專利名稱：：模具及其淬火方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及改進了韌性的模具，在該模具中由于與熱模具鋼相關的熱處理，特別是與采用真空淬火爐的相關的熱處理而引起的變形和應力被盡可能小地抑制，本發(fā)明還涉及該模具的淬火方法。在模具等的一般淬火中，通常在冷卻階段的初始高溫段快速將其冷卻，以便不引起碳化物和屈氏體析出，然后在過冷奧氏體區(qū)的低溫段，較緩地將其冷卻，以防止淬火裂紋產生并使馬氏體轉變平緩進行。但發(fā)現當在上述高溫段快速冷卻時，金屬模具易于變形，而且由于在低溫段將其平緩冷卻，所以貝氏體易于產生，且韌性降低。因此，現在一直采用這樣的淬火方法在高溫段以不產生碳化物和屈氏體的較低速度將模具冷卻，而在低溫段快速將其冷卻以防止貝氏體組織析出。由于用于鋁模注的模具反復地暴露于熔融鋁液中，模具的表面因熱疲勞易于產生熱裂紋，而且一直出現這樣的不利情況當熱裂紋發(fā)展成大間隙的裂紋時，就轉移到產品上；當該金屬模具在其使用過程中，在熱裂紋變深的情況下，金屬模具很易破裂。為了抑制熱裂紋的產生和發(fā)展，如已知的那樣，通過增加模具硬度來提高其強度是有效的。另一方面，在簡單地增加硬度的情況下，材料的韌性下降，由此產生了一個顧慮小的熱裂紋突然發(fā)展成大裂紋。為了增加硬度，同時保持韌性，如已知那樣，需要將模具淬火，以使其具有更細小的組織(馬氏體組織或針狀下貝氏體組織)并抑制上(塊狀)貝氏體組織盡可能少地產生。為滿足該要求，需要采用快速淬火冷卻方法，但大多數模注模具一般具有復雜的形狀、不均勻的厚度和小的機加工余量。由于在快速淬火冷卻階段淬火這樣的模具易于破裂或變形，所以通常使用這樣的方法，它包括以下步驟在真空爐中將模具加熱，當它處于高溫時從真空爐中將它取出，從淬火溫度進行吹風冷卻，并控制對模具的吹風操作，同時在冷卻階段中間測量變形。所以，這種淬火方法需要耐熱操作和高度的技巧。此外，吹風冷卻不能提供足夠的冷卻速度，且在冷卻階段過程中不可避免地發(fā)生模具表面部分的脫碳。脫碳部分留在具有小機加工余量的模具的表面，并促進熱裂紋的產生，由此縮短了模具的工作壽命，并引起這樣的缺點脫碳層可成為在諸如模注模具的水冷孔內部部位的大裂紋的原因，這使其在熱處理后不能經受最后加工。出于上述兩個理由，淬火模注模具現在也采用真空熱處理，以防止其脫碳并將熱處理后的最后加工減至最小。在真空熱處理爐中冷卻一般使用由氮氣代表的惰性氣體，而且由于冷卻能力通過提高該氣體的壓力而增加，所以目前在上述真空爐中用高壓，如6巴和10巴的氣體進行冷卻。但是，這些打算被采用的，同時以這種高壓氣體冷卻的真空爐，主要是設計來和用于具有小到中等直徑(直徑約5-50mm)的高速工具鋼的，從而在大模具情況下，如具有復雜形狀和大厚度差的模注模具情況下易于產生不均勻冷卻速度，并且這些真空爐從產生貝氏體組織和變形的觀點來看不能令人滿意地在目前條件下使用。進而，在普通真空淬火中，為回收利用，將引入到該爐中的冷卻氣體在吹冷卻氣后通過熱交換器冷卻。這樣，由于該氣體因絕熱膨脹而處于低溫，所以它被引入爐中后立即就快速將模具冷卻，但是，此后被再使用的冷卻氣體依賴于熱交換器的能力而變熱，從而在再使用該冷卻氣體的情況下，冷卻速度往往變小。在這樣的情況下，在初始冷卻階段模具因快速冷卻易于變形或翹曲(camber)，而且由于在后面的冷卻階段因冷卻速度不足而使貝氏體組織易于析出。為避免這種不利的情況，如上所述，模具在真空中被加熱且從爐中取出后，通過吹風冷卻和調節(jié)冷卻速度來對其進行淬火。但是，這種方法在冷卻期間引起模具脫碳。此外，作為用真空爐對大的產品，如模注模具淬火時的一般技術，有一種已知的方法是在高溫段將模具緩冷，而在低溫段將其快冷，同時使用氣冷和油冷的結合(日本專利申請公開No.8-67909)。但是，這種方法不利的是，它需要大規(guī)模冷卻設備和除去在油冷時粘在模具表面的油的清洗操作。本發(fā)明的目的是解決這些問題因快速冷卻易于增加模具變形和易于產生貝氏體組織，同時使用上述的與真空爐相關的高壓氣冷卻的卓越特性，即，使用高速冷卻同時不脫碳。也就是，由于經過許多實驗，本發(fā)明才得以完成，它解決了用作模注或熱鍛模具的熱加工模具鋼的真空熱處理中產生的問題，而且本發(fā)明的目的在于提供具有韌性和抗熱裂的模具，兩者都是通過抑制貝氏體轉變而提高的，從而通過降低因熱處理而產生的變形或尺寸變化而減少機加工余量，并且延長模具的使用壽命。本發(fā)明還提供該模具的淬火方法。基于下面說明的發(fā)明人的發(fā)現，而完成了本發(fā)明。上述發(fā)現是通過各種實驗和檢驗獲得的，可有效地解決上述真空熱處理爐中的問題。圖1示出在具有用高壓氣體冷卻的結構的真空爐中，氣體壓力和冷卻速度之間的關系曲線。由該圖可知材料的冷卻速度根據氣體壓力可大大地改變。一般，需要高冷卻速度的材料用高壓氣體冷卻，而不需要高冷卻速度的材料用壓力比較低的氣體冷卻，這主要為防止變形，如翹曲。另一方面，由于貝氏體轉變不同于馬氏體轉變是放熱轉變，材料本身在貝氏體轉變期間放熱。該貝氏體轉變具有約18cal/g的放熱值，它顯著大于5cal/g或更小的馬氏體轉變的放熱值。因此，如圖2所示，在由于冷卻速度不足而產生貝氏體的情況下，熱值變大，從而使得冷卻在貝氏體轉變點附近可能停止，或有時使溫度可能升高，由此使在其附近的冷卻速度更不足。圖3示出了說明通過貝氏體轉變區(qū)需要的時間和在淬火冷卻階段的夏比沖擊值(Charpyimpactvalue)之間關系的曲線圖。在花費長時間的貝氏體轉變情況下，韌性顯著降低。但是，即使貝氏體轉變在淬火冷卻階段開始的情況下，通過此后進行快速冷卻也可得到高韌性。通過在適當時間引入新的冷卻氣體和提高氣體壓力，在貝氏體轉變區(qū)中提高冷卻速度和抑制貝氏體組織的產生是可能的。由于引入真空爐冷卻室的氣體在用于冷卻要處理的模具后變熱，故將該氣體送入熱交換器并再次冷卻，此后再用來冷卻模具。但是，在模具比較重，如模注模具的情況下，在冷卻階段過程中熱交換器的容量變得不足，且模具可能被不夠冷的氣體冷卻，由此，不可能獲得所需要的冷卻速度。這種方面在貝氏體轉變點附近引起冷卻速度降低。本發(fā)明也注意到這種關系而得以完成。在這種情況下，冷卻能力可通過在冷卻階段中途將加壓的冷卻氣體引入到真空爐的冷卻室內而被再次提高。已發(fā)現，十分令人滿意的韌性值可簡單地通過在貝氏體轉變區(qū)中的快速冷卻而獲得，并發(fā)現這種情況下貝氏體組織尺寸小。還發(fā)現，從變形和韌性觀點看來極好的模具可通過在高溫區(qū)比較緩的冷卻和在貝氏體轉變區(qū)快速冷卻來獲得。由于上述結果，本發(fā)明人發(fā)現就在真空爐中，同時使用高壓氣體冷卻的對于形狀復雜而且厚度差大的熱作模具鋼模具，如鑄模模具的熱處理而言，重要的是，在因熱應力而易于發(fā)生變形的高溫區(qū)進行相當慢的冷卻，及在明顯影響材料韌性的貝氏體轉變區(qū)進行快冷，從而完成了本發(fā)明。特別是，根據本發(fā)明，深度(厚度)大于40mm的模具的特征在于具有從真空淬火模具表面到40mm深的范圍內的部位中析出的具有貝氏體組織的每個晶粒(即，過飽和鐵素體的針狀晶粒)的長度不大于20μm，寬不大于2μm。在本發(fā)明的模具中，在真空淬火的模具底面縱向上測到的撓度(camber)不大于0.2％，而在該縱向上的下陷度(shrinkage)不大于0.15％是合適的。較好地是在本發(fā)明的模具中，保留了熱處理后的表面的該真空淬火模的表面部位無脫碳或滲碳。此外，本發(fā)明的在真空中加熱的模具通過吹冷卻氣體冷卻的模具淬火方法的特征在于冷卻氣體的壓力在該冷卻中途增加。在該淬火方法中，模具的冷卻通過將初次冷卻氣體引入真空爐中開始，在模具貝氏體轉變開始前通過在冷卻中途引入加壓的二次冷卻氣體進一步冷卻該模具。此外，該淬火方法特征還在于通過以大于不析出碳化物或屈氏體的臨界冷卻速度的冷卻速度，將1-4巴的初次冷卻氣體引入真空爐中而將模具冷卻到650-300℃的溫度，接著通過引入高于初次冷卻氣體的，4-10巴的二次冷卻氣體以防止貝氏體析出。圖1是說明在真空淬火階段冷卻氣體壓力和冷卻速度之間一般關系的曲線圖；圖2是說明在淬火冷卻階段在貝氏體轉變區(qū)產生熱的曲線圖；圖3是說明在淬火冷卻階段在貝氏體轉變區(qū)中冷卻速度和韌性之間關系的曲線圖；圖4是說明在本發(fā)明一個實施方案中，在淬火冷卻階段的冷卻氣體壓力和冷卻速度之間關系的曲線圖；圖5是說明在SKD61的等溫轉變曲線圖上的，如圖4所示的本發(fā)明的淬火階段的冷卻時間的曲線圖；圖6是說明本發(fā)明實施方案中所用的模注模具(陽模型)的尺寸和形狀的透視圖7是說明從體現本發(fā)明的模鑄模具的表面測得的在40mm深處光學顯微鏡顯微組織照片。圖8是說明在通過常規(guī)的吹風冷卻淬火的模鑄模具的表面脫碳狀態(tài)下的光學顯微鏡顯微組織照片。在本發(fā)明中，每個具有貝氏體組織的晶粒限制其長度不大于20μm，寬度不大于2μm，這是因為在早期由于韌性降低易于產生熱裂紋，并且在模具表面析出的貝氏體組織的晶粒的長度大于20μm，寬度大于2μm的情況下易發(fā)展成大的裂紋。在本發(fā)明中，抑制了產生貝氏體組織的模具深度限于不大于40mm。由于在模具深度(厚度)為40mm的情況下，可能防止熱裂紋產生或發(fā)展成大裂紋，所以即使在比40mm更深的部分，形成粗晶粒貝氏體組織的情況下也不發(fā)生問題。當模具的縱向撓度超過0.2％和縱向的下陷率超過0.15％時，需要在熱處理后通過終加工修理整個模具或構形部分的形狀或尺寸，這增加了工作步驟，從而導致了其制造成本的提高。因而，將模具的撓度和下陷率分別限于不大于0.2％和不大于0.15％。如果撓度和下陷率在上述限制值內，則幾乎所有的模具不經精加工即可使用。此外，沒有脫碳和沒有滲碳意味著在模具的熱處理表面部分的內外之間硬度和顯微組織沒有差別，而這可通過測量最上表面和某些構型部分的硬度最方便地進一步確認。進而，在模具的淬火階段，在冷卻中途增加引入到真空爐的冷卻氣體的壓力。將已引入真空爐和已用于冷卻模具的冷卻氣體送到熱交換器，以便再一次用來冷卻模具。換句話說，引入到真空爐的冷卻氣體在真空爐和熱交換器之間循環(huán)，但是，當模具很大，如象模注模具時，它就變熱和其冷卻能力變得不足。因此，當如上所述，當冷卻速度慢時，貝氏體組織易于析出。但是，貝氏體組織的析出可通過引入新的加壓氣體以使提高冷卻中途的冷卻速度來防止。在貝氏體組織在模具中析出以前，需要提高冷卻氣體的壓力。進行冷卻必須盡可能快地通過貝氏體鼻子(bainitenose)，因為一旦析出的貝氏體組織在達到貝氏體鼻子后，即使提高氣體壓力也不可能被消除。用于在真空爐中將加熱到淬火溫度的模具冷卻的初次冷卻氣體用來提高冷卻速度，因為當該氣體被引入真空爐中時，通過絕熱膨脹使其溫度降低。當初次冷卻氣體的壓力為1-4巴時，它能將模具在達到碳化物析出鼻子或屈氏體析出鼻子以前，將此模具冷卻到過冷奧氏體區(qū)。以高到足以防止碳化物或屈氏體析出的速度冷卻此模具，是因為在這些鼻子附近，由于冷卻速度太慢，在碳化物或屈氏體析出的情況下，使此模具具有足夠的硬度和較低韌性是不可能的。但是，無需以過度高的速度冷卻模具，這會使模具在淬火后產生許多變形或翹曲，但以受控的冷卻速度冷卻模具是足夠的了。重要的是，在貝氏體組織析出之前，為防止貝氏體組織析出再引入真空爐的二次冷卻氣體的壓力為4-10巴。壓力低于4巴的二次冷卻氣體不足以防止貝氏體組織析出。將模具通過一次冷卻氣體冷卻，直到其表面達到650-300℃的溫度，該溫度處在所謂過冷奧氏體區(qū)。通過冷卻到650℃溫度，使模具通過碳化物或屈氏體析出區(qū)就成為可能，而當此模具表面被冷卻到300℃的溫度時，此材料內部貝氏體轉變還沒有開始。因此，通過使用二次冷卻氣體將冷卻轉到更高冷卻速度的冷卻階段。在本發(fā)明中，術語“真空”用來表示大大降低壓力的氣氛，而且降低了的壓力范圍最好為10-2-10-4乇。高于10-2的真空壓力在加熱期間引起脫碳的產生，反之低于10-4的真空壓力需要大的設備，由此增加模具的制造成本。現在，參照本發(fā)明的實施方案詳細敘述本發(fā)明如下，首先，制備具有如表1所示成分(SKD61)的模具材料，將其加工成模注用陽模，其底尺寸為200mm×200mm×90mm厚，其伸出部分尺寸約150mm×150mm×90mm厚，它形成在如圖6所示的200mm×200mm的表面上，在位于從伸出表面測量40mm的位置形成一個槽，以便容納測量或確定冷卻速度的熱電偶。表1</tables>將鎧裝熱電偶插入到這樣獲得的模具中之后，使用有效容量約0.4m3(600mm×600mm×900mm)的真空爐將該模具加熱到預定淬火溫度。該真空爐中的真空壓力為10-3乇。將該模具在淬火溫度保持預定時間后，通過吹氮氣將它冷卻。雖然冷卻可使用惰性氣體，如氬氣或氦氣，但氮氣最適合使用，這是因為它具有比較高的冷卻能力并且便宜。對于冷卻氣體的壓力，在比較例情況下，從冷卻開始到冷卻完成一直使用2巴和6巴的氣體，而本發(fā)明模具冷卻首先用2巴或3巴的氣體冷卻，然后當模具已冷卻到約450℃時該氣體壓力增加到6巴或8巴。對于本發(fā)明的淬火方法而言，將符合壓力增加的量的二次氣體重新引入。用插入模具中的熱電偶測量冷卻速度而提供示意地示于圖4的結果。應當理解按本發(fā)明淬火方法需要約10分鐘(A)通過最重要的貝氏體轉變區(qū)，而比較例1則需要15分鐘(B)，比較例2需要30分鐘長的時間期限(C)。圖5示意地示出按SKD61的等溫轉變曲線繪制冷卻速度的條件下的冷卻速度。在淬火完成后，通過580℃×4小時的兩次回火將模具調到預定的硬度HRC48，并測量模具的下陷量和撓度。獲得的結果歸納到表2中。在高溫段冷卻速度高的比較例1中，模具顯著變形，因而在使用前需要或多或少的修理。然后，在位于離模具表面的深度40mm的部位測量夏比沖擊值，并在這些部分和模具表面觀察顯微組織。所得的結果列于表3。表3與本發(fā)明和比較例1不同，在比較例2中觀察到粗大貝氏體組織和小的夏比沖擊值。圖7舉例說明在深40mm的部分本發(fā)明典型顯微組織光學顯微照片和其示意圖和常規(guī)模具的照片和示意圖，在該常規(guī)模具中產生了粗大貝氏體組織。圖7是選自其中貝氏體晶?？汕宄_定的那些顯微照片，而不是表3中的那些組織的照片。此外，根據對表面顯微組織的觀察，在模具內外面之間沒有辨別出組織中的成分差別，硬度分布測量表明模具內外面硬度值基本均勻，由此發(fā)現，在該模具中沒既有產生脫碳現象也沒有產生滲碳現象，而這在在真空中加熱后，在油中冷卻的模具的一般淬火方法中是常常產生。為了參考，圖8是示出通過常規(guī)吹風方法淬火的模具表層脫碳狀態(tài)的光學顯微鏡顯微組織。在模具的構形部分的表面上觀察到深0.15mm的脫碳層，而在水冷縫隙表面上觀察到變?yōu)殍F素體的深0.01mm的另一脫碳層。然后，將通過上述淬火回火方法獲得的產品模注模具裝配成實用的裝置并進行鋁合金的澆鑄試驗。如表4所歸納的那樣，在按比較例2獲得的模具中，在模具的角上產生熱裂紋，當其不經修理而使用時50000次模注后，此裂紋發(fā)展成大裂紋，而本發(fā)明模具呈現出比一般方法制備的模具的工作壽命長兩倍多。它的工作壽命不低于從開始冷卻階段用高壓氣體冷卻的模具。表4</tables>結果是，本發(fā)明模具變形小，即使有也是少量的貝氏體組織，長的工作壽命，并便于使用的。雖然在比較例1的模具中有少量的貝氏體組織和長的工作壽命，但它呈現出大的變形(收縮和撓曲)，不便使用，而在比較例2中獲得的模具雖然它變形小，但具有許多貝氏體組織和短的工作壽命。如上述可知，本發(fā)明特征在于如下步驟在淬火階段中在真空爐中加熱模具，以冷卻速度高于碳化物或屈氏體析出的冷卻速度的氣體冷卻此模具，然后用增壓氣體快速冷卻該模具。通過實施這樣的淬火，就能獲得尺寸變形低和撓度小的模具，和減少貝氏體的析出，由此就能獲得表面無脫碳和滲碳的完好模具，且其韌性是極好的。結果，本發(fā)明能提供在使用的開始階段不產生熱裂紋或大裂紋，具有穩(wěn)定的長工作壽命的模具，所以對工業(yè)而言是高效的。權利要求1.一種深度大于40mm和經受了真空淬火的模具，其特征在于在從真空淬火模具的表面到深度40mm的范圍內的部位中析出的具有貝氏體組織的每個晶格長度不大于20μm和寬度不大于2μm。2.權利要求1的模具，其特征在于該真空淬火模具的底面上測出的撓度和收縮率兩者分別不大于0.2％和不大于0.15％。3.權利要求1或2的模具，其特征在于保留了熱處理表面的該真空淬火模具的表面部位基本上不脫碳或基本上不滲碳。4.一種模具淬火的方法，它包括的步驟為在真空中加熱此模具，吹冷卻氣體到此模具上，由此冷卻該模具，其特征在于在吹該冷卻氣體中途提高該冷卻氣體的壓力。5.權利要求4的模具淬火的方法，其特征在于通過在真空爐中引入一次冷卻氣體冷卻該模具，并且再將壓力高于該一次冷卻氣體的增壓的二次冷卻氣體在此模具的貝氏體轉變開始之前的冷卻的中途引入冷卻該模具。6.權利要求4的模具淬火的方法，其特征在于通過在真空爐中引入1-4巴的初次冷卻氣體，以比析出碳化物或屈氏體的臨界冷卻速度快的冷卻速度將模具冷卻降到650-300℃的溫度，然后引入4-10巴的二次冷卻氣體，以防止貝氏體析出。全文摘要本發(fā)明提供具有韌性和抗熱裂的模具及其淬火方法,它通過抑制貝氏體轉變來實現,通過降低熱處理產生的變形和熱處理階段尺寸變化來降低加工余量,以獲得工作壽命更長的模具。該模具的特征是從模具表面到深度40mm的部分中析出的貝氏體組織的晶粒長度不大于20μm，寬度不大于2μm,在模具的底面測出的縱向撓度不大于0.2%,縱向收縮率不大于0.15%。淬火方法的步驟為吹冷卻氣體將在真空爐中加熱的模具冷卻,其中在金屬的貝氏體轉變開始之前在此冷卻中途提高該冷卻氣體的壓力。文檔編號B22D17/20GK1186865SQ97118690公開日1998年7月8日申請日期1997年9月5日優(yōu)先權日1996年9月5日發(fā)明者市橋健,伊藤正和申請人:日立金屬株式會社