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，并具有良好的熱強性能、熱穩定性、抗氧化性能和冷熱疲勞性能的熱作模具鋼，廣泛應用于高韌性和冷熱疲勞抗力的熱作模具。

1.HSK刀柄熱處理技術要求

我公司開發的高速加工刀柄系統必須滿足剛性好，傳遞扭矩，體積小，動平衡性好，高速下切削振動小，裝夾刀具后能夠承受高的加減速度和集中應力的要求。結合HSK刀柄的工作環境和H13鋼的性能特點，合適的熱處理工藝才能使H13鋼滿足在復雜工作狀態中保持刀柄使用性能穩定的要求。

綜上所述，設定熱處理技術要求：熱處理后產品硬度52～56HRC，根據產品規格變形維持在0.03～0.05mm，表面發黑處理，保護膜性能穩定，不易脫落。

2.試驗方法

利用現有的設備進行試驗，真空試驗在IPSEN Internatingal GmbH 制12×105Pa高壓氣淬爐內進行，鹽浴淬火采用現有傳統鹽浴爐淬火。試驗分別采用真空淬火＋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→發黑。②真空熱處理：真空淬火→真空回火→發黑。

3.試驗結果分析

（1）鹽浴淬火試驗 根據產品熱處理技術要求，選擇淬火溫度區間1000～1050℃，每隔10℃作為1個溫度點。試驗后發現，最佳溫度區間為1020～1035℃，該區間內，材料具有較高硬度和較穩定的硬度分布，而且產生的變形量最小，硬度結果如表1所示。

表1（HRC）

回火后金相組織（見圖1）顯示，回火比較充分，達到了北美壓鑄模協會（NADCA）的要求。選取試驗工件10件，每件工件上取3段徑向圓跳動測試點，如圖2所示。檢測內孔變形（見表2）和徑向圓跳動（見表3）表明，內孔尺寸變化穩定在0.025mm以下，3段徑向圓跳動值均在0.02mm以下，基本上沒有變化，完全符合要求。

圖1 回火后的金相組織

（2）真空淬火試驗 真空熱處理為高效、節能和無污染的清潔熱處理。處理件具有無氧化，無脫碳、脫氣、脫脂、表面質量好，變形小，綜合力學性能高和可靠性好（重復性好、壽命穩定）等一系列優點。

北美壓鑄模協會研究認為，雖然鹽浴奧氏體化和油淬等熱處理方法可進行H13鋼的熱處理，但是唯有真空熱處理應用其特有的程序控制工藝，能獲得最佳的金相組織和力學性能，并減少變形和開裂。

圖2

表2 內孔尺寸鹽浴淬火檢測結果 （mm）

表3 鹽浴淬火3段徑向圓跳動測試結果 （mm）

據NADCA推薦熱處理工藝，結合鹽浴熱處理的結果，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（見圖3）更細，更為均勻。檢測內孔變形（見表5）和徑向圓跳動（見表6）表明，內孔尺寸變化穩定，在0.02mm以下，3段徑向圓跳動基本上沒有變化，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 內孔尺寸真空淬火檢測結果 （mm）

表6 真空淬火3段徑向圓跳動測試結果 （mm）

從上述試驗結果可以看出，真空熱處理略優于鹽浴熱處理，且真空熱處理后產品的外觀表面明顯優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節，減少鹽浴熱處理產生的廢水、廢氣和廢渣，具有明顯的經濟效益和社會效益。故確定真空熱處理作為HSK刀柄的最終熱處理工藝。

（3）發黑處理 在工藝開發過程中，先試驗了普通堿性發黑，發現普通堿性發黑后的產品表面略微泛紅，達不到同類產品的外觀要求。為此，我們從歐洲某公司引進了常溫發黑工藝，表7是兩種發黑工藝的對比。

表7 普通堿性發黑和常溫發黑對比