固溶處理原理以及常見工藝
固溶處理是為了溶解基體內(nèi)碳化物、γ'相等以得到均勻的過(guò)飽和固溶體，便于時(shí)效時(shí)重新析出顆粒細(xì)小、分布均勻的碳化物和γ’等強(qiáng)化相，同時(shí)消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶。其次，固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度，以保證合金高溫抗蠕變性能。固溶處理的溫度范圍大約在980~1250℃之間，主要根據(jù)各個(gè)合金中相析出和溶解規(guī)律及使用要求來(lái)選擇，以保證主要強(qiáng)化相必要的析出條件和一定的晶粒度。對(duì)于長(zhǎng)期高溫使用的合金，要求有較好的高溫持久和蠕變性能，應(yīng)選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒度；對(duì)于中溫使用并要求較好的室溫硬度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度的合金，可采用較低的固溶溫度，保證較小的晶粒度。高溫固溶處理時(shí)，各種析出相都逐步溶解，同時(shí)晶粒長(zhǎng)大；低溫固溶處理時(shí)，不僅有主要強(qiáng)化相的溶解，而且可能有某些相的析出。對(duì)于過(guò)飽和度低的合金，通常選擇較快的冷卻速度；對(duì)于過(guò)飽和度高的合金，通常為空氣中冷卻。
??? 不銹鋼固溶熱處理
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碳在奧氏體不銹鋼中的溶解度與溫度有很大影響。奧氏體不銹鋼在經(jīng)400℃～850℃的溫度范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)有高鉻碳化物析出，當(dāng)鉻含量降至耐腐蝕性界限之下，此時(shí)存在晶界貧鉻，會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕，嚴(yán)重時(shí)能變成粉末。所以有晶間腐蝕傾向的奧氏體不銹鋼應(yīng)進(jìn)行固溶熱處理或穩(wěn)定化處理。
??? 固溶熱處理：將奧氏體不銹鋼加熱到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)。這種熱處理方法為固溶熱處理。
??? 固溶熱處理中的快速冷卻似乎像普通鋼的淬火，但此時(shí)的‘淬火’與普通鋼的淬火是不同的，前者是軟化處理，后者是淬硬。后者為獲得不同的硬度所采取的加熱溫度也不一樣，但沒到1100℃。
??? 淬火
??? 鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。
??? 通常也將鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過(guò)程的熱處理工藝稱為淬火。
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淬火的目的是使過(guò)冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。也可以通過(guò)淬火滿足某些特種鋼材的的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。
??? 淬火能使鋼強(qiáng)化的根本原因是相變，即奧氏體組織通過(guò)相變而成為馬氏體組織。
??? 固溶熱處理
??? 將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持,使過(guò)剩相充分溶于固溶體中，再快速冷卻,以得到過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝。
??? 時(shí)效處理
??? 時(shí)效處理可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效兩種。
??? 自然時(shí)效是將鑄件置于露天場(chǎng)地半年以上，使其緩緩地發(fā)生形變，從而使殘余應(yīng)力消除或減少；
??? 人工時(shí)效是將鑄件加熱到550～650℃進(jìn)行去應(yīng)力退火，它比自然時(shí)效節(jié)省時(shí)間，殘余應(yīng)力去除較為徹底。
??? 根據(jù)合金本性和用途確定采用何種時(shí)效方法。高溫下工作的鋁合金適宜用人工時(shí)效，室溫下工作的鋁合金有些采用自然時(shí)效，有些必須人工時(shí)效。
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從合金強(qiáng)化相上來(lái)分析，含有S相和CuAl2等相的合金，一般采用自然時(shí)效，而需要在高溫下使用或?yàn)榱颂岣吆辖鸬那?qiáng)度時(shí)，就需要采用人工時(shí)效來(lái)強(qiáng)化。比如LY11和LY12，40度以下自然時(shí)效可以得到高的強(qiáng)度和耐蝕性，對(duì)于150度以上工作的LY12和125-250度工作的LY6鉚釘用合金則需要人時(shí)效。含有主要強(qiáng)化相為MgSi，MgZn2的T相的合金，只有采用人工時(shí)效強(qiáng)化，才能達(dá)到它的最高強(qiáng)度。
??? 對(duì)于一般鋁合金，自然時(shí)效時(shí)，屈服強(qiáng)度稍低而耐蝕性較好，采用人工時(shí)效時(shí)，合金屈服強(qiáng)度較高而伸長(zhǎng)率和耐蝕性都降低。對(duì)于鋁－鋅－鎂－銅系鋁合金LC4則相反，當(dāng)采用人工時(shí)效時(shí)，合金耐蝕性比自然時(shí)效好。
??? 選用不同品種鋼材作塑料模具，其化學(xué)成分和力學(xué)性能各不相同，因此制造工藝路線不同；同樣，不同類型塑料模具鋼采用的熱處理工藝也是不同的。
??? 特點(diǎn)
??? 滲碳鋼塑料模的熱處理特點(diǎn)
??? 1.對(duì)于有高硬度、高耐磨性和高韌性要求的塑料模具，要選用滲碳鋼來(lái)制造，并把滲碳、淬火和低溫回火作為最終熱處理。
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2.對(duì)滲碳層的要求，一般滲碳層的厚度為0.8～1.5mm，當(dāng)壓制含硬質(zhì)填料的塑料時(shí)模具滲碳層厚度要求為1.3～1.5mm，壓制軟性塑料時(shí)滲碳層厚度為0.8～1.2mm。滲碳層的含碳量為0.7%～1.0%為佳。若采用碳、氮共滲，則耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化、防粘性就更好。
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3.滲碳溫度一般在900～920℃，復(fù)雜型腔的小型模具可取840～860℃中溫碳氮共滲。滲碳保溫時(shí)間為5～10h，具體應(yīng)根據(jù)對(duì)滲層厚度的要求來(lái)選擇。滲碳工藝以采用分級(jí)滲碳工藝為宜，即高溫階段(900～920℃)以快速將碳滲入零件表層為主；中溫階段(820～840℃)以增加滲碳層厚度為主，這樣在滲碳層內(nèi)建立均勻合理的碳濃度梯度分布，便于直接淬火。
??? 4.滲碳后的淬火工藝按鋼種不同，滲碳后可分別采用：重新加熱淬火；分級(jí)滲碳后直接淬火(如合金滲碳鋼)；中溫碳氮共滲后直接淬火(如用工業(yè)純鐵或低碳鋼冷擠壓成形的小型精密模具)；滲碳后空冷淬火(如高合金滲碳鋼制造的大、中型模具)。
??? 淬硬鋼塑料模的熱處理
??? 1.形狀比較復(fù)雜的模具，在粗加工以后即進(jìn)行熱處理，然后進(jìn)行精加工，才能保證熱處理時(shí)變形最小，對(duì)于精密模具，變形應(yīng)小于0.05%。
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2.塑料模型腔表面要求十分嚴(yán)格，因此在淬火加熱過(guò)程中要確保型腔表面不氧化、不脫碳、不侵蝕、不過(guò)熱等。應(yīng)在保護(hù)氣氛爐中或在嚴(yán)格脫氧后的鹽浴爐中加熱，若采用普通箱式電阻爐加熱，應(yīng)在模腔面上涂保護(hù)劑，同時(shí)要控制加熱速度，冷卻時(shí)應(yīng)選擇比較緩和的冷卻介質(zhì)，控制冷卻速度，以避免在淬火過(guò)程中產(chǎn)生變形、開裂而報(bào)廢。一般以熱浴淬火為佳，也可采用預(yù)冷淬火的方式。
??? 3.淬火后應(yīng)及時(shí)回火，回火溫度要高于模具的工作溫度，回火時(shí)間應(yīng)充分，長(zhǎng)短視模具材料和斷面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。
??? 預(yù)硬鋼塑料模的熱處理
??? 1.預(yù)硬鋼是以預(yù)硬態(tài)供貨的，一般不需熱處理，但有時(shí)需進(jìn)行改鍛，改鍛后的模坯必須進(jìn)行熱處理。
??? 2.預(yù)硬鋼的預(yù)先熱處理通常采用球化退火，目的是消除鍛造應(yīng)力，獲得均勻的球狀珠光體組織，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷擠壓成形性能。
??? 3.預(yù)硬鋼的預(yù)硬處理工藝簡(jiǎn)單，多數(shù)采用調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后獲得回火索氏體組織。高溫回火的溫度范圍很寬能夠滿足模具的各種工作硬度要求。由于這類鋼淬透性良好，淬火時(shí)可采用油冷、空冷或硝鹽分級(jí)淬火。下表為部分預(yù)硬鋼的預(yù)硬處理工藝，供參考。
| ?鋼號(hào) | ?加熱溫度/℃ | ?冷卻方式 | ?回火溫度/℃ | ?預(yù)硬硬度HRC |
| ?3Cr2Mo | ?830～840 | ?油冷或160～180℃硝鹽分級(jí) | ?580～650 | ?28～36 |
| ?5NiSCa | ?880～930 | ?油冷 | ?550～680 | ?30～45 |
| ?8Cr2MnWMoVS | ?860～900 | ?油或空冷 | ?550～620 | ?42～48 |
| ?P4410 | ?830～860 | ?油冷或硝鹽分級(jí) | ?550～650 | ?35～41 |
| ?SM1 | ?830～850 | ?油冷 | ?620～660 | ?36～42 |
??? 時(shí)效硬化鋼塑料模的熱處理
??? 1.時(shí)效硬化鋼的熱處理工藝分兩步基本工序。首先進(jìn)行固溶處理，即把鋼加熱到高溫，使各種合金元素溶入奧氏體中，完成奧氏體后淬火獲得馬氏體組織。第二步進(jìn)行時(shí)效處理，利用時(shí)效強(qiáng)化達(dá)到最后要求的力學(xué)性能。
??? 2.固溶處理加熱一般在鹽浴爐、箱式爐中進(jìn)行，加熱時(shí)間分別可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的鋼種也可空冷。如果鍛造模坯時(shí)能準(zhǔn)確控制終鍛溫度，鍛造后可直接進(jìn)行固溶淬火。
??? 3.時(shí)效處理最好在真空爐中進(jìn)行，若在箱式爐中進(jìn)行，為防模腔表面氧化，爐內(nèi)須通入保護(hù)氣氛，或者用氧化鋁粉、石墨粉、鑄鐵屑，在裝箱保護(hù)條件下進(jìn)行時(shí)效。裝箱保護(hù)加熱要適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，否則難以達(dá)到時(shí)效效果。部分時(shí)效硬化型塑料模具鋼的熱處理規(guī)范如下表。
| ?鋼號(hào) | ?固溶處理工藝 | ?時(shí)效處理工藝 | ?時(shí)效硬度HRC |
| ?06Ni6CrMoVTiAl | ?800～850℃油冷 | ?510～530℃×（6～8）h | ?43～48 |
| ?PMS | ?800～850℃空冷 | ?510～530℃×（3～5）h | ?41～43 |
| ?25CrNi3MoAl | ?880℃水淬或空冷 | ?520～540℃×（6～8）h | ?39～42 |
| ?SM2 | ?900℃×2h油冷+700℃×2h | ?510℃×10h | ?39～40 |
| ?PCR | ?1050℃固溶空冷 | ?460～480℃×4h | ?42～44 |
??? 塑料模鍍鉻
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塑料模鍍鉻是一種應(yīng)用最多的表面處理方法，鍍鉻層在大氣中具有強(qiáng)烈的鈍化能力，能長(zhǎng)久保持金屬光澤，在多種酸性介質(zhì)中均不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。鍍層硬度達(dá)1000HV，因而具有優(yōu)良的耐磨性。鍍鉻層還具有較高的耐熱性，在空氣中加熱到500℃時(shí)其外觀和硬度仍無(wú)明顯變化。
??? 滲氮
??? 滲氮具有處理溫度低(一般為550～570℃)，模具變形甚微和滲層硬度高(可達(dá)1000～1200HV)等優(yōu)點(diǎn)，因而也非常適合塑料模的表面處理。含有鉻、鉬、鋁、釩和鈦等合金元素的鋼種比碳鋼有更好的滲氮性能，用作塑料模時(shí)進(jìn)行滲氮處理可大大提高耐磨性。
??? 適于塑料模的表面處理方法還有：氮碳共滲、化學(xué)鍍鎳、離子鍍氮化鈦、碳化鈦或碳氮化鈦，PVD、CVD法沉積硬質(zhì)膜或超硬膜等。
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技術(shù)原理
