CN112779382A - 一种热作模具钢热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热作模具钢热处理方法，涉及热处理技术领域。本发明将热作模具钢进行淬火保护后，加热至淬火温度并保温；然后将保温后的热作模具钢进行淬火冷却，所述淬火冷却为多阶段冷却，包括依次进行的高温区冷却、中温区冷却、低温区冷却和出炉冷却并校正；最后将进行淬火冷却后的热作模具钢进行回火。本发明提供的热作模具钢热处理方法不仅能够提高模具的冲击韧性，保证模具的使用寿命和质量，还能够有效控制模具变形量，将变形量控制在模具底面对角线长度的0.1％以下，有效避免开裂风险，从而节省加工时间和材料成本，提供生产效率、缩短生产周期。

Description

一种热作模具钢热处理方法

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种热作模具钢热处理方法。

背景技术

中大型热压铸模的特点是：形状复杂，重量较大，热处理时的质量要求高，并且生产周期长，使用技术条件苛刻。我国目前的汽车行业制造业中，对铝合金压铸模中大型压铸件的需求量很大，广泛应用于发动机、变速箱和其它部件上面，对其质量要求也很高，尤其是各类高韧性、高精度压铸模具是我国汽车重工业制造行业发展的一个重要标志。

中大型热压铸模具的生产从设计、选材、加工、热处理、精加工、表面热处理到试模和生产，要经过很多道工序，每一道工序都影响模具的质量，稍有偏差就可能引起缺陷，生产的难度很大，而且需要一次成功，特别是热处理这一环节，如果发生开裂或者变形超差，就会导致整个模具报废，需要重新选材和加工，不仅会增加生产成本，还会影响生产周期，降低生产效率。因此，重视与加强中大型热压铸模具的热处理技术，提高产品质量，降低生产成本，缩短生产周期，对于促进汽车等重工行业、重型机械产品生产具有重要意义。

淬火热处理作为改变和提高材料性能的重要手段，在汽车、航空、运输、建筑及其它制造业领域中有着广泛而重要的应用。对于中大型模具，一般的淬火热处理工艺分为两种：一是加热至淬火温度，然后采用一定压力的气体快速冷却，但在快速冷却过程中往往造成模具变形过大甚至开裂；二是加热至淬火温度后采用较小的压力缓慢冷却，以避免开裂，但可能会使金相组织发生贝氏体甚至珠光体的转变，增加材料的脆性，影响使用寿命。随着压铸件产量的提高和应用领域的扩大，对压铸模具提出了越来越高的要求，目前应用的热处理工艺已经不能满足时代的发展脚步。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热作模具钢热处理方法。本发明提供的热作模具钢热处理方法不仅能够提高模具的机械性能，还能够有效控制模具变形量，避免开裂风险。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种热作模具钢热处理方法，包括以下步骤：

(1)将热作模具钢进行淬火保护后，加热至淬火温度1020～1030℃并保温；

(2)将步骤(1)保温后的热作模具钢进行淬火冷却，所述淬火冷却为多阶段冷却，包括依次进行的高温区冷却、中温区冷却、低温区冷却和出炉冷却；

所述高温区冷却为从淬火温度冷却至600℃，冷却速度为7～10℃/min；

所述中温区冷却为从600℃冷却至400℃，冷却速度为3～5℃/min；

所述低温区冷却为从400℃冷却至250℃，冷却速度为4～7℃/min，且大于所述中温区冷却的冷却速度；

所述出炉冷却将经过所述低温区冷却的热作模具钢在大气中冷却至80～100℃；

(3)将步骤(2)进行淬火冷却后的热作模具钢进行回火。

优选地，所述淬火保护包括对热作模具钢进行的拐角部位保护、尖角处保护和孔径保护。

优选地，所述拐角部位保护的具体操作为：先用石棉塞住拐角部位的缝隙，再依次用石棉和铁皮对拐角部位进行整体覆盖。

优选地，所述尖角处保护的具体操作为：依次用石棉和铁皮对所述尖角处进行覆盖。

优选地，所述孔径保护的具体操作为：用石棉将孔径垫满，再用石棉封住孔口。

优选地，所述加热至淬火温度1020～1030℃之前，还包括对淬火保护后的热作模具钢进行预热；所述预热包括依次进行的第一预热阶段和第二预热阶段；所述第一预热阶段的预热温度为650℃，所述第二预热阶段的预热温度为850℃。

优选地，所述出炉冷却还包括校正，具体操作为：将经过低温区冷却的热作模具钢出炉，放在夹具上冷却，同时进行校正。

优选地，所述回火的次数为3～4次。

本发明提供了一种热作模具钢热处理方法，本发明将热作模具钢进行淬火保护后，加热至淬火温度并保温；然后将保温后的热作模具钢进行淬火冷却，所述淬火冷却为多阶段冷却，包括依次进行的高温区冷却、中温区冷却、低温区冷却和出炉冷却；最后将进行淬火冷却后的热作模具钢进行回火。本发明通过对热作模具钢进行淬火保护可以使热作模具钢在淬火冷却过程中各部位均匀冷却，减少变形和避免开裂；本发明在淬火冷却时采用多阶段冷却，对各个温度区域进行冷却速度管理，使模具钢以适当的冷却速度通过各个影响组织转变的温度区域，以获得最佳综合性能：高温冷却区(淬火温度～600℃)将冷却速度控制在7～10℃/min，可以避免珠光体类型组织的形成，保证材料的机械性能；中温冷却区(600～400℃)将冷却速度控制在3～5℃/min，可以使模具钢的表面和心部的温差减小至100℃以内，以控制变形和避免开裂；低温冷却区(400～250℃)将冷却速度控制在4～7℃/min，以快速通过马氏体转变点Ms，得到马氏体组织，并避免贝氏体组织的形成；出炉冷却的过程进一步通过校正可使模具钢在继续进行马氏体转变时，进一步控制变形量。因此，本发明提供的热作模具钢热处理方法不仅能够提高模具钢的冲击韧性，保证模具钢的使用寿命和质量，还能够有效控制模具钢变形量，将变形量控制在模具钢底面对角线长度的0.1％以下，有效避免开裂风险，从而节省加工时间和材料成本，提供生产效率、缩短生产周期。

附图说明

图1为本发明实施例1中的汽车变速箱铝合金压铸模具的实物照片。

具体实施方式

本发明提供了一种热作模具钢热处理方法，包括以下步骤：

(1)将热作模具钢进行淬火保护后，加热至淬火温度1020～1030℃并保温；

(2)将步骤(1)保温后的热作模具钢进行淬火冷却，所述淬火冷却为多阶段冷却，包括依次进行的高温区冷却、中温区冷却、低温区冷却和出炉冷却；

所述高温区冷却为从淬火温度冷却至600℃，冷却速度为7～10℃/min；

所述中温区冷却为从600℃冷却至400℃，冷却速度为3～5℃/min；

所述低温区冷却为从400℃冷却至250℃，冷却速度为4～7℃/min，且大于所述中温区冷却的冷却速度；

所述出炉冷却将经过所述低温区冷却的热作模具钢在大气中冷却至80～100℃；

(3)将步骤(2)进行淬火冷却后的热作模具钢进行回火。

本发明将热作模具钢进行淬火保护后，加热至淬火温度1020～1030℃并保温，使所述热作模具钢充分奥氏体化。本发明对所述热作模具钢的具体种类没有特别的要求，本领域熟知的热作模具钢均适用本发明的热处理方法。在本发明中，所述淬火保护优选包括对热作模具钢进行的拐角部位保护、尖角处保护和孔径保护。在本发明中，所述拐角部位保护的具体操作优选为：先用石棉塞住拐角部位的缝隙，再依次用石棉和铁皮对拐角部位进行整体覆盖。在本发明具体实施例中，塞住拐角部位缝隙的石棉优选为碎石棉；对拐角部位进行整体覆盖的石棉优选为石棉被，所述石棉被的厚度优选为5mm；所述铁皮的厚度优选为2～3mm，包覆铁皮后可以防止上述石棉在淬火冷却时被吹走。在本发明中，所述尖角处保护的具体操作优选为：依次用石棉和铁皮对所述尖角处进行覆盖；所述石棉优选为10mm厚的石棉被，所述铁皮的厚度优选为2～3mm。在本发明中，所述孔径保护的具体操作优选为：用石棉将孔径垫满，再用石棉封住孔口；在本发明具体实施例中，将孔径垫满的石棉优选为碎石棉，封住孔口的石棉优选为1mm厚的石棉纸。一般而言，压铸模具的形状复杂、体积和重量较大，经过机械粗加工后，会出现厚薄悬殊的情况，在淬火冷却时，由于厚薄不均，各部位冷却速度也不一样，极易造成变形过大甚至开裂，因此对模具各部位进行保护能够使模具在淬火冷却过程中各部位均匀冷却，减少变形和避免开裂。

完成淬火保护后，本发明将热作模具钢加热至淬火温度1020～1030℃并保温。本发明通过保温使所述热作模具钢充分奥氏体化。在本发明中，所述加热优选在高压真空炉中进行，即将完成淬火保护的热作模具钢放置于高压真空炉中再进行加热；根据热作模具的形状，所述放置的方式可以相应的采用平放或竖放；为监察和管理热作模具钢不同部位的温度变化，本发明还优选在所述热作模具钢的中心和各厚薄部位的内部插入热电偶；所述热电偶的总数量优选为5～8支。在加热至淬火温度1020～1030℃之前，本发明还优选对淬火保护后的热作模具钢进行预热；所述预热优选包括依次进行的第一预热阶段和第二预热阶段；所述第一预热阶段的预热温度优选为650℃，保温时间优选根据热作模具钢的厚度来设置，以1.2min/mm(厚度)计算；所述第二预热阶段的预热温度优选为850℃，保温时间优选以1min/mm(厚度)计算。预热后，升温至淬火温度1020～1030℃；在本发明中，在淬火温度下的保温时间优选以1.2min/mm(厚度)计算，然后根据所述热电偶实际监测的温度适当调整加热程序，以确保模具的各个部位在保温时间内都充分奥氏体化，为淬火冷却做好准备。

保温后，本发明将保温后的热作模具钢进行淬火冷却，所述淬火冷却为多阶段冷却，包括依次进行的高温区冷却、中温区冷却、低温区冷却和出炉冷却。在本发明中，所述所述高温区冷却为从淬火温度冷却至600℃，冷却速度为7～10℃/min；本发明将高温冷却区的冷却速度控制在7～10℃/min，可以避免珠光体类型组织的形成，保证材料的机械性能。在本发明中，所述中温区冷却为从600℃冷却至400℃，冷却速度为3～5℃/min；由于模具的厚薄悬殊，在高温冷却时，表面和心部的温差较大，本发明将中温冷却区的冷却速度控制在3～5℃/min，可以使模具的表面和心部的温差减小至100℃以内，以控制变形和避免开裂。在本发明中，所述低温区冷却为从400℃冷却至250℃，冷却速度为4～7℃/min；本发明将低温冷却的冷却速度控制在4～7℃/min，可以快速通过马氏体转变点Ms，得到马氏体组织，并避免贝氏体组织的形成。在本发明中，所述高温区冷却、中温区冷却和低温区冷却的冷却速度均通过调整压力的大小和风机的转速来控制。在本发明中，所述出炉冷却将经过所述低温区冷却的热作模具钢在大气中冷却至80～100℃；所述出炉冷却还优选包括校正，具体操作优选为：将经过低温区冷却的热作模具钢出炉，放在夹具上冷却，同时进行校正。在本发明具体实施例中，采用的夹具由龙门架、平垫板和螺旋式顶杆组合而成，将出炉后的模具放入龙门架内，以龙门架的下面为支撑，先将不规则的型腔面用垫块垫平4个边角，模具钢底面放上平垫板，然后再以龙门架的上面为支撑放入螺旋式顶杆顶压在模具底面变形凸起的最高点，以平垫板为基准，旋转顶杆施加压力直至平垫板与模具底面全部贴合，然后让顶杆保持压力并冷却模具，使模具的各个厚薄部位能够在继续进行马氏体转变时，体积膨胀的部位能均匀地释放出热量，控制变形量。

热作模具淬火冷却速度越快，其冲击韧性越高，但过快的冷却速度容易造成变形过大和开裂，本发明在淬火冷却时采用多阶段冷却，对各个温度区域进行冷却速度管理，使热作模具钢以适当的冷却速度通过各个影响组织转变的温度区域，以获得最佳综合性能。

淬火冷却后，本发明将淬火冷却后的热作模具钢进行回火。本发明优选将淬火冷却后的热作模具钢拆除夹具，然后装进回火炉进行回火。在本发明中，所述回火的次数优选为3～4次；所述回火的温度和时间根据热作模具钢的硬度要求进行设定。

本发明提供的热作模具钢热处理方法不仅能够提高模具的冲击韧性，保证模具的使用寿命和质量，还能够有效控制模具变形量，将变形量控制在模具底面对角线长度的0.1％以下，有效避免开裂风险，从而节省加工时间和材料成本，提供生产效率、缩短生产周期。

下面结合实施例对本发明提供的热作模具钢热处理方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

以热作模具钢DHA-WORLD为例，图1所示的汽车变速箱铝合金压铸模具，形状不规则、厚薄悬殊、尺寸又比较大(196×767×822mm)，采用如下步骤对该热作模具钢进行热处理：

1)保护：

A、模具拐角部位保护：先用耐高温的保温石棉塞住拐角缝隙，再用5mm厚的石棉均匀覆盖整个拐角部位进行保温，最后用2mm厚铁皮包住；

B、尖角处保护：用10mm厚的石棉直接护住尖角处，再用2mm厚铁皮包上；

C、孔径保护：用石棉垫满，再用1mm厚石棉封住孔口。

2)装炉：将热作模具钢工件放置于高压真空炉中，并用6支热电偶插在模具的中心和均匀分布在各个厚薄部位的内部，以监察和管理模具不同部位的温度变化。

3)加热：分650℃和850℃两段预热，然后升温至淬火温度1030℃，保温时间240min，使整个模具的各个部位在保温时间内，都充分奥氏体化，为淬火冷却做好准备。

4)多阶段淬火冷却：

A、高温区1030～600℃：调整压力和风机转速频率，使得模具最厚中心部以平均冷速7.5℃/min的速度通过该温度区域，以避免珠光体组织的转变产物；

B、中温区600～400℃：调整风机转速频率为最低或者“0”，冷速控制在4℃/min，使模具的表面和心部的温差减小至100℃以内，以控制变形；

C、低温区400～250℃：6Bar压力冷却，平均冷速达到4.4℃/min，以快速通过马氏体转变点Ms，得到马氏体组织，并避免贝氏体组织的形成；

D、出炉冷却：在中心部温度冷却至250℃以下，从真空炉内取出模具，放在特制的夹具上冷却，同时进行校正；该套夹具主要采用龙门架、平垫板和螺旋式顶杆组合而成，模具出炉后先将不规则的型腔面垫平，模具底面放上大型平垫板，然后再放入螺旋式顶杆，以平垫板为基准，旋转顶杆施加压力直至平垫板与模具底面全部贴合，然后让顶杆保持压力并冷却模具；模具温度冷却至80～100℃后，拆除夹具，将模具装进回火炉进行回火。

5)回火：

570～580℃回火3次，模具的最终硬度为44.8HRC。

经过以上热处理后，该热作模具钢中心部的冲击韧性(2mmU型缺口，H方向)为38J/cm²，变形量为0.70mm，在对角线长度的0.1％以下。

对比例1

对实施例1的同一形状的热作模具钢装炉，然后按实施例1的加热参数进行升温加热，在淬火冷却阶段充入6Bar压力的气体，将模具钢直接冷却至150℃左右出炉，570～580℃回火3次至硬度为44.2HRC。

经过对比例1热处理的热作模具钢中心部的冲击韧性(2mmU型缺口，H方向)为23J/cm²，变形量为1.5mm，超出对角线长度的0.1％。

由以上实施例可以看出，本发明提供的热作模具钢热处理方法与传统的热处理方法相比，不仅能够提高模具的机械性能，还能够有效控制模具变形量，避免开裂风险。

本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种热作模具钢热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将热作模具钢进行淬火保护后，加热至淬火温度1020～1030℃并保温；

(2)将步骤(1)保温后的热作模具钢进行淬火冷却，所述淬火冷却为多阶段冷却，包括依次进行的高温区冷却、中温区冷却、低温区冷却和出炉冷却；

所述高温区冷却为从淬火温度冷却至600℃，冷却速度为7～10℃/min；

所述中温区冷却为从600℃冷却至400℃，冷却速度为3～5℃/min；

所述低温区冷却为从400℃冷却至250℃，冷却速度为4～7℃/min，且大于所述中温区冷却的冷却速度；

所述出炉冷却将经过所述低温区冷却的热作模具钢在大气中冷却至80～100℃；

(3)将步骤(2)进行淬火冷却后的热作模具钢进行回火。

2.根据权利要求1所述的热作模具钢热处理方法，其特征在于，所述淬火保护包括对热作模具钢进行的拐角部位保护、尖角处保护和孔径保护。

3.根据权利要求2所述的热作模具钢热处理方法，其特征在于，所述拐角部位保护的具体操作为：先用石棉塞住拐角部位的缝隙，再依次用石棉和铁皮对拐角部位进行整体覆盖。

4.根据权利要求2所述的热作模具钢热处理方法，其特征在于，所述尖角处保护的具体操作为：依次用石棉和铁皮对所述尖角处进行覆盖。

5.根据权利要求2所述的热作模具钢热处理方法，其特征在于，所述孔径保护的具体操作为：用石棉将孔径垫满，再用石棉封住孔口。

6.根据权利要求1所述的热作模具钢热处理方法，其特征在于，所述加热至淬火温度1020～1030℃之前，还包括对淬火保护后的热作模具钢进行预热；所述预热包括依次进行的第一预热阶段和第二预热阶段；所述第一预热阶段的预热温度为650℃，所述第二预热阶段的预热温度为850℃。

7.根据权利要求1所述的热作模具钢热处理方法，其特征在于，所述出炉冷却还包括校正，具体操作为：将经过低温区冷却的热作模具钢出炉，放在夹具上冷却，同时进行校正。

8.根据权利要求1所述的热作模具钢热处理方法，其特征在于，所述回火的次数为3～4次。

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