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(guò)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(jì)和高品質(zhì)制作對(duì)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(guò)燒和開(kāi)裂。因此熱處理過(guò)程需要一些熟識(shí)金屬熱處理理論及操作技能的高級(jí)工匠，并能?chē)?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(guò)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(guó)常用鋁擠壓熱作工模具鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能，見(jiàn)表1和表2[1，3，4]。

表1 我國(guó)常用的鋁擠壓工模具鋼材主要化學(xué)成分

表2 我國(guó)常用模具鋼材的力學(xué)性能

我國(guó)鋁擠壓工模具制作公司所使用的模塊鋼坯大都直接從國(guó)內(nèi)專業(yè)鋼廠購(gòu)進(jìn)，根據(jù)所需工模具鋼的鋼號(hào)、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(tái)、90 kW中溫（900 ℃） 熱處理爐1 臺(tái)，另外配有低溫（700 ℃）井式電阻爐、配電箱各1臺(tái)。100 kW真空淬火爐1臺(tái)。

（2）淬火油槽一個(gè)（長(zhǎng)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(cè)試工具：座式布氏、洛氏、維氏硬度計(jì)一臺(tái)。手提式布氏、洛氏硬度計(jì)一臺(tái)。

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(hào)。

（2）目測(cè)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(duì)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(duì)帶有陽(yáng)螺紋的工件，在螺紋部位采用石棉繩纏繞保護(hù)。

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

（5）工件裝爐時(shí)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(shí)應(yīng)先裝大件后裝小件，使大件遠(yuǎn)離爐門(mén)，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(shuō)明來(lái)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(wèn)題應(yīng)及時(shí)報(bào)告主管并處理，待問(wèn)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(shí)速度要慢，中溫升至高溫時(shí)，加熱速度要快。

（4）工件在高溫區(qū)保溫時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱，使晶粒變粗，降低力學(xué)性能。

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

（6） 工模具出爐到入油槽的間隔時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)控制在≤3 min，如>3 min 時(shí)，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(shí)，應(yīng)上下、左右移動(dòng)，使其冷卻均勻，并擇時(shí)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(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)入回火爐升溫回火，不允許在室溫下停留。

（9）形狀簡(jiǎn)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(jiàn)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(cè)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(shí)間表

2.3.2 工模具淬火回火保溫時(shí)間的計(jì)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(shí)間

一般情況下，裝爐量大、爐子升溫速度較快時(shí)，淬火和回火保溫時(shí)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(shí)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(lèi)、規(guī)格而定：

①平面模（餅類(lèi)件）的淬火加熱厚度，按模子的最大厚度（高度H）計(jì)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(shí)間應(yīng)分別計(jì)算：

（a）上模的淬火最大有效厚度計(jì)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(shí)，最大有效淬火加熱厚度按壁厚計(jì)算。

（b）如模子高度>壁厚時(shí)，則最大淬火加熱有效厚度按上模高度計(jì)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(jì)算。

③墊環(huán)類(lèi)、模支撐等環(huán)形件，按以下幾種方法計(jì)算：

（1）淬火、回火保溫時(shí)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(jì)算。

2.3.3 工模具熱處理后的質(zhì)量檢測(cè)與處理

（1）工模具硬度的檢測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)。鋁擠壓工模具熱處理（淬火回火）后，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)硬度值。檢測(cè)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(jiàn)表6）并拋光至Ra1.6 μm，檢測(cè)每一個(gè)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(jiàn)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(cè)工模具硬度低于技術(shù)條件指標(biāo)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行重復(fù)熱處理：如工件硬度≥35 HRC 時(shí)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(shí)，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(guò)3次。

（3）目測(cè)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(zhǎng)。

3.1 模具類(lèi)

（1）平面模，見(jiàn)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(jiàn)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。總厚度：?240 mm×144 mm，上模，見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(lèi)

（1） 擠壓筒內(nèi)套，見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)完成工模具熱處理的全過(guò)程。

（2）淬火、回火溫度和保溫時(shí)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(guò)熱過(guò)燒。