压铸模用4Cr5MoSiV1钢热处理强化工艺研究

压铸模生产效率高，能压铸形状复杂、尺寸精确、轮廓清晰、表面质量及强度、硬度都较高的压铸件，故应用较广，发展较快。4Cr5MoSiV1钢是一种新型热作模具钢，与国内传统热作模具钢3Cr2W8V相比，具有较高韧性、较好的抗冷热疲劳性，应用于压铸模、热挤压模上寿命显著提高，因而得到广泛使用。但该钢只进行淬火、回火处理尚不能充分提高模具寿命。采用“锻热调质预处理+去应力退火+真空高压气体淬火+三次高温回火+RE-N-C-B-O-S多元共渗”复合强化工艺，对4Cr5MoSiV1钢进行热处理强化工艺研究。

一、锻热调质预处理

用来制造压铸模的4Cr5MoSiV1钢毛坯均需进行锻造。将Φ200mm热轧原材料改锻成所需形状尺寸，锻造合格成型后乘高温余热返回炉中加热至1140～1150℃，保温后油淬，即锻热固溶淬火；随后进行(720±10)℃保温2h的高温回火，空冷；完成锻热调质预处理。以此获得细密的回火索氏体组织，碳化物呈均匀、细小、弥散析出，硬度220～240HB，既有良好的冷切削加工性能，又是理想的最终淬火预处理组织。实验表明：因钢材显微组织和亚结构细化明显改善，使淬火马氏体位错密度增加50%～80%，并使K1c、σb分别提高35%～45%和15%～20%，提高了压铸模钢内部质量。

二、去应力退火

对于压铸模而言，尺寸精度要求高，切削加工量大，在加工过程中，模具零件内部组织会发生不均匀的体积变化，从而产生内应力，处于一种极不稳定的状态。因此，为了消除切削应力，减小淬火变形，在淬火前需进行退火处理。加热时采用改变加热速度，即先慢(100℃/h)后快(150～200℃/h)，加热至退火温度(680±10)℃，保温2h后随炉冷却。

三、真空高压气体淬火

压铸模零件热处理加热过程中，表面产生的脱碳、增碳、合金元素贫化都将导致零件在使用中发生早期龟裂，所以需要进行真空热处理，这对已精加工成型再处理的零件尤其重要。

淬火加热是在HQG2双室高压气冷真空炉中进行，该炉装有对流循环加热装置，控温系统采用PID，不出炉即可完成淬火回火工序，有效避免氧化脱碳，且畸变微小，工艺稳定。真空炉加热主要靠辐射传热，由于模具较大，所以应进行二次预热。第一次预热的主要目的是消除零件淬火前机械加工中产生的加工应力，防止、减小加热过程中引起淬火畸变，预热温度高则消除应力效果明显，预热温度选定为550℃，加热速度8℃/min，保温时间30min+1min/mm，真空度设定为0.1Pa。第二次预热采用850℃，加热速度12℃/min，真空度设定为1Pa，保温时间10min+0.5min/mm。

淬火加热及随后的保温使合金元素充分溶解并完成奥氏体均匀化，获得细针状淬火马氏体，得到所需高温强度、高温硬度、高温韧性和抗软化等性能。经试验，最终淬火温度选择1020～1040℃，可达到固溶强化效果。保温时间不宜过长，以防止晶粒粗大。保温结束后，模具移至冷却室，通入高纯氮气(99.99%，0.4～0.5MPa)进行高压气淬，并用风扇使气体循环。为获得最佳冲击韧度和最小的尺寸变化，必须将组织中贝氏体量降至最低，通过贝氏体生成区(520～200℃)时必须强冷，淬火速率为7～8℃/s，可达到静止油的冷速，冷却均匀，工件畸变小。气冷淬火可避免油烟污染，还可取消中间清洗工序，不需油水分离和废油处理。冷却过程中不进行等温停留，连续冷却至80℃。

四、真空高温回火

淬火后不出炉，紧接着进行真空高温回火。铝合金压铸模型腔表面一般在20～600℃进行热循环，其成型零件的回火温度必须高于最高工作温度10～30℃才行。故回火工艺为580～620℃保温2h×3次，回火硬度应控制在40～48HRC。当真空度达到0.1～0.01Pa时开始加热，加热速度8℃/min。为了避免工件开裂，回火时应加热均匀，先把工件加热到380～400℃保温1h左右，再升温到580℃保温2h，通入高纯氮气(0.05～0.12MPa)进行低压快冷完成第一次回火。4Cr5MoSiV1钢500℃左右属回火脆性区，故选择既避开了脆性区又有利于获得尽量高回火硬度的回火温度。

第二次高温回火的主要目的是使硬度稳定。4Cr5MoSiV1钢采用620℃回火，硬度达到44HRC时具有强度、韧性、耐磨、抗冷热疲劳最佳搭配的综合性能。

第三次回火的主要目的是充分消除淬火过程中产生的热应力和组织应力，选择比第二次回火温度低10～20℃进行保温。回火过程中使真空度保持在1Pa左右。第三次回火后心部硬度为41～45HRC，具有良好的强韧性配合。

五、稀土RE-N-C-B-O-S多元共渗

为避免因型腔表面热交变应力而产生的龟裂引起模具失效，一般都需对压铸模表面进行强化处理。表面强化处理的方法很多，热扩渗是材料表面强化的一项重要工艺技术。当前，应用最广泛的是两种或两种以上元素的共渗。热扩渗工艺周期比较长且能耗多，因此，提高扩渗速度，缩短生产周期具有十分重要的意义。研究表明，稀土元素在提高共渗速度、增加渗层厚度、改善渗层组织和性能方面有良好的作用。采用稀土RE-N-C-B-O-S多元共渗工艺，实现对4Cr5MoSi-V1钢表面强化处理。

试样表面经严格除油除锈后装入RQ3-60井式气渗炉，工艺规范：610℃保温6h，滴量为初始90d/min×1h，而后50～70d/min×5h。硬度脆性用HV-120型维氏硬度计检测；渗层深度、金相组织用NEOPHOT32型金相显微镜检测。共渗剂由甲醇、尿素、甲酰胺、硫脲、硼酸组成。

4Cr5MoSiV1钢经锻热调质预处理后，钢材显微组织和亚结构细化明显改善，提高了压铸模钢内部质量。采用复合强化工艺后，与常规工艺相比，模具使用寿命平均可提高4～5倍