鋁擠壓工模具熱處理研究及典型工件熱處理舉例

陳敏瑩，夏烈疆，陳仕威，邵蓮芬，劉靜安

（1.廣州市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)恒威模具公司，廣東528231；2.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

擠壓工模具在鋁合金擠壓過程中是直接決定產(chǎn)品能否生產(chǎn)和質(zhì)量高低的最重要的生產(chǎn)工具[1]。合理的工模具設(shè)計和高品質(zhì)制作對提高擠壓制品的產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成品率，減少模具鋼的消耗，降低生產(chǎn)成本等都具有十分重要的意義[2，3]。

鋁擠壓工模具的制作工藝比較復(fù)雜，由坯材制作、機(jī)加工、電加工、手工拋制和熱處理等多道工序組成。熱處理是在工件經(jīng)冷加工至半成品后進(jìn)行的改善其組織與性能的高溫作業(yè)，也是決定其質(zhì)量最關(guān)鍵的工序之一[3]。因?yàn)楣つ＞叩男螤顝?fù)雜，各部位厚度差較大，需嚴(yán)格控制加熱溫度和淬火冷卻速度以防止其局部過燒和開裂。因此熱處理過程需要一些熟識金屬熱處理理論及操作技能的高級工匠，并能嚴(yán)格遵守?zé)崽幚砉に嚰o(jì)律，才能最終獲得優(yōu)質(zhì)的工模具[4，5]。本文主要討論鋁擠壓工模具熱處理全過程的工藝技術(shù)及其要點(diǎn)，并舉出典型工模具熱處理成功實(shí)例，供同行們參考與商討。

1 鋁擠壓工模具材料選擇

我國常用鋁擠壓熱作工模具鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能，見表1和表2[1，3，4]。

表1 我國常用的鋁擠壓工模具鋼材主要化學(xué)成分

表2 我國常用模具鋼材的力學(xué)性能

我國鋁擠壓工模具制作公司所使用的模塊鋼坯大都直接從國內(nèi)專業(yè)鋼廠購進(jìn)，根據(jù)所需工模具鋼的鋼號、工模具的規(guī)格進(jìn)行高溫改鍛后再進(jìn)行球墨退火，合格的模坯硬度≤229HB[2，6]。

2 鋁擠壓工模具熱處理工藝研究

本文的研究和試驗(yàn)是在廣東大瀝鎮(zhèn)的恒威模具公司進(jìn)行的，利用該廠的現(xiàn)有生產(chǎn)條件、生產(chǎn)設(shè)備與工具進(jìn)行的生產(chǎn)型試驗(yàn)。

2.1 鋁擠壓工模具熱處理設(shè)備及工具

（1）熱處理爐：60、70、90 kW高溫（1 300℃）熱處理爐各1臺、90 kW中溫（900 ℃） 熱處理爐1 臺，另外配有低溫（700 ℃）井式電阻爐、配電箱各1臺。100 kW真空淬火爐1臺。

（2）淬火油槽一個（長4 m，寬3.5 m，深3 m），并配置淬火油冷卻循環(huán)系統(tǒng)及吊裝工具等。

（3）工模具硬度測試工具：座式布氏、洛氏、維氏硬度計一臺。手提式布氏、洛氏硬度計一臺。

2.2 工模具熱處理前的準(zhǔn)備工作和裝爐

（1)工模具裝爐前，應(yīng)在其非工作表面做火花打磨，以鑒別鋼號。

（2）目測工模具是否有裂紋、碰傷、尖角等缺陷，如有缺陷需打磨消除后方可裝爐。

（3）在裝爐前對帶有螺孔的工件應(yīng)用石棉泥將螺孔堵死并在石棉泥干后再裝爐加熱。對帶有陽螺紋的工件，在螺紋部位采用石棉繩纏繞保護(hù)。

（4）開爐前，應(yīng)全面檢查爐子、配電箱、吊車等設(shè)備的完好性。

（5）工件裝爐時嚴(yán)格執(zhí)行如下細(xì)節(jié)規(guī)定：

①中溫爐，同爐裝入的工模具的有效加熱厚度差控制在≤20 mm。

②高溫爐，同爐裝入的工模具的有效加熱厚度差控制在≤10 mm。

③工件入爐時應(yīng)先裝大件后裝小件，使大件遠(yuǎn)離爐門，以確保大小件加熱溫度均勻。

④工件與爐壁間距離應(yīng)≥100 mm，工件間的距離應(yīng)≥60～80 mm。

⑤每一爐的裝爐量按設(shè)備說明來操作，不允許超量。

（6）大型復(fù)雜的工模具在熱處理前應(yīng)按技術(shù)條件進(jìn)行超聲波探傷，合格品才允許裝爐。

2.3 工藝參數(shù)的選擇原則與細(xì)節(jié)的確定

2.3.1 淬火、回火的溫度確定

經(jīng)過多次結(jié)合生產(chǎn)的試驗(yàn)，最終確定了淬火、回火的溫度，結(jié)果見表3。

表3 工模具淬火、回火溫度確定表

以下幾點(diǎn)細(xì)節(jié)是值得高度重視的[1，3，6]：

（1）工件入油前的淬火油溫度≤100 ℃，要準(zhǔn)備好防火器材，嚴(yán)防著火。

（2）在熱處理工藝操作的全過程均要求操作人員嚴(yán)格遵守工藝規(guī)程和細(xì)節(jié)規(guī)定，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時報告主管并處理，待問題解決后才繼續(xù)工作。

（3）嚴(yán)格控制淬火加熱速度，在低溫升到中溫時速度要慢，中溫升至高溫時，加熱速度要快。

（4）工件在高溫區(qū)保溫時間不能過長，過長會產(chǎn)生過熱，使晶粒變粗，降低力學(xué)性能。

（5） 工模具加熱時，在高溫區(qū)應(yīng)嚴(yán)防跑溫，以防止過燒而導(dǎo)致全爐工件報廢。

（6） 工模具出爐到入油槽的間隔時間不可過長，應(yīng)控制在≤3 min，如>3 min 時，應(yīng)把工件重新推入爐內(nèi)保溫10～50 min（視工模具降溫而定），再吊出入油槽淬火。

（7） 為確保工件淬透，在油槽淬火冷卻時，應(yīng)上下、左右移動，使其冷卻均勻，并擇時將其吊出油槽（距油面300～500 mm），在空中停留1 min，使工件心部熱量向外釋放。

（8） 大型（直徑≥300 mm）復(fù)雜的工件，淬火冷卻至180～200 °C 時應(yīng)及時進(jìn)入回火爐升溫回火，不允許在室溫下停留。

（9）形狀簡單的小型工件（直徑≤200 mm 模子）在淬火后允許在室溫下停留，見表4。

（10） 工模具在第一次回火后應(yīng)冷卻至室溫30～40 ℃后，再進(jìn)行第二次回火，以確保其組織穩(wěn)定。

第一次回火后檢測硬度值，如不符合技術(shù)條件要求，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整第二次回火溫度。

表4 ?<200 mm工件淬火后在室溫下停留時間表

2.3.2 工模具淬火回火保溫時間的計算與確定

表5 不同鋼材、爐型和工模具最大有效厚度下淬火及回火保溫時間

一般情況下，裝爐量大、爐子升溫速度較快時，淬火和回火保溫時間應(yīng)取上限，反之，取下限。形狀復(fù)雜的大型工模具淬火和回火保溫時間取上限。

（2）淬火最大有效厚度的確定。淬火最大有效厚度可根據(jù)工模具的種類、規(guī)格而定：

①平面模（餅類件）的淬火加熱厚度，按模子的最大厚度（高度H）計算。

②平面分流組合模的上下模分爐淬火，上下模的有效加熱時間應(yīng)分別計算：

（a）上模的淬火最大有效厚度計算：當(dāng)分流孔較小，模子高度（不包括芯頭高）≤壁厚（分流孔與外圓間的壁厚）時，最大有效淬火加熱厚度按壁厚計算。

（b）如模子高度>壁厚時，則最大淬火加熱有效厚度按上模高度計算。

（c）下模的最大淬火有效加熱厚度：按模具高度（H）減去止口高度（h）計算。

③墊環(huán)類、模支撐等環(huán)形件，按以下幾種方法計算：

（1）淬火、回火保溫時間。依爐型和工模具的有效厚度而定，經(jīng)多次反復(fù)生產(chǎn)性試驗(yàn)后得出表5所示結(jié)果。

⑤擠壓軸、穿孔針按最大直徑計算。

2.3.3 工模具熱處理后的質(zhì)量檢測與處理

（1）工模具硬度的檢測及標(biāo)準(zhǔn)。鋁擠壓工模具熱處理（淬火回火）后，應(yīng)及時檢測硬度值。檢測硬度前，在工件的同一平面上選擇三點(diǎn)，用砂輪磨去0.5～2 mm 厚的脫碳層（見表6）并拋光至Ra1.6 μm，檢測每一個點(diǎn)的硬度值，所有的值都應(yīng)符合技術(shù)條件規(guī)定的范圍，見表7。

表6 脫碳層的磨去厚度（空氣淬火爐加熱）

表7 不同鋼種和規(guī)格的工模具技術(shù)條件允許的硬度值

（2）重復(fù)熱處理。當(dāng)檢測工模具硬度低于技術(shù)條件指標(biāo)時，應(yīng)進(jìn)行重復(fù)熱處理：如工件硬度≥35 HRC 時需要將工件退火至35 HRC 以下，調(diào)整工藝后進(jìn)行重復(fù)熱處理（淬火，回火處理），使之符合技術(shù)條件的范圍；如工件硬度<35 HRC時，則工件不需要退火，直接調(diào)整工藝后進(jìn)行重復(fù)熱處理（淬火、回火處理），使之符合技術(shù)條件的范圍。工件重復(fù)熱處理不允許超過3次。

（3）目測模子表面質(zhì)量要符合技術(shù)條件范圍，否則需修復(fù)至合格范圍。

（4）超聲波探傷。

3 典型工模具熱處理工藝舉例

為了證實(shí)熱處理工藝制度的合理與正確性，特舉出如下典型工模具熱處理工藝實(shí)例，這些工模具在生產(chǎn)中均獲得了優(yōu)質(zhì)擠壓產(chǎn)品，而且使用壽命較長。

3.1 模具類

（1）平面模，見圖1。規(guī)格：?300 mm×60 mm；材料：3Cr2W8V(H21)；硬度要求：48～51HRC；熱處理設(shè)備：70 kW高溫電阻爐和60 kW中溫電阻爐。

平模熱處理工藝曲線圖見圖2。

圖1 平面模

圖2 3Cr2W8V(H21)平面模熱處理工藝曲線圖

（2）平面分流組合模?？偤穸龋?240 mm×144 mm，上模，見圖3。規(guī)格：?240 mm×104 mm （有效厚度80 mm）；材料： 4Cr5MoSiV1(H13) ；硬度要求：48～51 HRC；熱處理設(shè)備：90 kW高溫電阻爐、60 kW中溫電阻爐。

圖3 平面分流組合模上模

上模熱處理工藝曲線見圖4。

圖4 4Cr5MoSiV1(H13)平面分流組合模上模熱處理工藝曲線圖

下模，見圖5。規(guī)格：?240 mm×66 mm；材料： 4Cr5MoSiV1(H13) ； 硬 度 要 求： 48～51 HRC；熱處理設(shè)備：90 kW 高溫電阻爐、 60 kW中溫電阻爐。

圖5 平面分流組合模下模

下模熱處理工藝曲線如圖6所示。

圖6 4Cr5MoSiV1(H13)平面分流組合模下模熱處理工藝曲線圖

3.2 工具類

（1） 擠壓筒內(nèi)套，見圖7。規(guī)格：外徑215 mm×內(nèi)徑100 mm×400 mm；材料：4Cr5Mo?SiV1(H13) ；硬度要求：46～48 HRC；熱處理設(shè)備：90 kW高溫電阻爐、60 kW中溫電阻爐。

裝爐量：一爐一件。

圖7 擠壓筒內(nèi)套

擠壓筒內(nèi)套熱處理工藝曲線見圖8。

圖8 4Cr5MoSiV1(H13)擠壓筒內(nèi)套熱處理曲線圖

（2）擠壓穿孔針，見圖9。規(guī)格：外徑（20～25）mm×400 mm；材料：3Cr2w8v(H21) ；硬度要求：48～52 HRC；熱處理設(shè)備；100 kW 真空淬火爐、60 kW中溫電阻爐。

裝爐量：一爐50根。

圖9 穿孔針

穿孔針真空熱處理工藝曲線見圖10。

圖10 3Cr2w8v(H21）穿孔針100 kW真空爐淬火，60 kW中溫爐回火工藝曲線圖

（3）擠壓墊片。規(guī)格：外徑225 mm×800 mm；材料：5CrNiMo；硬度要求：45～48HRC；熱處理設(shè)備：70 kW 高溫電阻爐、60 kW中溫電阻爐。

熱處理工藝曲線如圖11所示。

圖11 5CrNiMo實(shí)心擠壓墊熱處理工藝曲線圖

4 結(jié)論

（1）熱處理是保證擠壓工模具質(zhì)量、獲得良好組織和性能的關(guān)鍵工序，應(yīng)嚴(yán)格按工藝規(guī)范來完成工模具熱處理的全過程。

（2）淬火、回火溫度和保溫時間、冷卻速度是熱處理最重要的工藝參數(shù)，特別是其操作細(xì)節(jié)是技術(shù)的關(guān)鍵，應(yīng)認(rèn)真選擇和確定。

（3）熱處理質(zhì)量的判定和熱處理后的處理要慎重，嚴(yán)防過熱過燒。