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高难度铝型材挤压模具真空热处理淬火炉工艺
编辑:中山市天元真空设备技术有限公司   发布时间:2018-09-01

核心提示:真空热处理淬火炉是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术,真空热处理淬火炉所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境,包括低真空、中等真空、高真空和超高真空,真空热处理实际也属于气氛控制热处理。真空热处理是指热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的,真空热处理可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺,但热处理质量大大提高。与常规热处理相比,真空热处理的同时,可实现无氧化、无脱碳、无渗碳,可去掉工件表面的磷屑,并有脱脂除气等作用,从而达到表面光亮净化的效果。。。。。。。


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一:铝型材挤压模具热处前期准备工作                            

铝型材挤压模具热处理质量好坏直接影响挤压模具的使用寿命,模具是经过淬火“+”多次回火达到硬度要求的。淬火是为了提高模具硬度,多次回火是为了提高模具韧性,稳定内部组织。大型铝型材模具(f>500mm),hrc45-48;中型模子(f300~500mm),hrc47-50;小型挤压模具(f<300mm),hrc48-51;在一套模具的同平面上检测三点,每一点的硬度值都应在规定范围内方算合格。


本公司是为全国铝型材行业500吨—5500吨挤压机专门制造挤压模具的专业公司。每年此模具淬火近100吨,氮化近30吨。


1、挤压模具加工路线


模具加工工艺如下:


粗加工(单面留0.2—0.5mm余量)→淬火→精加工,电加工→打光,装配试模→氮化。


2、热处理


(1)材料:4Cr5MoSiV1(H13)。


(2)技术要求:HRC48—52。


(3)热处理工艺与设备:


1020℃加热,油冷,580℃、550℃两次回火。设备为75KW盐炉,90KW气体渗碳炉保护加热,井式回火炉回火。模具试模后在我厂或用户方氮化处理,方法为普通气体氮化,工艺为570℃、6小时氮化处理,氮化层深度为0.06—0.08mm,氮化层硬度为HV900。


用以上方法处理一般断面模具,挤压杆,积存筒均可保证在使用中不塌不裂。硬度有的也可放宽为HRC<46—53>。这种情况下挤压寿命主要取决于氮化质量和次数。


但是近几年来随着产业飞速发展,各种复杂断面电子产业用散热片,电机外壳等型材大量需求,如图1示。这种复杂断面的模具约占总量的四分之一左右。




复杂断面铝型材

    这些型材在挤压时挤压比很大,活动成型阻力大,模具的某些工作断面承受极大的剪切应力,如图2,图3示。模具的悬牙,悬桥在挤压中早期出现倒牙,塌桥(HRC<46>)或断牙,断桥(HRC53)即使硬度在合格范围内挤压寿命也不高,怎么解决这个困难?当然选用进口钢材,例如瑞典8407或日本SKD61,寿命可能进步,但进口料价格80元/kg,比国产料16元/kg高出几倍,这样一来在模具价格上用户不肯接受,所以这是一个课题。(挤压模具材料费在模具本钱中比例较大)。


图二:散热片平模模具


    还有这种情况:在氮化时或挤压前预热时(温度490℃—520℃)偶然有跑温现象发生,这时模具硬度下降,不能再使用,必须重淬,但这时模具已配合成型,间隙0.02mm左右,如重淬变形是个困难,如不重淬将造成批量报废,损失较大。这也是生产中碰到的一个课题,针对以上题目,三年来我们采取了以下方法,取得了良好效果,介绍如下。


图3:大型电机壳模具 


二:热处理真空炉油淬与真空低压气淬


1、真空油淬


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工艺如图4示:


图4:真空油淬、回火工艺曲线


由于真空炉比盐炉,气体渗碳炉保护加热有以下明显优点:


(1)加热升温有两次等温,升温十分缓慢,热应力很小。


(2)真空加热恒温时温差小,故加热十分均匀,工艺过程由微机控制,所以各炉次的工艺一致性好,并可避免人工操纵带来的误差。


(3)冷却时真空淬火油洁净,同时有油揽拌,故冷却比较均匀。


(4)真空加热时可脱往钢中有害气体,表面没有脱碳或渗碳。


所以真空淬火模具硬度十分均匀,通过回火后硬度可严格控制在HRC49—52范围内,模具的各个断面强度均匀而且有所进步,所以模具寿命有明显进步。


2、真空低压气淬


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对跑温返淬成型模具,我们采用低压气淬,在冷室中回充氮气约7×10 pa,风扇搅拌如图5示:


图5:真空低压气淬工艺曲线


通过多炉生产实践证实,采用此工艺,截面厚度≤50mm,留意疏松摆放,均可淬硬到技术要求,补救可百分之百成功,变形十分微小。 


三:电加工后表面淬火层再回火处理


模具经电加工后,尤其是电脉冲加工,在金属表层会形成15μ-30μ淬火组织


图6 H13电加工后金相组织 x500


在复杂断面悬牙两侧存在硬而脆的淬火层,在挤压时在极大剪切应力作用下会形成微细裂纹,逐步扩展而形成掉牙的一个因素,所以我们增加了电加工处理温度530℃-560℃,2小时再回火处理,避免表面氧化;这样就杜尽了早期掉牙现象产生。 


电火花加工是由电流来控制的,电流越大,加工速度越快,被涉及的白亮层越深,而白亮层中大量的微裂纹正是在这一过程中形成的。这些微裂纹的存在,无疑给模具的开裂提供了裂纹源,促进了模具的开裂。


四:热处理挤压模具案例分析


请大家分析一下H13的金相组织和模具开裂原因:


有几件H13铝合金挤压模具在生产1-2吨料的情况下就开裂,找人帮忙分析了成分和做了一下金相,化学成分除P含量超标外(国标≤0.030,样品含量是0.06),其他都在国标之内。金相情况如下图。热处理工艺是:550℃、850℃预热,1060摄氏度油淬,575-600回火三次,每次4.5小时。交货硬度50-51HRC。


由上述金相观察可看出,失效模具的组织中存在大量的硫化物夹杂会使模具的性能降低;而大条状及大块状硫化物及毛细裂纹的存在,又是显微裂纹源,是模具中的薄弱部位,在服役过程中受到挤压力的作用,这些缺陷有失稳、扩展甚至使模具开裂的可能。


上述金相观察到的黑白区域说明失效模具的组织中存在着严重的带状成分偏析,这会使模具的横向塑性、韧性明显降低;而抗回火性较高的白色区域因回火不足,组织处于不稳定状态,脆性增加,强韧性降低,使模具的性能下降;使用过程中,不稳定状态的组织将向稳定态转变,这一过程又将使模具的应力增加,脆性增大,强韧性降低,进一步降低模具的性能。 


五:结论


结束语   


通过观察分析可看出,组织中严重的成分偏析和大量的硫化物夹杂的存在是H13热挤压模具开裂的主要原因,而电火花加工面上大量的微裂纹为模具的开裂提供了裂纹源,促进了模具的开裂。为此建议:



1、复杂断面挤压模具经真空淬火与电加工后再回火处理,使模具使用寿命提高2倍,杜绝掉牙,断桥现象产生。   

2、跑温模具可采用低压气淬补救。  


3、真空炉虽一次投资高,热处理价格也比常规热处理提高一倍,但对复杂端面模具而言,非其莫属,经济效益明显。  

4、ψ730mm气体保护加热时,严格控制滴量,否则,脱碳严重,在检验硬度时增加困难,严重增碳时因加工量小会影响以后的氮化效果,当然有条件的话,使用大型真空炉油淬或高压气淬,效果更好。


5、钢厂应注意提高钢材的冶炼质量,进行严格的质量检测,提供给用户符合标准、合格的钢材;


6、模具生产厂家建议在钢材投入生产前,预先取样进行金相检验,并采取相应的措施,防患于未燃,避免不必要的经济损失。如果发现本文所涉及的缺陷,应通过提高锻造质量,锻后进行均匀化退火及补充退火来加以改善模具的组织,进而提高模具的性能;


7、电火花加工时,应对电流作适当的调整,使白亮层越浅越好,完工后应尽量去除白亮层。

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