H13鋼制HSK刀柄熱處理工藝

上海工具廠有限公司 （200438） 盛瑞瑛

H13（4Cr5MoSiV1）鋼是一種淬透性高、韌性好，并具有良好的熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性、抗氧化性能和冷熱疲勞性能的熱作模具鋼，廣泛應(yīng)用于高韌性和冷熱疲勞抗力的熱作模具。

1.HSK刀柄熱處理技術(shù)要求

我公司開(kāi)發(fā)的高速加工刀柄系統(tǒng)必須滿足剛性好，傳遞扭矩，體積小，動(dòng)平衡性好，高速下切削振動(dòng)小，裝夾刀具后能夠承受高的加減速度和集中應(yīng)力的要求。結(jié)合HSK刀柄的工作環(huán)境和H13鋼的性能特點(diǎn)，合適的熱處理工藝才能使H13鋼滿足在復(fù)雜工作狀態(tài)中保持刀柄使用性能穩(wěn)定的要求。

綜上所述，設(shè)定熱處理技術(shù)要求：熱處理后產(chǎn)品硬度52～56HRC，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格變形維持在0.03～0.05mm，表面發(fā)黑處理，保護(hù)膜性能穩(wěn)定，不易脫落。

2.試驗(yàn)方法

利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，真空試驗(yàn)在IPSEN Internatingal GmbH 制12×105Pa高壓氣淬爐內(nèi)進(jìn)行，鹽浴淬火采用現(xiàn)有傳統(tǒng)鹽浴爐淬火。試驗(yàn)分別采用真空淬火＋真空回火和鹽浴加熱淬火＋鹽浴回火作比較。工藝路線如下：①鹽浴熱處理：鹽浴淬火→鹽浴回火→噴砂→發(fā)黑。②真空熱處理：真空淬火→真空回火→發(fā)黑。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）鹽浴淬火試驗(yàn) 根據(jù)產(chǎn)品熱處理技術(shù)要求，選擇淬火溫度區(qū)間1000～1050℃，每隔10℃作為1個(gè)溫度點(diǎn)。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，最佳溫度區(qū)間為1020～1035℃，該區(qū)間內(nèi)，材料具有較高硬度和較穩(wěn)定的硬度分布，而且產(chǎn)生的變形量最小，硬度結(jié)果如表1所示。

表1（HRC）

回火后金相組織（見(jiàn)圖1）顯示，回火比較充分，達(dá)到了北美壓鑄模協(xié)會(huì)（NADCA）的要求。選取試驗(yàn)工件10件，每件工件上取3段徑向圓跳動(dòng)測(cè)試點(diǎn)，如圖2所示。檢測(cè)內(nèi)孔變形（見(jiàn)表2）和徑向圓跳動(dòng)（見(jiàn)表3）表明，內(nèi)孔尺寸變化穩(wěn)定在0.025mm以下，3段徑向圓跳動(dòng)值均在0.02mm以下，基本上沒(méi)有變化，完全符合要求。

圖1 回火后的金相組織

（2）真空淬火試驗(yàn) 真空熱處理為高效、節(jié)能和無(wú)污染的清潔熱處理。處理件具有無(wú)氧化，無(wú)脫碳、脫氣、脫脂、表面質(zhì)量好，變形小，綜合力學(xué)性能高和可靠性好（重復(fù)性好、壽命穩(wěn)定）等一系列優(yōu)點(diǎn)。

北美壓鑄模協(xié)會(huì)研究認(rèn)為，雖然鹽浴奧氏體化和油淬等熱處理方法可進(jìn)行H13鋼的熱處理，但是唯有真空熱處理應(yīng)用其特有的程序控制工藝，能獲得最佳的金相組織和力學(xué)性能，并減少變形和開(kāi)裂。

圖2

表2 內(nèi)孔尺寸鹽浴淬火檢測(cè)結(jié)果 （mm）

表3 鹽浴淬火3段徑向圓跳動(dòng)測(cè)試結(jié)果 （mm）

據(jù)NADCA推薦熱處理工藝，結(jié)合鹽浴熱處理的結(jié)果，選用1020～1030℃的奧氏體化溫度，采用高壓氣淬的方法冷卻，然后分別用500～550℃在真空回火爐中進(jìn)行三次回火。淬火、回火后硬度如表4所示。

表4 （HRC）

相比鹽浴回火后的組織，真空淬火的回火組織（見(jiàn)圖3）更細(xì)，更為均勻。檢測(cè)內(nèi)孔變形（見(jiàn)表5）和徑向圓跳動(dòng)（見(jiàn)表6）表明，內(nèi)孔尺寸變化穩(wěn)定，在0.02mm以下，3段徑向圓跳動(dòng)基本上沒(méi)有變化，完全符合要求。相比鹽浴熱處理，真空熱處理后變形更小。

圖3 回火后的金相組織

表5 內(nèi)孔尺寸真空淬火檢測(cè)結(jié)果 （mm）

表6 真空淬火3段徑向圓跳動(dòng)測(cè)試結(jié)果 （mm）

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，真空熱處理略優(yōu)于鹽浴熱處理，且真空熱處理后產(chǎn)品的外觀表面明顯優(yōu)于鹽浴熱處理的外觀，并且采用真空熱處理后可減少噴砂處理環(huán)節(jié)，減少鹽浴熱處理產(chǎn)生的廢水、廢氣和廢渣，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。故確定真空熱處理作為HSK刀柄的最終熱處理工藝。

（3）發(fā)黑處理 在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中，先試驗(yàn)了普通堿性發(fā)黑，發(fā)現(xiàn)普通堿性發(fā)黑后的產(chǎn)品表面略微泛紅，達(dá)不到同類(lèi)產(chǎn)品的外觀要求。為此，我們從歐洲某公司引進(jìn)了常溫發(fā)黑工藝，表7是兩種發(fā)黑工藝的對(duì)比。

表7 普通堿性發(fā)黑和常溫發(fā)黑對(duì)比