[发明专利]模具及其淬火方法

说明书

本发明涉及改进了韧性的模具，在该模具中由于与热模具钢相关的热处理，特别是与采用真空淬火炉的相关的热处理而引起的变形和应力被尽可能小地抑制，本发明还涉及该模具的淬火方法。

在模具等的一般淬火中，通常在冷却阶段的初始高温段快速将其冷却，以便不引起碳化物和屈氏体析出，然后在过冷奥氏体区的低温段，较缓地将其冷却，以防止淬火裂纹产生并使马氏体转变平缓进行。

但发现：当在上述高温段快速冷却时，金属模具易于变形，而且由于在低温段将其平缓冷却，所以贝氏体易于产生，且韧性降低。因此，现在一直采用这样的淬火方法：在高温段以不产生碳化物和屈氏体的较低速度将模具冷却，而在低温段快速将其冷却以防止贝氏体组织析出。

由于用于铝模注的模具反复地暴露于熔融铝液中，模具的表面因热疲劳易于产生热裂纹，而且一直出现这样的不利情况：当热裂纹发展成大间隙的裂纹时，就转移到产品上；当该金属模具在其使用过程中，在热裂纹变深的情况下，金属模具很易破裂。

为了抑制热裂纹的产生和发展，如已知的那样，通过增加模具硬度来提高其强度是有效的。另一方面，在简单地增加硬度的情况下，材料的韧性下降，由此产生了一个顾虑：小的热裂纹突然发展成大裂纹。为了增加硬度，同时保持韧性，如已知那样，需要将模具淬火，以使其具有更细小的组织(马氏体组织或针状下贝氏体组织)并抑制上(块状)贝氏体组织尽可能少地产生。

为满足该要求，需要采用快速淬火冷却方法，但大多数模注模具一般具有复杂的形状、不均匀的厚度和小的机加工余量。由于在快速淬火冷却阶段淬火这样的模具易于破裂或变形，所以通常使用这样的方法，它包括以下步骤：在真空炉中将模具加热，当它处于高温时从真空炉中将它取出，从淬火温度进行吹风冷却，并控制对模具的吹风操作，同时在冷却阶段中间测量变形。所以，这种淬火方法需要耐热操作和高度的技巧。

此外，吹风冷却不能提供足够的冷却速度，且在冷却阶段过程中不可避免地发生模具表面部分的脱碳。脱碳部分留在具有小机加工余量的模具的表面，并促进热裂纹的产生，由此缩短了模具的工作寿命，并引起这样的缺点：脱碳层可成为在诸如模注模具的水冷孔内部部位的大裂纹的原因，这使其在热处理后不能经受最后加工。

出于上述两个理由，淬火模注模具现在也采用真空热处理，以防止其脱碳并将热处理后的最后加工减至最小。在真空热处理炉中冷却一般使用由氮气代表的惰性气体，而且由于冷却能力通过提高该气体的压力而增加，所以目前在上述真空炉中用高压，如6巴和10巴的气体进行冷却。

但是，这些打算被采用的，同时以这种高压气体冷却的真空炉，主要是设计来和用于具有小到中等直径(直径约5-50mm)的高速工具钢的，从而在大模具情况下，如具有复杂形状和大厚度差的模注模具情况下易于产生不均匀冷却速度，并且这些真空炉从产生贝氏体组织和变形的观点来看不能令人满意地在目前条件下使用。

进而，在普通真空淬火中，为回收利用，将引入到该炉中的冷却气体在吹冷却气后通过热交换器冷却。这样，由于该气体因绝热膨胀而处于低温，所以它被引入炉中后立即就快速将模具冷却，但是，此后被再使用的冷却气体依赖于热交换器的能力而变热，从而在再使用该冷却气体的情况下，冷却速度往往变小。

在这样的情况下，在初始冷却阶段模具因快速冷却易于变形或翘曲(camber)，而且由于在后面的冷却阶段因冷却速度不足而使贝氏体组织易于析出。为避免这种不利的情况，如上所述，模具在真空中被加热且从炉中取出后，通过吹风冷却和调节冷却速度来对其进行淬火。但是，这种方法在冷却期间引起模具脱碳。

此外，作为用真空炉对大的产品，如模注模具淬火时的一般技术，有一种已知的方法是在高温段将模具缓冷，而在低温段将其快冷，同时使用气冷和油冷的结合(日本专利申请公开No.8-67909)。但是，这种方法不利的是，它需要大规模冷却设备和除去在油冷时粘在模具表面的油的清洗操作。

本发明的目的是解决这些问题：因快速冷却易于增加模具变形和易于产生贝氏体组织，同时使用上述的与真空炉相关的高压气冷却的卓越特性，即，使用高速冷却同时不脱碳。

也就是，由于经过许多实验，本发明才得以完成，它解决了用作模注或热锻模具的热加工模具钢的真空热处理中产生的问题，而且本发明的目的在于提供具有韧性和抗热裂的模具，两者都是通过抑制贝氏体转变而提高的，从而通过降低因热处理而产生的变形或尺寸变化而减少机加工余量，并且延长模具的使用寿命。本发明还提供该模具的淬火方法。