H13钢的真空热处理

H13 钢 的 真 空 热 处 理

摘 要： 介绍了北美压铸模协会（NADCA）推荐的H13钢的真空热处理工艺，详细讨论了对热处理设备的要求，工件的装炉，热电偶的放置，奥氏体化，淬火速率与工件组织和性能的关系，回火工艺和硬度控制，模具的去应力处理，H13钢模具的热处理质量和检测，以及热处理合格证书的内容，并附有H13钢淬火组织级别图。

关键词： H13钢；模具；气淬；回火。

1 前言

1.1 北美压铸模协会(简称NADCA)所推荐的H13钢真空热处理工艺程序，由NADCA所属金属模具委员会热处理工作组10位委员和12个国家和地区的团体委员参加编制，2003年NADCA模具材料标准小组(9个团体)和模具热处理(7个团体)又稍作修改，将其编入NADCA#207-2003优质和超级H13钢材料和热处理验收标准。参加编制的协会成员有著名的美国通用汽车公司、德国蒂森特殊钢及热处理公司、奥地利百禄和瑞典乌特霍姆等公司，因此该工艺文件反映了欧美工业化国家的H13钢最近的热处理工艺水平，对国内模具的真空热处理有一定的参考价值。

本文根据NADCA推荐的工艺程序，并结合作者从事真空热处理的工作经验编撰而成，供国内从事模具真空热处理的同行参考。

1.2 由于近年来国内外真空高压气淬技术突飞猛进的发展，NADCA介绍的H13钢真空热处理资料中所应用的气淬炉压力仅为2~5bar，而目前国内真空气淬炉的冷却压强已普遍提高至6~10bar，并采用对流加热技术，故对原文中的一些工艺参数用户应根据具体条件慎重选用。

1.3 对于原文中的间断(分段)冷却(interruptedquenching)，按照国内的惯用术语，以下称为分级淬火。

2 NADCA 推荐的热处理工艺规范

2.1 应用范围

优质和超级H13钢热处理时最关键的工艺参数是奥氏体化温度和随后的淬火冷却速度。为获得最佳的金相组织和力学性能，并尽量减少工、模具的变形和开列，真空炉必须能够控制淬火冷却速度(Abar Ipsen公司称为“控制冷却”)。NADCA认为，虽然也可以应用其它热处理方法和手段例如盐浴奥氏体化和油淬工艺进行H13钢的热处理，但唯有真空炉才能应用其特有的程序控制工艺。本文讨论的工艺方法仅限于真空加热、高压气淬，其它热处理工艺方法不属于本文讨论范围。

2.2 对所用真空炉的要求

真空炉至少应有2~5bar的气淬压强，并且备有连接若干个工件热电偶的可编程序控制器。

真空炉有足够的冷却能力，能使模具表面从1030℃冷却的冷速不小于28℃/min。 在淬火冷却过程中，必须具有等温保持功能，能根据工件的表面和心部热电偶的输入信号进行分级冷却。

2.3 工件的装炉

选择合适的装载夹具及料架，以尽量减少工件变形。

炉中的工件应放置整齐，保证热处理的均匀性以防止变形和开裂。不应超载，以保证炉子能达到规定的冷却速率(28℃/min)。

2.4 热电偶的放置

建议将表面热电偶(TS) 放置在一个专用的孔中，孔径通常为3.175~6.35mm，依据所用的热电偶直径选用，孔深为1 6 mm ±3 mm 。

表面热电偶(TS)孔应设在模具最大表面的背面中心附近，即在1/4L(长)×1/4W(宽)的范围内。对于圆形模具，设在1/2半径的近中心范围内。

心部热电偶(TC)应尽量靠近模具质量中心，或利用模具现有的冷却孔。在不能放置心部热电偶的情形下，则可用一块有效尺寸相同的替代模块，在其心部放置热电偶，以控制炉内工件温度。

所有热电偶孔都要用耐火纤维填充，以免热电偶与冷却介质直接接触。热电偶必须固定，以防淬火过程中移动。如果炉中同时有多种工件，热电偶应放置在截面最大的工件上。

应指出，与采用经验公式计算工件保温时间的方法相比，用工件热电偶法控制保温时间更为科学合理。另外，通常每炉2~4支工件偶已足以控制炉子的加热和冷却过程。热电偶的放置位置很重要，特别是对模具截面尺寸相差较大的或需要进行分级淬火的工件。

2.5 预热

将工件装入冷炉，以低于220℃/h的速率进行加热(以心部热电偶测得值为准)。 炉温加热至540~675℃后保温，直至TS-TC＜90℃ 。

加热至845℃±10℃后保温，直至TS-TC＜40℃。

预热步骤可由热处理工艺人员按具体情况选用。通常二次预热温度分别为650℃±20℃，850℃±10℃，保温时间按心部热电偶Tc分别到达650℃和850℃，即TC与TS一致的时间(心部零保温)控制。带有对流加热风扇的真空炉，预热阶段的加热速度可更快些，对流加热直至850℃保温结束(对流加热阶段炉压为2bar)。

2.6 奥氏体化

工件经850℃±10℃预热后加速加热至1030℃±5 ℃。

保温时间为TS-TC＜14℃后30min或TS达到1030℃后最多保温90min ，两者中取先到达者。

为防止H13钢中Cr元素蒸发，建议在900~1030℃加热保温过程中向炉内回充适量分压的高纯氮气。

2.7 淬火

尽可能快速淬冷至455℃(按Ts测得值)。Ts从1030℃冷却至540℃的淬火速率至少达到28℃/min，换言之，Ts应至少在18min内冷至540℃。应注意，上述冷却速率是为了避免出现分歧所作的规定。截面尺寸大于300mm的工件，可能任何淬火设备都达不到该淬火速率。当Ts在455~400℃时，开始分级冷却。另外，建议当Ts 和Tc 的温差大于9 0 ℃时，就分级冷却。

当Ts-Tc＜90 ℃，或当Ts 达到分级温度最多3 0 m i n ，结束分级冷却，然后继续快冷。

保持气淬压力，直至Ts=65℃时出炉。模具应在静止空气中冷却至表面温度50~30℃。此时模具应立即装炉进行第一次回火。

真空炉的冷却能力与炉子的结构，包括单室还是双室，气流循环路径，风机类型，马达功率，内部热交换器面积，冷却水的压力、流量，进水温度等因素有关，另外还与装炉量、模具尺寸等因素有关。真空炉需带有“控制冷却”装置及配备工件热电偶，并能在工艺程序软件上预先设定，才能达到规定的28℃/min冷速。故并非每台真空炉都能满足并能控制这一冷却速度。

压强为6bar(N2)的气淬真空炉，通常能淬硬的H13钢有效厚度＜200mm。对于≥200mm的H13钢，气淬压强必须≥10bar。作者曾对尺寸为250mm×250mm×250mm的立方H13钢模块进行12bar N2气淬(装炉量300kg)，其心部硬度达到54HRC。

关于H13钢模具的分级冷却，按照C曲线，其分级冷却允许温度范围为560~370℃(大中型复杂模具取上限，中小型模具取下限) ，通常取4 5 0℃左右。能进行分级冷却的气淬真空炉，目前有以下3 种类型：

①带有双速(或变频)风机马达，第一阶段快冷时，风机马达为2800r/min,按预先设定时间，冷至第二阶段时自动切换至1400r/min ( 或连续可调风机转速)，实施缓冷(如上海工具厂的波兰埃尔特玛公司6bar气淬炉)。

②带有大小两风机的ALD气淬真空炉(1997年资料)，通过调节大小风机的运行程序实施分级冷却。

③Abar~Ipsen公司最近设计的12bar气淬炉，带有控制冷却装置和分级冷却程序软件，通过工件热电偶(TS-TC)输入的温度信号，自动调节循环冷却气流通道的大小来实施分级淬火。

2.8 淬火速率与组织性能之间的关系

淬火冷却速度快，能获得良好的组织性能，但随之有引起模具变形开裂的危险。采用分级冷却工艺能做到两者兼顾，对大型复杂模具更显得重要，图２显示了4 种冷却速度与组织结构的关系：

①获得理想的马氏体组织，没有碳化物析出，冷速特别快(接近油淬组织)。

②马氏体+ 晶间细小碳化物，装炉量少或小工件可达到。

③马氏体+贝氏体+晶间碳化物，用压力气淬可获得的推荐组织，适合于大中型复杂模具。

④冷速过慢，出现珠光体，即使最终硬度合格，其韧性和龟裂抗力也大大降低。 图3和图4为厚度6英寸(152mm)的H13钢模具心部的淬火和回火组织，其淬火工艺曲线如图5。从淬火组织可以看出，晶界上和基体上有适量的细小碳化物析出。图4是经565℃和595℃二次回火后的组织，为回火马氏体和一些贝氏体( 较暗区) 。研究显微组织与冲击韧度、硬度之间的互相关系表明，大量的晶界碳化物析出会显著降低韧性。

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图3 H13钢的淬火组织

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图4 H13钢淬火后经二次回火的显微组织 （2%硝酸酒精腐蚀）

“油水混淬” 发表

2008-10-23由“wangqinghua196”转换文档格式