模具钢真空热处理课件.ppt

1、叁、模具钢真空热处理1、真空炉中空冷2、在真空炉中油冷3、结论4、参考书料叁、模具钢真空热处理陈文庆 真空热处理，顾名思义乃是在减压的环境下实施之热处理，其减压后之压力，从几百torr到106torr左右（torr=1mmHg），其环境之气体，可为大气、氧化性气体、脱碳性气体或渗碳气体，其实施之热处理与一般传统之热处理相同，有淬火、退火、渗碳面热处理等。在真空中，实施热处理和一般之热处理区别有二：在真空中由于气体稀薄，因气体之化学性较低，在较高的真空度下其活性几乎“钝“掉，因此在同温度下，传统之固体一气体间的反应诸如氧化、还原还原、脱碳等，在真空中都会比在大气中慢得多。在真空中，提供了去除材料

2、中吸附气体的机会，或使处理件表面原已存在的氧化物或化合物分解及去除。在不同的温度及真空压力下，各金属均有其各自之蒸汽压，具有相当大的差异，在钢中较易蒸发之元素有MnMn、CrCr等，其中Mn在900C 10-3torr下就可能蒸发，所幸Mn在钢中含量均在1以下，900C至少要10-5torr以上之真空度才会使Mn由钢中蒸发，其次是Cr它在atm之下，要2180C 才会蒸发，然在10-3torr下，却只要1093C便会蒸发，由于Cr在模具钢等含量相当高，所以在真空热处理中，温度上升到1000C左右时，必需由炉外加入少许之保护气体，即N2，由于N2是惰性气体，它防止Cr之蒸发，且又可去除材料中之吸

3、附气体，所以热处理后之模具会显得很洁白，但在N入炉中时，真空度会下降，所以真空必须控制在0.6torr左右之真空状态。真空热处理技术 在真空中实施之热处理，较常见的是淬火、退火、辉面热处理及渗碳等，但今只讨论一些真空淬火之要件。真空淬火真空淬火 各种合金钢及非铁技术之真空淬火，其真空度主要各种合金钢及非铁技术之真空淬火，其真空度主要在在10-2到10-4 torr左右，而冷却方法，主要分为空冷及油冷两种，由于淬火主要是在冷却时需有足够的冷速，以避免沃斯田铁化在冷速途中产生变态，因此特把真空淬火分GAS Quenching及 Oil Quenching两方面来加以说明一、真空炉中空冷（GAS Q

4、uenching)从1958年美国1psen公司开发成功以来，把风硬钢在真空淬火变为可能，然由于在真空中，处理件之冷却速度较一般大气中之冷却速度为慢，尤其是断面较大者，致影响产品之机械性质。因此在真空淬火之冷却速度，是诸科学家所研究之对象。兹将改良的方法叙述于后。（1）利用热传导性良好之不活性气体，例如N2、Ar、He、H2 等，由于不同的气体，也有不同的冷却速度，冷却时间比，H2为1时，He为1.2时，N2为1.5时，Ar为1.75时，也就是说，在真空淬火冷却效果以H2为佳，其次为He、N2，最差为Ar，但一般H2在高温时有爆炸的危险，因此一般H2均不使用，而He是稀有气体，价钱又昂贵，故不

5、适用，而Ar之冷却特性又比N2差，因而工业上之使用均采用中性的N2气体。（2）增加循环风量以加速冷却，下图便是在1026torr装入258kg之N2，在不同的环境风量下，试片之冷却曲线图。上图中静止者为在真空压力下冷却，并未加入任何冷却气体，而图中空冷者则为加入258kg量之N2在1026torr下之冷却曲线，其余曲线则为各循环风量之下冷却情形，由此等曲线可知，增加循环风量以加速冷却确是好的办法，唯在较大的压力下，要循环风速增大所需的动力极大。（3）降低冷却气体之温度,以增加冷速，工业上的作法是在冷却气体之循环路内增加热交换器的设计，同时炉壁加以水冷等方法,以达到有效降低气体的温度。（4）增加

6、冷却气体的压力，以增加冷速，由下图中可知N2气体之加速冷却曲线，可见增加气体压力也是有效的增加冷却速度的方法，下表SKH-9（M-2）高速钢在不同之压力下冷却后之硬度，以及在550C下回火之硬度值，1.54大气压下冷却之SKH-9其硬度已可与一般盐浴或油淬火者相比，且回火后之残留沃斯田铁量比传统方法者少。淬火介质淬 火 状 态回火于550Cx2hr二次后硬度Rc残留沃斯田铁硬度Rc残留沃斯田铁1 大气压64.013.663.29.01.4 大气压64.564.51.54大气压64.7522.464.59.3盐 浴64.822.364.812.0油 淬 火(一般大气压)65.017.264.61

7、0.4二、在真空炉中油冷 真空炉中油淬火：一般分为二室，加热室及冷却室，二者中间有一密闭之中间门，其真空度可自行调整，其热处理顺序一般在加热室加热完了再移到淬火室冷却，此时再充入相当压力的不活性气体，一方面可以空冷处理件，以免过高温油淬火，产生龟裂现象。真空热处理之利用 真空热处理是利用辐射之原理，可使加热均温而复杂之加热与冷却及多目的之热处理，在真空炉之使用是一件极简单的操作方式。其热处理过程如下图，可自行任意调整供参考。种种加热、冷却之过程有关模具制造及热处理之技术分别叙述如下，供大家参考。1.模具材料之选择（a）用者观点：耐磨性、韧性、耐热性、耐蚀性、离型性、镜面性。（b）制造者观点：被

8、削性、热处理特性、被研磨性、表面处理、焊接及放电加工。由此可知，选择材料必须相当谨慎，当购入钢材时，必需向制造者或贩卖者索取相关之热处理特性等资料，提供给热处理者以利作业。2.材料取材之方向 钢材取用方向不正确而易发生龟裂，因材料在制造过程中，塑性加工是有方向性，若取材不定，热处理变形也不一定，即有时大，有时小，有时膨胀，有时收缩。使用模具，受力方向应于材料的压延方向垂直。3.调质处理可减少热处理时之尺寸变化。下列二种试料是由真空淬火变形量之测定：（a）试料A：素材 机械加工 细加工 热处理。（b）试料B：素材 烧钝 机械加工 烧钝 细加工 热处理。烧钝：850Cx30后炉冷 由前图可知，模具

9、经烧钝后再热处理，其变形量很少，而尺寸之变化情形与钢材制造之压延方向有很大的关系（W为压延方向，L与H的尺寸则减少，而W为增功），故取材之方向要特别注意。4.淬火温度之选择 一般认为较高温度淬火，则硬度较高，其实不然，以日本jis规格SKD-11为例，在1025C淬火，得最高硬度HRC65，如果超过1050C淬火，则硬度反而下降，即残留沃斯田铁太多，而且韧性减少，但高温淬火的模具，在其高温回火硬度高，适用于线切割之模具及热间使用之模具，而低温淬火之模具硬度较低，因而韧性较佳，适用于冷间模具和较大型之模具，一般社会常用工具钢SKD-11为10001020C SKD-11为980C1020C SK

10、H-9为11501180C淬火较适合。SKD-11淬火、回火1hr之曲线真空炉淬火一般常用之模具钢种较实用之硬度范围供大家参考。钢种钢种用途用途硬度硬度HRC钢种钢种用途用途硬度硬度HRCSKD-11下料衡模6065SKD-61压铸Zn合金4448同上形成衡模5862同上压铸Al合金4045同上塑胶成形模 5060同上压铸Cu合金3440同上冷间锻造模 5560SKT-4热间锻造中型3740SKS-51同上5862同上热间锻造大型32375、淬火后回火常发生的问题、淬火后回火常发生的问题 模具淬火后，其组织即硬又耐磨之麻田散铁为消除淬火脆性，提高韧性，增加尺寸之稳定，而未回火的模具在室温长期保

11、存或使用，麻田散铁将进行缓慢的分解，其体积效应将导致零件尺寸之改变，这对精密零件是不允许的，只要经120 C150 C的低温回火就可完全避免麻田散铁在室温下继续分解。淬火之模具必须冷到60 C左右才可进行回火，因此时钢铁尚未变态为麻田散铁，另要注意一点淬油或淬水之模具钢，必须马上进行回火，否则可能很快就产生龟裂。6、设计不良所导致之淬火龟裂 淬火龟裂通常是发生在锐角或有孔部分，也是淬火变形的主要原因，设计应考虑图形及形状的均衡，较复杂的模具必须使用空冷之硬化钢，即实施真空淬火之钢种较不容易龟裂，因淬油之冷却速度很快，容易变形及龟裂。模具若有盲孔，最好填满耐火以防龟裂。7、热处理后的加工问题（a

12、）研磨龟裂：研磨不当：研磨量太多，冷却不足，温度超过变态点生成麻田散铁冷却即产生龟裂，若超过回火温度则软化，研磨后必须要再回火，但回火温度要比原来之回火温度低，硬度才不会下降，且时间要比原来多两倍。研磨方向必须沿着使用方向研磨。热处理不当：沃斯田铁化温度太高，造成粗大组织和残留沃斯田铁太多，或回火时间太短及回火温度太低，都会造成研磨龟裂。8、变形之校正方法 可以利用回火温度来修正模具之变形。三、结论：真空热处理的技术已超于实用化，如真空硬焊及粉末冶金之真空热处理也被广泛的使用，且真空淬火具有下列之优点，减少变形、表面辉面、不脱碳、不腐蚀、品质相当稳定，因此随着真空炉之发展，模具之发展，品质亦大大的提高。但要制造一个高品质的模具必须要花相当大的精神与金钱，稍微有点差错，可能就会全功尽弃。四、参考资料：（1）台大吴锡侃：真空热处理。（2）1987jis热处理日本规格协会。（3）钢之热处理，日本钢铁协会编。（4）中山大学材料研究所讲义卓照明、刘晓岭（5）龙典工业股份有限公司实际经验。