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大型模具的热处理技术及实例

时间:2024-01-07 来源:冷接机焊接

  大型模具热处理除了采用常规的预备热处理(如正火、退火、调质、时效等)及最终化工艺(如高温淬火、等温淬火等)、表面淬火(如火焰淬火、激光淬火、感应淬火等)、

  大型模具采用强韧化处理工艺,如高温淬火、等温淬火等,可获得较高的力学性能及使用寿命。

  大型模具采用等温淬火后,获得下贝氏体组织,具有高的硬度与强韧性配合, 同时模具畸变小,不易开裂。

  1)采用常规热处理(淬火与回火)生产的模具,在现场锻打200~400 件后,上模完好,但下模板簧座部位严重塌陷,造成模具早期失效。对此,采用等温淬火工艺。

  2)高温奥氏体化、贝氏体等温淬火(新工艺)。淬火工艺:560℃×4h 预热+860℃×4h均温+900~920℃×12h加热,在热处理炉中预冷至780~800℃后入油,冷至模体表面温度200℃左右出油,立即进行两次回火。一次回火:280~300℃×8h预热+530℃×14h 加热,空冷。二次回火:280~300℃×2h 预热+510℃×10h加热,空冷。最终进行燕尾退火处理。

  3)模具寿命。采用以上工艺处理后,模面硬度为35~36HRC,板簧座部位硬度为37HRC。由于新工艺延长了在280℃的回火炉中的等温时间(由原工艺的3h 延长至8h),使模具心部组织充分转变为下贝氏体组织, 从而获得板条马氏体与下贝氏体的复合组织,提高了模具的综合力学性能, 模具寿命提高20%。

  真空热处理可以使大型模具获得高的综合性能,表面上的质量好,热处理畸变小,表面硬度高,从而满足使用性能要求。例如大型冲裁模和压铸模的线MPa 氮气气淬的Ipsen Super Turbo 真空炉。该线t 左右的大型模块热处理, 获得优越的力学性能和最小的畸变。

  某特大型铝压铸模,尺寸为1660mm×1500mm×465mm,质量为5600kg,它是9800kg 电渣重熔的4Cr5MoSiV1(H13)钢锻坯加工而成的。用Super Turbo 真空炉处理特大型模具的热处理工艺曲线如下图所示。

  该模具采用对流加热,均匀、逐步加热到750℃,然后( 用扁平石墨棒加热元件辐射)加热到1000℃。经充分时间保温后,用1.5MPa 氮气并变换(由装有热电偶的)模块上的冷却分布来控制的气流模式,以实现均匀冷却。在400℃ 停止冷却进入等温保持阶段,使心部的大量热量传至较冷的表明上进行均温,避免模具畸变甚至开裂。

  塑料模具钢用量较大的主要有3Cr2Mo (美国P20) 及3Cr2NiMo (瑞典718) 等预硬化钢, 对于大型塑料模具钢模块,热处理的基础要求是得到较高的表面耐磨性和强韧的基体,模块整体硬度在280~325HBW (29 ~35HRC),同一截面硬度差≤3HRC。对于大型塑料模具,常规的整体淬火工艺很难达到一定的要求。由上海交通大学研发的水-空交替淬火冷却技术(ATQ), 用于大型模块热处理已经取得了较好的应用效果。

  下图所示为模块的表层、次表层和心部在水与空气为介质的交替双介质淬火冷却过程中的冷却曲线。

  淬火冷却分三个阶段进行。在预冷阶段,模块采取空冷的方式缓慢冷却, 直到模块表面冷却到A1 以上或以下的某一温度区间,其结果是减少了模块的热容量,加速了第二阶段的冷却效果。在水-空交替淬火冷却阶段,采用快冷(水冷)与慢冷(空冷)交替的方式来进行,模块在第1 次水淬过程中,模块表层快冷到Ms 点以下某一温度并保持一段时间后,在表层获得部分马氏体;模块在第1次空冷过程中,次表层的热量传向表层,使表层的温度上升,结果是表层刚刚转变的马氏体发生自回火使表层的韧性和应力状态得到调整,避免了表层马氏体组织产生开裂。然后再重复水与空气的交替淬火过程,直到模块某一部分的温度或组织达到一定的要求。完成后,将模块放置在空气中自然冷却,直到模块的心部温度不高于某一值后进行回火。

  ATQ 技术在东北特钢生产基地得到了实际应用,试生产半年来,不仅产品质量满足要求,而且获得近千万元产值、149 万元利润和节约支出109 万元的经济效益。

  P20塑料模具钢大型模块调质处理后用于制作塑料模具,单件质量为20t,要求截面硬度为28~36HRC 且硬度差≤5HRC。

  P20钢采用ATQ技术后,处理的截面尺寸可达到400mm。P20 塑料模具钢淬火工艺是通过数值模拟确定的,并且通过计算机控制的淬火槽予以实现。图10-6 所示为P20 钢采用ATQ 技术淬火在厚度方向的表面、表层、中心的冷却曲线。经ATQ 技术处理后,不仅使P20 钢模块的硬度及硬度差均满足技术方面的要求,而且避免了大型模块的开裂问题。

  718塑料模具钢大型模块的ATQ 技术。718 钢(相当于3Cr2NiMo)的淬透性高于P20 钢,调质后用来制造比P20模具更大尺寸的塑料模具,单件质量为20~30t,要求沿截面硬度为30~38HRC,硬度差≤5HRC。采用ATQ技术淬火可处理截面尺寸900mm以上的工件。718 塑料模具淬火工艺是通过数值模拟确定的,并且通过计算机控制的淬火槽予以实现。下图所示为718模具钢采用ATQ 技术淬火后在厚度方向的表面、表层和中心不同部分沿截面的冷却曲线。经ATQ 技术处理后, 不仅使718钢模块的硬度及硬度差均满足技术方面的要求, 而且避免了大型模块的开裂问题。

  大型模具经过适当的化学热处理后, 通常能获得比该钢种普通淬火更高的硬度、更好的耐磨性与疲劳强度, 而且心部仍拥有非常良好的塑韧性和较高的强度。目前, 离子渗氮技术已成为大型(铸铁) 新模具或维修旧模具延长寿命和改善模具加工质量的主要手段之一。

  轿车车身覆盖件拉延模的离子渗氮修复技术。一汽捷达轿车左侧围模具,外观尺寸为4300mm×2300mm×600mm,质量为9.5t,采用普通灰铸铁制造,材料的化学成分(质量分数)为C3. 06%、Mn0. 85%、Si1. 64%, Cr0. 04%、Mo 0. 01%。该模具表面曾经火焰淬火处理。经补焊修复处理后, 表面硬度达320 ~350HV1,再次修复后采用离子渗氮处理。采用德国MPT公司制造的ϕ3000mm × 5000mm ( 炉膛尺寸) 大型自动控制脉冲电源离子渗氮炉, 脉冲频率为1kHz, 工艺处理过程自动控制、自动完成。为了改善模具离子渗氮均匀性和节省电能, 在离子渗氮炉内设置专用保温屏。

  1)模具预处理。模具经200~300℃加热,清除表面油脂和油漆, 然后对表面清理抛光, 最后对模具全面清洗、干燥后装炉。

  2)离子渗氮工艺过程。抽线℃ ×24h 离子渗氮,采用氮( 气) 氢( 气) 混合气进行离子渗氮,气压为350Pa,炉冷至99℃ (约25h),模具出炉。总工艺周期为107h。

  3)检验结果。模具炉冷至室温后,型腔表面经轻微抛光,用MIC -10 型超声硬度计测量表面硬度,按模具直立装炉位置在3100mm 长度区域检测,表面硬度为525~585HV1,可见模具上下硬度均匀,并且硬度提高200HV1 以上。检验随炉试块硬度为538HV1,渗氮层深度0. 4mm。经装机试验表明, 模具畸变极小。对原补焊点出现的软点(450~520HV1),为达到离子渗氮效果, 可进行补焊处理。

  (2) 模具使用效果装机使用后,冲压件表面上的质量明显提高,冲压件拉毛停机时间减少,模具寿命得到延长。

  激光热处理在大型模具强化与修复方面潜力巨大,如在汽车制造业中汽车覆盖件用大型拉深模具的表面强化处理等。

  由于模具尺寸大,通常用MoCr 合金铸铁制造,这种合金铸铁表面原始硬度为300~350HV,传统的热处理方法不能对其进行相对有效的强化处理。采取了激光相变强化技术,处理过程基本无畸变,硬度提高幅度大,表面上的质量好。

  1)在激光相变过程中,工艺参数确定的原则是在不产生表面熔化的前提下,力求使强化表面得到较高的硬度和较深的硬化层。要注意保持扫描速度的稳定性和扫描过程中光斑的一致性;准确保持光束的照射角度,特别在空间曲面和圆角处;根据不同的工艺参数选择合理的光斑搭接。

  2)经激光相变处理后,淬硬层深度沿深度方向在0.1~0.2mm 处的硬度达到最大值,显微硬度为700HV 左右。在表面以下0. 6mm 处,硬度仍能保持在600HV,可以认为这就是淬硬层深度。

  某P20钢制大型塑料模具,采用火焰淬火对其表面强化处理,再进行镀硬铬,使用一段时间后发现某些部位镀铬层脱落。这是由于火焰淬火后硬度不均,在这些位置的淬火硬度较低,导致模具表面凹陷从而造成镀层脱落。采取了激光淬火后,模具未发生类似现象。另外,激光淬火后得到的单相的隐针马氏体组织,提高了模具的硬度、耐蚀性和使用寿命。

  目前,感应热处理使用先进的感应加热用电源及数控淬火机床,如采用国际先进的EFD感应电源和7 轴控制、6 轴联动的大型模具感应淬火数字控制机床已经成功用于汽车制造等行业,它们用于汽车大型覆盖件模具等解决了模具型腔曲面难以进行理想、低成本、高效的表面强化处理的难题,并使模具寿命明显提高。部分模具材料的感应淬火结果见下表。

  1)原工艺。因模具外观尺寸大,原采用火焰淬火方式,除了淬硬面较窄、淬硬层较浅外,还经常因热处理不当,出现淬不硬和过烧开裂的问题,模具寿命低。因此,改用感应淬火工艺。

  2)感应淬火设备。感应淬火加热电源采用挪威EFD公司生产的MINAC25 型感应电源。感应淬火采用数控淬火机床。

  3)感应淬火工艺与效果。感应淬火温度为860~920℃,频率为10~25kHz,感应加热功率为70%P0(功率密度)时,具有最佳感应淬火效果。感应淬火采取空冷方式。经检验,模具表面硬度为47~55HRC,组织为细马氏体+少量珠光体或残留奥氏体,完全达到技术方面的要求。