℃中溫碳氮共滲。滲碳保溫時間為5～10h，具體應(yīng)根據(jù)對滲層厚度的要求來選擇。滲碳工藝以采用分級滲碳工藝為宜，即高溫階段（900～920℃）以快速將碳滲入零件表層為主；中溫階段（820～840℃）以增加滲碳層厚度為主，這樣在滲碳層內(nèi)建立均勻合理的碳濃度梯度分布，便于直接淬火。
4.滲碳后的淬火工藝按鋼種不同，滲碳后可分別采用：重新加熱淬火；分級滲碳后直接淬火（如合金滲碳鋼）；中溫碳氮共滲后直接淬火（如用工業(yè)純鐵或低碳鋼冷擠壓成形的小型精密模具）；滲碳后空冷淬火（如高合金滲碳鋼制造的大、中型模具）。
（二）淬硬鋼塑料模的熱處理
1.形狀比較復(fù)雜的模具，在粗加工以后即進(jìn)行熱處理，然后進(jìn)行精加工，才能保證熱處理時變形*小，對于精密模具，變形應(yīng)小于0.05%。
2.塑料模型腔表面要求十分嚴(yán)格，因此在淬火加熱過程中要確保型腔表面不氧化、不脫碳、不侵蝕、不過熱等。應(yīng)在保護(hù)氣氛爐中或在嚴(yán)格脫氧后的鹽浴爐中加熱，若采用普通箱式電阻爐加熱，應(yīng)在模腔面上涂保護(hù)劑，同時要控制加熱速度，冷卻時應(yīng)選擇比較緩和的冷卻介質(zhì)，控制冷卻速度，以避免在淬火過程中產(chǎn)生變形、開裂而報廢。一般以熱浴淬火為佳，也可采用預(yù)冷淬火的方式。
3.淬火后應(yīng)及時回火，回火溫度要高于模具的工作溫度，回火時間應(yīng)充分，長短視模具材料和斷面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。
（三）預(yù)硬鋼塑料模的熱處理
1.預(yù)硬鋼是以預(yù)硬態(tài)供貨的，一般不需熱處理，但有時需進(jìn)行改鍛，改鍛后的模坯必須進(jìn)行熱處理。
2.預(yù)硬鋼的預(yù)先熱處理通常采用球化退火，目的是消除鍛造應(yīng)力，獲得均勻的球狀珠光體組織，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷擠壓成形性能。
3.預(yù)硬鋼的預(yù)硬處理工藝簡單，多數(shù)采用調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后獲得回火索氏體組織。高溫回火的溫度范圍很寬能夠滿足模具的各種工作硬度要求。由于這類鋼淬透性良好，淬火時可采用油冷、空冷或硝鹽分級淬火。表3-27為部分預(yù)硬鋼的預(yù)硬處理工藝，供參考。
表3-27 部分預(yù)硬鋼的預(yù)硬處理工藝
鋼號加熱溫度/℃ 冷卻方式回火溫度/℃ 預(yù)硬硬度HRC
3Cr2Mo 830～840 油冷或160～180℃硝鹽分級 580～650 28～36
5NiSCa 880～930 油冷 550～680 30～45
8Cr2MnWMoVS 860～900 油或空冷 550～620 42～48
P4410 830～860 油冷或硝鹽分級 550～650 35～41
SM1 830～850 油冷 620～660 36～42

（四）時效硬化鋼塑料模的熱處理
1.時效硬化鋼的熱處理工藝分兩步基本工序。首先進(jìn)行固溶處理，即把鋼加熱到高溫，使各種合金元素溶入奧氏體中，完成奧氏體后淬火獲得馬氏體組織。**步進(jìn)行時效處理，利用時效強化達(dá)到*后要求的力學(xué)性能。
2.固溶處理加熱一般在鹽浴爐、箱式爐中進(jìn)行，加熱時間分別可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的鋼種也可空冷。如果鍛造模坯時能準(zhǔn)確控制終鍛溫度，鍛造后可直接進(jìn)行固溶淬火。
3.時效處理*好在真空爐中進(jìn)行，若在箱式爐中進(jìn)行，為防模腔表面氧化，爐內(nèi)須通入保護(hù)氣氛，或者用氧化鋁粉、石墨粉、鑄鐵屑，在裝箱保護(hù)條件下進(jìn)行時效。裝箱保護(hù)加熱要適當(dāng)延長保溫時間，否則難以達(dá)到時效效果。部分時效硬化型塑料模具鋼的熱處理規(guī)范可參照表3-28。
表3-28 部分時效硬化鋼的熱處理規(guī)范
鋼號固溶處理工藝時效處理工藝時效硬度HRC
06Ni6CrMoVTiAl 800～850℃油冷 510～530℃×（6～8）h 43～48
PMS 800～850℃空冷 510～530℃×（3～5）h 41～43
25CrNi3MoAl 880℃水淬或空冷 520～540℃×（6～8）h 39～42
SM2 900℃×2h油冷+700℃×2h 510℃×10h 39～40
PCR 1050℃固溶空冷 460～480℃×4h 42～44

三、塑料模的表面處理
為了提高塑料模表面耐磨性和耐蝕性，常對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚怼?br>1.塑料模鍍鉻是一種應(yīng)用*多的表面處理方法，鍍鉻層在大氣中具有強烈的鈍化能力，能長久保持金屬光澤，在多種酸性介質(zhì)中均不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。鍍層硬度達(dá)1000HV，因而具有優(yōu)良的耐磨性。鍍鉻層還具有較高的耐熱性，在空氣中加熱到500℃時其外觀和硬度仍無明顯變化。
2.滲氮具有處理溫度低（一般為550～570℃），模具變形甚微和滲層硬度高（可達(dá)1000～1200HV）等優(yōu)點，因而也非常適合塑料模的表面處理。含有鉻、鉬、鋁、釩和鈦等合金元素的鋼種比碳鋼有更好的滲氮性能，用作塑料模時進(jìn)行滲氮處理可大大提高耐磨性。
適于塑料模的表面處理方法還有：氮碳共滲、化學(xué)鍍鎳、離子鍍氮化鈦、碳化鈦或碳氮化鈦，PVD、CVD法沉積硬質(zhì)膜或超硬膜等。

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