一种减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺的制作方法

1.本发明涉及材料热处理技术领域，具体涉及一种减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺。


背景技术：

2.模具是加工制造产业中最重要的工艺装备，模具制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志。压铸模具钢是液态金属成型的主要工具。受产品结构的影响，模具形状十分复杂，不可避免的会有较多的薄壁、尖角等，尤其是阶梯式厚度差的存在，这些都会影响到模具淬火时或多或少的会产生一定的变形，甚至于开裂，如果模具变形超差或者是开裂将直接导致模具制造成本的增加，同时也很大程度的影响到产品的生产交期。
3.h13钢是目前使用最广泛及最具代表性的热作模具钢。众所周知，热疲劳裂纹容易在晶界扩展，现阶段提高热作模具钢的热疲劳性能主要通过加入合金元素，让其实现固溶强化以及第二相强化，来抑制热疲劳裂纹萌生与扩展。
4.现有技术文献，专利号：201010224086.8，专利名称为：大型压铸模具的真空等温热处理工艺，公开了能过获得理想组织性能和最小形变的大型压铸模具的真空等温热处理工艺。其技术问题存在，于淬火冷却开始即充入9bar的氮气，对于大型尤其是较复杂的压铸模具，因急剧冷却产生了较大的热应力和组织应力，存在一定的变形或开裂风险，并且压力越大，作用在模具不同结构面上的温差就越大，温差越大其热应力和组织应力就越大。
5.针对上述缺陷，本技术开发一种适用于低成本，简单易行的热处理工艺，来减小h13类压铸模具钢热处理变形或开裂的方法。


技术实现要素：

6.为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，改进热处理工艺进行工艺控制，可操作性高、不增加工艺成本、工艺简洁，本发明工艺通过分段调控冷却气体压力和风机转速，实现对模具淬火各阶段进行预冷-弱冷-强冷，以控制模具薄弱部位受冷却不当的影响而产生变形甚至于开裂。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，包括以下步骤：
9.(1)将准备好的模具置于真空高压气淬炉内，采用常规淬火工艺加热并保温，让模具充分奥氏体化；
10.(2)步骤(1)中经过充分奥氏体化之后的模具，在慢充气模式下充入3bar高纯氮气，充气速率为0.15bar/秒，将冷却风机启动并将转速设定在1800转/分钟，保持冷却1min；
11.(3)步骤(2)中模具经过冷却保持1min后，以慢充气模式充入高纯氮气加压至6bar，充气速率为0.30bar/秒，将冷却风机转速提速到2200转/分钟，保持冷却1min；
12.(4)将步骤(3)中经过冷却保温之后的模具，以慢充气模式充入高纯氮气加压到9bar，其充气速率为0.45bar/秒，将冷却风机转速提速到2600转/分钟，保持冷却1min；
13.(5)步骤(4)结束后，再向真空高压气淬炉内以快充气模式充入高纯氮气加压到12～14bar，充气速率为0.80bar/秒，冷却风机转速提速到3000转/分钟，当模具表面温度降到450℃时根据模具芯部温度调整降低氮气压力和风机转速，直至模具表面与芯部温度差小于100℃，再向真空高压气淬炉内充入12～14bar的高纯氮气压力，并将冷却风机转速提升至3000转/分钟，高速高压冷却模具芯部温度到110℃时停止冷却。
14.步骤(1)常规淬火工艺：以180～200℃/小时升温到620℃，模具芯部到590℃后，以200℃/小时升温到820℃，模具芯部到800℃后，以30min升温到1015℃，模具芯部到1005℃后保温45min。
15.步骤(2)至步骤(5)均在同一容器中冷却，介质为99.99％的高纯氮气。
16.步骤(2)至步骤(5)的氮气压力和冷却风机转速为分段加压加速方式，冷却风机为变频冷却风机。
17.步骤(5)当模具表面温度降到450℃时，根据模具芯部温度调整降低氮气压力和冷却风机转速，具体包括如下步骤：氮气压力是固定降到3bar的，设定等温温度为450℃，上偏差+10℃，下偏差-20℃，即模具表面温度控制在460～430℃范围内，当模具表面温度因芯部温度传导而上升，当模具表面温度上升超过460℃时，风机提速运行，而当模具表面温度降到430℃时，风机则降速运行甚至停机，停机时模具表面温度仍然下降时，将自行启动加热，始终保持模具表面温度在设定的等温温度范围内，直到模具芯部降温到530℃(450+80℃)时持续3～8分钟后，等温结束。模具进入下段程序运行-充入12～14bar氮气，风机3000转/分。
18.还包括步骤(6)对模具薄壁面热熔结晶加固的热熔处理，具体包括如下步骤：
19.(6.1)将模具转移至激光熔化室内，激光熔化室内设置有激光熔化系统、红外温度传感器和送粉系统，送粉系统用于对模具的表面铺撒金属粉，激光熔化系统产生用于对模具的表面进行热熔化的激光，红外温度传感器用于实时获取熔化面的温度，激光熔化系统包括若干激光发射点，若干激光发射点组成激光扫描加热面，对模具的表面进行扫描并烧蚀热熔；
20.(6.2)开启送粉系统，将金属粉铺盖在模具的表面，金属粉经激光热熔并凝固模具的表面，直至金属粉熔覆在模具的表面形成熔覆结构；在对模具的表面进行热熔处理过程中，红外温度传感器实时获取熔化面的温度，对应调节激光参数，使模具熔化面的温度处于合适的加热温度范围内，并根据模具熔化面形状调节激光参数，激光参数基于熔化面的温度及熔覆结构厚度值，对应调整激光功率、扫描速度、光斑直径。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.1.本发明进行的分段加压加速方式，冷却初始阶段采用低压低速，让模具薄弱部位(如尖角、薄壁、孔位等)先预先冷却，此时因冷速较低，模具没有较大的热应力和组织应力产生，故而可有效的避免模具薄弱部位产生变形甚至开裂现象。随后逐步加压加速，直至达到冷却气压12～14bar，风机全速运行，由于规避了模具薄弱部位的变形开裂风险，有效的淬火冷却气压可在原基础上高出3～5bar，增加了对压铸模具芯部的冷却能力，因而可以达到较理想的淬透层深度；
23.2.本发明工艺通过分段调控冷却气体压力和风机转速，保证了模具热处理硬度均匀分布，以1800*960*560mm为例：模具各处硬度不均匀度小于1.5hrc；较常规热处理工艺提
升了80～100j的冲击功。本发明处理工艺在热疲劳循环1000次后，较常规热处理工艺主裂纹长度减少了250～260μm，裂纹宽度减少了7～24μm，具有良好的热疲劳性能。
24.3.本发明方法还加入热熔处理工艺，用于对模具薄壁面热熔结晶加固的热熔处理，消除模具薄壁面内部缺陷，金属粉经激光热熔并凝固模具的表面，直至金属粉熔覆在模具的表面形成熔覆结构；在对模具的表面进行热熔处理过程中，红外温度传感器实时获取熔化面的温度，使得模具熔化面的温度处于适合的预置温度范围内，通过上述对模具薄壁面热熔结晶加固，显著降低模具薄壁面翘曲开裂，有效避免裂纹、开裂、翘曲变形现象，提高模具内外部质量和模具表面力学综合性能，可有效的避免模具薄弱部位产生变形甚至开裂现象。
25.为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
附图说明
26.图1为本发明热处理方法后的压铸模具金相显微图(100x)；
27.图2为本发明热处理方法后的压铸模具金相显微图(500x)；
28.图3为本发明热处理方法后的压铸模具金相显微图(1000x)；
29.图4为本发明热处理方法后的压铸模具性能测定图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例：参阅附图1-4，本实施例提供一种减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，包括以下步骤：
32.(1)将准备好的模具置于真空高压气淬炉内，采用常规淬火工艺加热并保温，让模具充分奥氏体化；
33.(2)步骤(1)中经过充分奥氏体化之后的模具，在慢充气模式下充入3bar高纯氮气，充气速率为0.15bar/秒，将冷却风机启动并将转速设定在1800转/分钟，保持冷却1min；
34.(3)步骤(2)中模具经过冷却保持1min后，以慢充气模式充入高纯氮气加压至6bar，充气速率为0.30bar/秒，将冷却风机转速提速到2200转/分钟，保持冷却1min；
35.(4)将步骤(3)中经过冷却保温之后的模具，以慢充气模式充入高纯氮气加压到9bar，其充气速率为0.45bar/秒，将冷却风机转速提速到2600转/分钟，保持冷却1min；
36.(5)步骤(4)结束后，再向真空高压气淬炉内以快充气模式充入高纯氮气加压到12～14bar，充气速率为0.80bar/秒，冷却风机转速提速到3000转/分钟，当模具表面温度降到450℃时根据模具芯部温度调整降低氮气压力和风机转速，直至模具表面与芯部温度差小于100℃，再向真空高压气淬炉内充入12～14bar的高纯氮气压力，并将冷却风机转速提升至3000转/分钟，高速高压冷却模具芯部温度到110℃时停止冷却。
37.步骤(1)常规淬火工艺：以180～200℃/小时升温到620℃，模具芯部到590℃后，以
200℃/小时升温到820℃，模具芯部到800℃后，以30min升温到1015℃，模具芯部到1005℃后保温45min。
38.步骤(2)至步骤(5)均在同一容器中冷却，介质为99.99％的高纯氮气。
39.步骤(2)至步骤(5)的氮气压力和冷却风机转速为分段加压加速方式，冷却风机为变频冷却风机。
40.步骤(5)当模具表面温度降到450℃时，根据模具芯部温度调整降低氮气压力和冷却风机转速，具体包括如下步骤：氮气压力是固定降到3bar的，设定等温温度为450℃，上偏差+10℃，下偏差-20℃，即模具表面温度控制在460～430℃范围内，当模具表面温度因芯部温度传导而上升，当模具表面温度上升超过460℃时，风机提速运行，而当模具表面温度降到430℃时，风机则降速运行甚至停机，停机时模具表面温度仍然下降时，将自行启动加热，始终保持模具表面温度在设定的等温温度范围内，直到模具芯部降温到530℃(450+80℃)时持续3～8分钟后，等温结束。模具进入下段程序运行-充入12～14bar氮气，风机3000转/分。
41.现有技术压铸模具的真空等温热处理工艺，其先通过加热保温，然后再不低于9bar压力下进行风冷，当模具表面温度淬到427℃时，将冷却压力降到2bar，停止风冷。然后通过对流风扇进行等温处理，等位处理结束后，再加压到6bar以上进行风冷。于淬火冷却开始即充入9bar的氮气，对于大型尤其是较复杂的压铸模具，因急剧冷却产生了较大的热应力和组织应力，存在一定的变形或开裂风险，并且压力越大，作用在模具不同结构面上的温差就越大，温差越大其热应力和组织应力就越大，
42.而本发明以分段逐渐加压加速的方式，在不产生珠光体组织的前提下，以适当的冷却速度接近并以较快的冷却速度越过先共析铁素体、先共析碳化物区间，此时淬火压铸模具各结构表面间的温差较小，所产生的热应力和组织应力的影响很小，从而避免了模具的变形或开裂现象。
43.本发明等温过程比大型压铸模具的真空等温热处理工艺的等温过程更为可靠，大型压铸模具的真空等温热处理工艺通过对流风扇固速旋转，并以2bar氮气压力来控制模具表面温度在一个区间范围内是很难实现的，而本发明则是氮气压力是固定降到3bar的，设定等温温度为450℃，上偏差+10℃，下偏差-20℃，即模具表面温度控制在460～430℃范围内，当模具表面温度因芯部温度传导而上升，当模具表面温度上升超过460℃时，风机提速运行，而当模具表面温度降到430℃时，风机则降速运行甚至停机，停机时模具表面温度仍然下降时，将自行启动加热，始终保持模具表面温度在设定的等温温度范围内，直到模具芯部降温到530℃(450+80℃)时持续3～8分钟后，等温结束。模具进入下段程序运行-充入12～14bar氮气，风机3000转/分。
44.两者相比之下，在等温完成后越过粗大贝氏体区间的冷却氮气压力要高6～8bar，对于压铸模具尤其是大型压铸模具，所获得非马氏体组织的几率就低，并且淬硬层更深，冲击韧性更高，提升了模具的抗冷热疲劳强度。
45.本发明进行的分段加压加速方式，冷却初始阶段采用低压低速，让模具薄弱部位(如尖角、薄壁、孔位等)先预先冷却，此时因冷速较低，模具没有较大的热应力和组织应力产生，故而可有效的避免模具薄弱部位产生变形甚至开裂现象。随后逐步加压加速，直至达到冷却气压12～14bar，风机全速运行，由于规避了模具薄弱部位的变形开裂风险，有效的
淬火冷却气压可在原基础上高出3～5bar，增加了对压铸模具芯部的冷却能力，因而可以达到较理想的淬透层深度；
46.本发明工艺通过分段调控冷却气体压力和风机转速，保证了模具热处理硬度均匀分布，以1800*960*560mm为例：模具各处硬度不均匀度小于1.5hrc。
47.本发明处理工艺较常规热处理工艺提升了80～100j的冲击功。本发明处理工艺在热疲劳循环1000次后，较常规热处理工艺主裂纹长度减少了250～260μm，裂纹宽度减少了7～24μm，具有良好的热疲劳性能。
48.本发明方法还加入热熔处理工艺，用于对模具薄壁面热熔结晶加固的热熔处理，消除模具薄壁面内部缺陷，具体包括如下步骤：
49.将模具转移至激光熔化室内，激光熔化室内设置有激光熔化系统、红外温度传感器和送粉系统，送粉系统用于对模具的表面铺撒金属粉，激光熔化系统产生用于对模具的表面进行热熔化的激光，红外温度传感器用于实时获取熔化面的温度，激光熔化系统包括若干激光发射点，若干激光发射点组成激光扫描加热面，对模具的表面进行扫描并烧蚀热熔；激光扫描加热面温度范围为600-800℃。
50.开启送粉系统，将金属粉铺盖在模具的表面，金属粉经激光热熔并凝固模具的表面，直至金属粉熔覆在模具的表面形成熔覆结构；在对模具的表面进行热熔处理过程中，红外温度传感器实时获取熔化面的温度，对应调节激光参数，使模具熔化面的温度处于合适的加热温度范围内，并根据模具熔化面形状调节激光参数，激光参数基于熔化面的温度及熔覆结构厚度值，对应调整激光功率、扫描速度、光斑直径。
51.本实施例金属粉为镁合金粉、铅合金粉、铝合金粉中的一种或多种组成的金属粉，金属粉的粒度为20-100目，最佳为20-30目；熔覆结构层厚度为1000微米至3000微米，激光功率为400-10000w，扫描速度为1-10mm/s，光斑直径为1-5mm，保护气体为惰性气体。
52.本发明方法通过加入热熔处理工艺，用于对模具薄壁面热熔结晶加固的热熔处理，消除模具薄壁面缺陷，金属粉经激光热熔并凝固模具的表面，直至金属粉熔覆在模具的表面形成熔覆结构；在对模具的表面进行热熔处理过程中，红外温度传感器实时获取熔化面的温度，使得模具熔化面的温度处于适合的预置温度范围内，
53.通过上述对模具薄壁面热熔结晶加固，显著降低模具薄壁面翘曲开裂，有效避免裂纹、开裂、翘曲变形现象，提高模具内外部质量和模具表面力学综合性能，可有效的避免模具薄弱部位产生变形甚至开裂现象。
54.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)将准备好的模具置于真空高压气淬炉内，采用淬火工艺加热并保温，让模具充分奥氏体化；(2)步骤(1)中经过充分奥氏体化之后的模具，在慢充气模式下充入3bar高纯氮气，将冷却风机启动并将转速设定在1800转/分钟，保持冷却1min；(3)步骤(2)中模具经过冷却保持1min后，以慢充气模式充入高纯氮气加压至6bar，将冷却风机转速提速到2200转/分钟，保持冷却1min；(4)将步骤(3)中经过冷却保温之后的模具，以慢充气模式充入高纯氮气加压到9bar，将冷却风机转速提速到2600转/分钟，保持冷却1min；(5)步骤(4)结束后，再向真空高压气淬炉内以快充气模式充入高纯氮气加压到12～14bar，冷却风机转速提速到3000转/分钟，当模具表面温度降到450℃时根据模具芯部温度调整降低氮气压力和风机转速，直至模具表面与芯部温度差小于100℃，再向真空高压气淬炉内充入12～14bar的高纯氮气压力，并将冷却风机转速提升至3000转/分钟，高速高压冷却模具芯部温度到110℃时停止冷却。2.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(1)淬火工艺：以180～200℃/小时升温到620℃，模具芯部到590℃后，以200℃/小时升温到820℃，模具芯部到800℃后，以30min升温到1015℃，模具芯部到1005℃后保温45min。3.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)充入高纯氮气加压至3bar，其充气速率为0.15bar/秒。4.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(3)充入高纯氮气加压至6bar，其充气速率为0.30bar/秒。5.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(4)充入高纯氮气加压至9bar，其充气速率为0.45bar/秒。6.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(5)充入高纯氮气加压到12～14bar，其充气速率为0.80bar/秒。7.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)至步骤(5)均在同一容器中冷却，介质为99.99％的高纯氮气。8.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)至步骤(5)的氮气压力和冷却风机转速为分段加压加速方式，冷却风机为变频冷却风机。9.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(5)当模具表面温度降到450℃时，根据模具芯部温度调整降低氮气压力和冷却风机转速，具体包括如下步骤：氮气压力是固定降到3bar的，设定等温温度为450℃，上偏差+10℃，下偏差-20℃，即模具表面温度控制在460～430℃范围内，当模具表面温度因芯部温度传导而上升，当模具表面温度上升超过460℃时，风机提速运行，而当模具表面温度降到430℃时，风机则降速运行甚至停机，停机时模具表面温度仍然下降时，将自行启动加热，始终保持模具表面温度在设定的等温温度范围内，直到模具芯部降温到530℃时持续3～8分钟后，等温结束。
10.根据权利要求1所述的减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，其特征在于，还包括步骤(6)对模具薄壁面热熔结晶加固的热熔处理，具体包括如下步骤：(6.1)将模具转移至激光熔化室内，激光熔化室内设置有激光熔化系统、红外温度传感器和送粉系统，送粉系统用于对模具的表面铺撒金属粉，激光熔化系统产生用于对模具的表面进行热熔化的激光，红外温度传感器用于实时获取熔化面的温度，激光熔化系统包括若干激光发射点，若干激光发射点组成激光扫描加热面，对模具的表面进行扫描并烧蚀热熔；(6.2)开启送粉系统，将金属粉铺盖在模具的表面，金属粉经激光热熔并凝固模具的表面，直至金属粉熔覆在模具的表面形成熔覆结构；在对模具的表面进行热熔处理过程中，红外温度传感器实时获取熔化面的温度，对应调节激光参数，使模具熔化面的温度处于合适的加热温度范围内，并根据模具熔化面形状调节激光参数，激光参数基于熔化面的温度及熔覆结构厚度值，对应调整激光功率、扫描速度、光斑直径。

技术总结
本发明公开了减小压铸模具钢淬火变形开裂的热处理工艺，改进热处理工艺进行工艺控制，可操作性高、不增加工艺成本、工艺简洁，本发明工艺通过分段调控冷却气体压力和风机转速，实现对模具淬火各阶段进行预冷-弱冷-强冷，以控制模具薄弱部位受冷却不当的影响而产生变形甚至于开裂。通过分段调控冷却气体压力和风机转速，保证了模具热处理硬度均匀分布，模具各处硬度不均匀度小于1.5HRC；较常规热处理工艺提升了80～100J的冲击功。在热疲劳循环1000次后，较常规热处理工艺主裂纹长度减少了250～260μm，裂纹宽度减少了7～24μm，具有良好的热疲劳性能。好的热疲劳性能。好的热疲劳性能。


技术研发人员：黄忠华 张玉华 张冰娇
受保护的技术使用者：广东华兴隆模具材料科技有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/23