CN103228802B - 模具的淬火方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模具的淬火方法，该模具的淬火方法包括：加热、保持步骤，对模具进行加热而保持于A3转变点以上且小于1150℃的温度范围；第一冷却步骤，于上述加热、保持步骤之后，将上述模具浸渍于油槽中，藉由油冷而将模具的表面温度冷却至700℃以下且超过Ms点的温度为止；改良保持步骤，于上述第一冷却步骤之后，将上述模具自油槽拉起而中断油冷，保持上述模具的表面温度为超过Ms点的温度区且上述模具的表面与内部的温度差成为200℃以内为止；以及第二冷却步骤，于上述改良保持步骤之后，以1℃/min～50℃/min的速度进行冷却直至上述模具的表面温度成为200℃为止。

Description

模具的淬火方法

技术领域

本发明涉及一种模具的淬火方法。

背景技术

对模具要求高硬度、高韧性（toughness），而该模具的特性会较大程度地受到淬火方法的影响。

于升温时，为了最大限度地使合金元素固溶，而于晶粒未粗大化的范围内选定高淬火温度。而且在淬火时，为了获得高韧性，必需与使晶粒微细化的同时，抑制碳化物向晶界析出，且亦需防止贝氏体转变（bainitic transformation）。此时，要求骤冷，而另一方面，若进行骤冷则模具的应变、变形增大，因此必需对冷却速度适当地进行控制。因此，先前以来提出有各种方法，但主要采用的是对自淬火温度开始的冷却条件进行调整且同时达成低应变与高韧性的方法。

例如，日本专利特开2006-342377号公报（专利文献1）中提出了马氏体淬火法（marquench），即，将接续朝淬火温度的加热后的冷却在淬火温度至600℃为止的高温区域以20℃/min～5℃/min来实施，继而保持恒温，且将上述冷却在400℃至200℃为止的低温区域以1℃/min～15℃/min来实施。藉此，可避免淬火裂痕（quench crack），而获得低应变且高韧性的模具。马氏体淬火法为如下处理：为了防止因骤冷而导致的淬火裂痕，而将淬火时的冷却以马氏体（martensite）转变的上部的温度、或比该上部稍高的温度加以恒温保持，且于各部的温度均一化后进行冷却。

而且，本申请人于日本专利特开2009-074155号公报（专利文献2）中，提出了一种着眼于淬火温度的升温侧条件与冷却侧条件此两方面的模具的淬火方法。亦即，该淬火方法为如下方法：在将A1转变点至A3转变点的温度区以100℃/h以上的速度进行加热的淬火升温步骤之后，进行保持A3转变点以上且不超过1150℃的温度区的保持步骤，然后进 行将A3转变点至600℃为止的温度区以5℃/min～20℃/min的速度进行冷却的高温侧淬火冷却步骤，且在经过了500℃～400℃为止的温度区保持0.5小时～5小时的中断保持步骤后，进行将400℃～200℃的温度区以1℃/min～15℃/min的速度进行冷却的低温侧淬火冷却步骤。

而且，日本专利特开2001-152243号公报（专利文献3）、日本专利特开2002-309314号公报（专利文献4）中揭示了由同一申请人提出的关于淬火方法的技术。具体而言，是如下的技术：将钢材构件骤冷至即将达到马氏体转变开始点（Ms点）的温度为止，自淬火油中取出，并藉由该钢材构件的保有热而进行恒温保持并直至即将达到马氏体转变开始点（Ms点）的附近的温度为止。藉此，能够对引用文献3的0002段落中所例示的齿轮等的构件、或引用文献4的0009段落中所例示的角柱构件的角部等的尖锐部这样的内部体积小的构件适当地进行淬火处理。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本专利特开2006-342377号公报

专利文献2日本专利特开2009-074155号公报

专利文献3日本专利特开2001-152243号公报

专利文献4日本专利特开2002-309314号公报

本发明者等人对马氏体淬火法进行了研究，从而认识到在上述专利文献1以及专利文献2中所揭示的条件下，模具的表面的韧性不足，而有进一步改善的余地。

而且，若将专利文献3以及专利文献4中所揭示的技术应用于一般而言体积比齿轮等大的模具中，则冷却速度难以控制，骤冷时模具的表面会降低为Ms点以下的温度。此时，模具内部的温度几乎不见降低，若自淬火油中取出，则藉由模具内部的保有热而表面的温度再次成为Ms点以上，从而金属组织变得不稳定，模具上会产生硬度的差异。而且，在为重量大的模具的情况下，若欲保持恒温直至即将达到Ms点的附近的温度为止，则其所需的时间会变得过长，生产性亦显著变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尤其能够合理地改善模具表面的韧性的淬火方法。

本发明者为了改善热模具的表面的韧性，而发现如下情况并完成了本发明：

1）为了确实地避免碳化物向晶界析出，必需应用比考虑了贝氏体的转变区域（贝氏体鼻部分（bainite nose））的冷却速度快很多的冷却速度；

以及

2）该快速的冷却速度的应用中的表面与内部的温度差所引起的弊病，可藉由对冷却中断状态恰当地进行管理而合理地消除。

亦即，本发明为一种模具的淬火方法，其特征在于包括：

加热、保持步骤，对模具进行加热而保持于A3转变点以上且小于1150℃的温度范围；

第一冷却步骤，于上述加热、保持步骤之后，将上述模具浸渍于油槽中，藉由油冷而将模具的表面温度冷却至700℃以下且超过Ms点的温度为止；

改良保持步骤，于上述第一冷却步骤之后，将上述模具自油槽拉起而中断油冷，保持上述模具的表面温度为超过Ms点的温度区且上述模具的表面与内部的温度差成为200℃以内为止；以及

第二冷却步骤，于上述改良保持步骤之后，以1℃/min～50℃/min的速度进行冷却直至上述模具的表面温度成为200℃为止。

而且，本发明可将上述改良保持步骤设为如下步骤：将上述模具自油槽拉起而中断油冷，再次重复进行浸渍以及拉起，直至上述模具的表面温度为超过Ms点的温度区且上述模具的表面与内部的温度差成为200℃以内为止。此时，拉起次数较佳为3次以上。

较佳为，上述第二冷却步骤中，以1℃/min～15℃/min的速度进行冷却直至模具内部的温度自400℃降低至250℃为止。

更佳为，上述第二冷却步骤为油冷。

更佳为，上述第一冷却步骤、改良保持步骤以及第二冷却步骤中的 环境为非氧化性气体环境。

发明的效果

藉由本发明的模具的淬火方法，尤其能够改善模具的表面韧性，因而可期待提高模具的寿命。

附图说明

图1是表示本发明的淬火条件的一例的温度记录图的概要图。另外，改良保持步骤在本图中为了方便起见而表示为直线。

图2是表示本发明的第一冷却步骤以后的模具冷却时的温度实测值与模拟结果的图。

图3是应用本发明的模具的淬火方法来进行回火后的显微镜照片。

具体实施方式

如上述般，本发明的重要特征是在模具的淬火方法中将淬火时的冷却条件最佳化。以下对本发明进行说明。

首先，对加热、保持步骤进行说明（图1（4））。

本发明的加热、保持步骤的温度设定为A3转变点以上且不超过1150℃的温度区。这是因为：若该温度小于A3转变点，则碳化物或合金元素的固溶不充分，硬度低，且高温强度亦低，因而变得容易产生热裂（heat crack）。而且还因为：若温度超过1150℃，则钉扎（pinning）有晶粒的碳化物亦固溶，从而晶粒会异常成长。

为了抑制上述问题的发生且达成晶粒的微细化，A3转变点以上且小于1150℃的温度范围成为必需。较佳为1010℃以上且小于1150℃的温度范围。

其次，对本发明的冷却步骤进行说明。

本发明中，于加热、保持步骤之后进行第一冷却步骤，该第一冷却步骤将模具浸渍于油槽中，藉由油冷而使模具的表面温度冷却至700℃以下的温度（其中，为超过Ms点的温度）为止（图1（5））。

本发明中将第一冷却步骤设为油冷是为了能够确实地避免在晶界出现碳化物析出的区域。藉由该油冷，模具表面的韧性确实提高。

本发明中之所以选择油冷是因为：若为油冷，则亦可藉由淬火油的温度的调节而将冷却能力（cooling power）调节为适当。例如是因为：若设为冷却能力高的水冷则冷却速度过快，从而第一冷却步骤中模具表面发生马氏体转变的危险性高，而在冷却能力低的鼓风冷却或液体喷雾中，模具表面的冷却变慢从而存在经过碳化物析出区域的可能性。

另外，利用油冷的第一冷却步骤的模具表面的冷却速度依据模具的大小而定，大约为80℃/min～250℃/min左右，从而相比于先前的利用鼓风冷却或液体喷雾的模具的淬火方法，为非常快的冷却速度。

而且，第一冷却步骤中，将模具的表面温度冷却至700℃以下为止的原因在于：若在超过700℃的温度区域中断油冷，则存在碳化物于晶界析出的可能性。为了消除析出的可能性，而在模具的表面温度超过Ms点且直至达到Ms点＋200℃的温度范围为止来进行油冷。另外，若将表面温度冷却至Ms点以下为止，则模具的表面附近的金属组织发生马氏体转变，在接下来的改良保持步骤时金属组织会变得不均一。因此，本发明中对表面温度进行的管理变得重要。

本发明中藉由上述油冷的第一冷却步骤，尤其能够提高模具表面与其附近区域的韧性。

然后，在本发明中进行改良保持步骤。（图1（6）以及图2）

因第一冷却步骤中应用非常快的冷却速度，故模具的表面与内部的温度差增大。在改良保持步骤中迅速减小该温度差而可缓和热应力。

该改良保持步骤中有两种方法。

第一改良保持步骤是将模具自油槽拉起，而中断油冷并保持放冷的方法。该方法中，模具内部的热被大量地传递至模具表面而表面温度上升。藉此，模具表面与内部的温度差得以迅速缓和。

第二改良保持步骤是重复进行将模具向油槽浸渍与自油槽拉起的方法。该第二改良保持步骤中，除与第一改良保持步骤同样地模具表面与内部的温度差得以迅速缓和之外，亦可获得以下的效果。

（1）可增大模具的散热量，可加快模具内部的冷却速度。结果，能够更确实地防止模具内部的波来体（pearlite）的生成。

（2）模具表面以及模具内部的冷却速度加快，从而直到模具内部 皆能够避开碳化物析出区域而进行冷却。

（3）因模具整体的冷却速度快，故尤其适合于200kg以上的大型的模具的淬火。

（4）可缩短淬火所需的时间而提高生产性。

其中，为了更确实地获得（1）、（2）及（4）的效果，尤佳为于Ms点＋25℃以上的温度范围内转移至第二改良保持步骤。尤佳为第一次以模具表面不低于400℃而进行拉起。这是因为：模具大多为重物，若过度地冷却至Ms点附近为止，则模具表面与模具内部的温度差扩大而容易变形。

而且，宜在模具表面的温度自接近提起时的表面温度而上升至200℃（较佳为100℃）为止开始下一次浸渍。

藉此，可防止模具表面的马氏体转变，增大散热量从而可缩短处理时间。对油槽的浸渍次数越增加则越尤其容易获得上述效果，拉起以重复3次以上为佳。尤其在为超过200kg的大型的模具的情况下，较佳为如上述般以将最初的拉起温度（表面温度）设得高，并依次降低拉起温度的方式，增加浸渍与拉起的重复的次数。

关于选择上述第一改良保持步骤与第二改良保持步骤中的哪一个，例如可考虑模具的重量或处理时间且考虑模具的表面积与体积来进行判断。例如，为了在短时间内处理100kg以上的模具，则适用第二改良保持步骤。

上述两种改良保持步骤均进行至藉由油冷而模具的表面与内部的温度差达到200℃以内为止。这是因为：若在温度差超过200℃的状态下转移至第二冷却步骤，则有因热应力差而引起应变或变形之虞。为了更确实地防止应变或变形，宜将模具的表面与内部的温度差设为150℃以内。

另外，就模具而言，亦有超过100kg而约为2吨左右的重物，因此若如现有技术般保持恒温直至即将达到Ms点的附近的温度为止，则处理时间变长，且生产性显著降低。因此，根据使用态样，例如可在模具的表面与内部的温度差成为50℃～200℃（较佳为50℃～150℃）的时间点来进行第二冷却步骤。

藉由采用该改良保持步骤，可无需先前的马氏体淬火中为必需的恒温保持炉、或者盐浴（salt bath），该点亦为本发明的显著的特征。

其次，于改良保持步骤之后，进行以1℃/min～50℃/min的速度冷却直至模具的表面温度成为200℃为止的第二冷却步骤。（图1（7））

该第二冷却步骤的冷却速度对于如下而言为必需：抑制冷却中的被热处理材料（模具）的贝氏体的生成，而且，亦抑制由骤冷引起的温度不均，且控制韧性与淬火应变、以及裂纹。

若表面温度的冷却速度小于1℃/min，则贝氏体的生成抑制变得不充分而韧性降低。若超过50℃/min则马氏体转变中的制品的温度差增大，因冷却中的温度不均而应变容易增大，且淬火裂痕的风险亦增大。较佳的表面温度的冷却速度为10℃/min～30℃/min。

自金属组织控制的观点考虑，第二冷却步骤的中心部的冷却速度亦重要，宜以1℃/min～15℃/min冷却速度将贝氏体生成的400℃～250℃的区域冷却。只要处于该范围，则抑制粗大的贝氏体的生成，从而可更确实地提高韧性。较佳为5℃/min～15℃/min，从而可更确实地获得上述效果。

该第二冷却步骤中，宜设为油冷，该油冷容易在上述温度范围内调整冷却速度，尤其容易获得被热处理材料的内部的金属组织不易成为块状贝氏体组织的冷却速度。

本发明中，上述的上述第一冷却步骤、改良保持步骤、以及第二冷却步骤中的环境可设为非氧化性气体环境。具体而言，可应用氮气或惰性气体或者真空气体环境（减压气体环境）。

这是因为：尤其第一冷却步骤是自淬火温度对油槽进行骤冷，从而可消除淬火油激烈燃烧而发生火灾等的灾害的可能性。

而且，若设为非氧化性气体环境，则亦可防止被热处理材料的氧化或脱碳。

其次，对加热至上述的淬火温度为止的条件进行叙述。

本发明中，作为加热至淬火温度的条件，更佳为一并对低温侧淬火升温步骤的升温条件进行调整（图1（1））。另外，此处所谓的低温侧是指A1转变点以下的温度区域。

低温侧淬火升温步骤的条件宜设为200℃/h以下的升温速度。这是因为：若该升温速度过快，则被热处理材料上会产生应变，或者被热处理材料的表层部与内部的温度差增大，从而因部位而产生晶粒的差异的可能性增高。较佳的升温速度为50℃/h～150℃/h的范围。

在上述低温侧淬火升温步骤的途中，亦可进行1次以上的温度保持的温度保持步骤（图1（2））。

藉由进行温度保持步骤，对被热处理材料进行加热时的温度不均得以减轻，因此变形减少。而且，亦具有如下效果：模具制作时所产生的加工残留应力亦藉由预热而被除去，于之后的加热中通过转变点时以残留应变作为驱动力的晶粒的异常成长亦可被抑制。为了更确实地获得该效果，可于A1转变点-200℃～A1转变点-15℃的温度范围内进行温度保持步骤。更佳为A1转变点-70℃～A1转变点-20℃的温度范围。

另外，就进行温度保持的时间而言，为了减轻如上述般对被热处理材料进行加热时的温度不均，在太短的时间内难以获得温度不均的减轻效果。因此，宜设为足以使温度不均减轻的时间。根据被热处理材料的重量或形状而无法将时间统一地规定，就经验方面而言，较佳为保持0.5小时～5小时左右。若保持0.75小时以上，则可将表层温度与内部的温度差设为30℃以内，因而较佳为保持0.75小时（45分钟）以上。

于温度保持步骤之后，作为高温侧升温步骤，可以100℃/h以上的速度对自A1转变点至A3转变点的温度区进行加热（图1（3））。这是因为：当自铁氧体（ferrite）生成新的奥氏体（austenite）的晶粒时，若加热速度快，则藉由自平衡温度开始的过热效应而奥氏体的核生成密度高，且可获得将晶粒微细化的作用。

以上，藉由对直至加热、保持步骤为止的升温步骤的条件进行调整，而可将非热处理构件调整为均一的晶粒。

实例1

利用以下的实例对本发明进行更详细说明。

自表1所示的组成的热模具用模具材料切下300mm（w）×300mm（l）×300mm（t）的块体，制作实施第一改良保持步骤的第一试样及实施第二改良保持步骤的第二试样。所准备的合金均为相当于日本工业标准（Japan Industrial Standard，JIS）-SKD61的材料。

该合金的A1转变点为850℃，A3转变点为895℃，Ms点为300℃，晶界碳化物析出区域的鼻部（nose）为700℃-20分钟。

[表1]

(wt%（重量百分比）)

C	Si	Mn	Cr	Mo	V	剩余部分
							0.37	0.95	0.40	5.10	1.36	0.95	Fe及杂质

使用上述试样进行淬火处理。直至加热、保持步骤为止的温度条件为以下所示。

＜第一试样＞

将第一试样插入至淬火炉中，开始升温。低温侧升温步骤（1）的条件设为150℃/h，800℃下实施4小时的温度保持步骤（2）。然后，作为高温侧升温步骤（3），在150℃/h的条件下升温至1025℃为止，并转移至加热、保持步骤（4）。

＜第二试样＞

将第二试样插入至淬火炉中，开始升温。低温侧升温步骤（1）的条件设为200℃/h，以800℃实施2小时的温度保持步骤（2）。然后，作为高温侧升温步骤（3），在200℃/h的条件下升温至1025℃为止，并转移至加热、保持步骤（4）。

继而，将对第一试样实施的第一改良保持步骤及测定温度、以及第二冷却步骤表示于表2中，将对第二试样实施的第二改良保持步骤及测定温度、以及第二冷却步骤表示于表3中。另外，温度为对任一试样利用钻孔机形成切削孔且插入热电耦温度计，而测定表面附近与内部（中心部）所得的结果。

[表2]

气体环境：氮气

[表3]

气体环境：氮气

于上述步骤结束后，以45HRC（洛氏硬度）进行回火，且对夏比（Charpy）冲击值进行评估。夏比冲击试验实施2 mmU缺口试验。夏比冲击值表示于表4中。另外，表4的「比较例」是专利文献2的No.6合金（相当于日本工业标准（JIS） SKD61的合金）的试验结果，藉由先前的马氏体淬火法的冷却而获得。该比较例（专利文献2的No.6）为 与此次进行的实例大致相同的热历程，其淬火条件为如下所示。

将试验片以75℃/h升温（低温侧升温步骤（1）），在800℃保持1小时（温度保持步骤（2）），以175℃/h的条件升温至1020℃为止（高温侧升温步骤（3）），并转移至加热、保持步骤（4）。然后，对于A3～600℃的温度区以12℃/min的速度冷却，以400℃保持1小时，对于400℃～200℃的温度区以10℃/min的速度进行冷却。在惰性气体环境下一面控制气体加压量一面进行冷却。

[表4]

如表4所示，可确认应用了本发明的淬火方法的试样，比应用先前的马氏体淬火法的试样具有更优异的韧性。而且，尽管试样的大小与重量相同，但第二试样的内部的夏比冲击值提高。这表示模具内部的冷却速度加快，从而即便在模具内部亦可抑制碳化物的晶界析出。

而且，图2中表示关于第二试样的第一冷却步骤以后的温度记录图的实测值，并且是将仅进行一次浸渍与拉起时的模拟结果（相当于采用第一改良保持步骤的结果）进行绘图而成。

如图2所示可知，重复进行浸渍与拉起则内部（中心部）的冷却速度会更快。而且，可确认整体的冷却速度亦快。根据该些结果可知，尤其实施第二改良保持步骤的本发明适合于重量大的模具的淬火。

另外，自第二试样的表面侧切下微观察用试验片，对有无晶界析出进行调查，结果如图3所示几乎未能确认到晶界析出物。而且，尺寸变化量最大为0.5mm左右，从而确认尺寸变化亦得以抑制。

产业上的可利用性

本发明的模具的淬火方法可改善模具的韧性，因此可期待提高模具的寿命。因而，亦可期待不限于应用于模具，而作为可改善韧性的淬火方法而应用于其他用途。尤其是越大型的被热处理材料，则越可期待上述改善效果。

附图标记：

1：低温侧升温步骤

2：温度保持步骤

3：高温侧升温步骤

4：加热、保持步骤

5：第一冷却步骤

6：改良保持步骤

7：第二冷却步骤

Claims (5)

1.一种模具的淬火方法，其特征在于包括:

加热、保持步骤，对模具进行加热而保持于A3转变点以上且小于1150℃的温度范围;

第一冷却步骤，于上述加热、保持步骤之后，将上述模具浸渍于油槽中，藉由油冷而将模具的表面温度冷却至700℃以下且超过Ms点的温度为止;

改良保持步骤，于上述第一冷却步骤之后，将上述模具自油槽拉起而中断油冷，并再次重复迸行浸渍以及拉起，直至上述模具的表面温度为超过Ms点的温度区且上述模具的表面与内部的温度差成为200℃以内为止;以及

第二冷却步骤，于上述改良保持步骤之后，以l℃/min~50℃/min的速度进行冷却直至上述模具的表面温度成为200℃为止。

2.根据权利要求1所述的模具的淬火方法，其特征在于:

上述改良保持步骤中的拉起次数为3次以上。

3.根据权利要求1或2所述的模具的淬火方法，其特征在于:

上述第二冷却步骤中，以l℃/min~15℃/min的速度进行冷却直至模具内部的温度自400℃降低至250℃为止。

4.根据权利要求1或2所述的模具的淬火方法，其特征在于:

上述第二冷却步骤为油冷。

5.根据权利要求1或2所述的模具的淬火方法，其特征在于:

上述第一冷却步骤、改良保持步骤以及第二冷却步骤中的环境为非氧化性气体环境。