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模具鋼真空熱處理技術指導
作者:科佳電爐 來源：原創 發表時間：2017-11-01 09:33:00
真空熱處理，顧名思義乃是在減壓的環境下實施之熱處理，其減壓后之壓力，從幾百torr到10¯6torr左右（１ torr=1mmHg ），真空熱處理爐的環境之氣體，可為大氣、氧化性氣體、脫碳性氣體或滲碳氣體，其實施之熱處理與一般傳統之熱處理相同，有淬火、退火、滲碳面熱處理等。
在真空中，實施熱處理和一般之熱處理區別有二：
1.在真空中由于氣體稀薄，因氣體之化學性較低，在較高的真空度下其活性幾乎“鈍“掉，因此在同溫度下，傳統之固體一氣體間的反應諸如氧化、還原、脫碳等，在真空中都會比在大氣中慢得多。
2.在真空中，提供了去除材料中吸附氣體的機會，或使處理件表面原已存在的氧化物或化合物分解及去除。
在不同的溫度及真空壓力下，各金屬均有其各自之蒸汽壓，具有相當大的差異，在鋼中較易蒸發之元素有Mn、Cr等，其中Mn在900?C 10-3torr下就可能蒸發，所幸Mn在鋼中含量均在1％以下，900?C至少要10-5torr以上之真空度才會使Mn由鋼中蒸發，其次是Cr它在１atm之下，要2180?C 才會蒸發，然在10-3torr下，卻只要1093?C便會蒸發，由于Cr在模具鋼等含量相當高，所以在真空熱處理中，溫度上升到1000?C左右時，必需由爐外加入少許之保護氣體，即N2，由由于N2是惰性氣體，它防止Cr之蒸發，且又可去除材料中之吸附氣體，所以熱處理后之模具會顯得很潔白，但在N2入爐中時，真空度會下降，所以真空必須控制在0.6torr左右之真空狀態。
真空熱處理技術在真空中實施之熱處理，較常見的是淬火、退火、輝面熱處理及滲碳等，但今只討論一些真空淬火之要件。
真空淬火：
各種合金鋼及非鐵技術之真空淬火，其真空度主要在10-2到10-4 torr左右，而冷卻方法，主要分為空冷及油冷兩種，由于淬火主要是在冷卻時需有足夠的冷速，以避免沃斯田鐵化在冷速途中產生變態，因此特把真空淬火分GAS Quenching及 Oil Quenching兩方面來加以說明。
一、真空爐中空冷（GAS Quenching)從1958年美國1psen公司開發成功以來，把風硬鋼在真空淬火變為可能，然由于在真空中，處理件之冷卻速度較一般大氣中之冷卻速度為慢，尤其是斷面較大者，致影響產品之機械性質。因此在真空淬火之冷卻速度，是諸科學家所研究之對象。茲將改良的方法敘述于后?！?/div>
（1）利用熱傳導性良好之不活性氣體，例如N2、Ar、He、H2 等，由于不同的氣體，也有不同的冷卻速度，冷卻時間比，H2為1時，He為1.2時，N2為1.5時，Ar為1.75時，也就是說，在真空淬火冷卻效果以H2為佳，其次為He、N2，最差為Ar，但一般H2在高溫時有爆炸的危險，因此一般H2均不使用，而He是稀有氣體，價錢又昂貴，故不適用，而Ar之冷卻特性又比N2差，因而工業上之使用均采用中性的N2氣體。
（2）降低冷卻氣體之溫度,以增加冷速，工業上的作法是在冷卻氣體之循環路內增加熱交換器的設計，同時爐壁加以水冷等方法,以達到有效降低氣體的溫度。
（3）增加冷卻氣體的壓力，以增加冷速，由下圖中可知N2氣體之加速冷卻曲線，可見增加氣體壓力也是有效的增加冷卻速度的方法，下表SKH-9（M-2）高速鋼在不同之壓力下冷卻后之硬度，以及在550?C下回火之硬度值，1.54大氣壓下冷卻之SKH-9其硬度已可與一般鹽浴或油淬火者相比，且回火后之殘留沃斯田鐵量比傳統方法者少。
二、在真空爐中油冷
真空爐中油淬火：一般分為二室，加熱室及冷卻室，二者中間有一密閉之中間門，其真空度可自行調整，其熱處理順序一般在加熱室加熱完了再移到淬火室冷卻，此時再充入相當壓力的不活性氣體，一方面可以空冷處理件，以免過高溫油淬火，產生龜裂現象。
真空熱處理爐之利用真空熱處理是利用輻射之原理，可使加熱均溫而復雜之加熱與冷卻及多目的之熱處理，在真空爐之使用是一件極簡單的操作方式。
1.模具材料之選擇
（a）用者觀點：耐磨性、韌性、耐熱性、耐蝕性、離型性、鏡面性。
（b）制造者觀點：被削性、熱處理特性、被研磨性、表面處理、焊接及放電加工。
由此可知，選擇材料必須相當謹慎，當購入鋼材時，必需向制造者或販賣者索取相關之熱處理特性等資料，提供給熱處理者以利作業。
2.材料取材之方向
鋼材取用方向不正確而易發生龜裂，因材料在制造過程中，塑性加工是有方向性，若取材不定，熱處理變形也不一定，即有時大，有時小，有時膨脹，有時收縮。使用模具，受力方向應于材料的壓延方向垂直。
3.調質處理可減少熱處理時之尺寸變化。
下列二種試料是由真空淬火變形量之測定：
（a）試料A：素材 機械加工 細加工 熱處理。
（b）試料B：素材 燒鈍 機械加工 燒鈍 細加工 熱處理。
模具經燒鈍后再熱處理，其變形量很少，而尺寸之變化情形與鋼材制造之壓延方向有很大的關系（W為壓延方向，L與H的尺寸則減少，而W為增功），故取材之方向要特別注意。
4.淬火溫度之選擇
一般認為較高溫度淬火，則硬度較高，其實不然，以日本jis規格SKD-11為例，在1025?C淬火，得最高硬度HRC65，如果超過1050?C淬火，則硬度反而下降，即殘留沃斯田鐵太多，而且韌性減少，但高溫淬火的模具，在其高溫回火硬度高，適用于線切割之模具及熱間使用之模具，而低溫淬火之模具硬度較低，因而韌性較佳，適用于冷間模具和較大型之模具，一般社會常用工具鋼SKD-11為1000~1020?C SKD-11為980?C~1020?C SKH-9為1150~1180?C淬火較適合。
5、淬火后回火常發生的問題
模具淬火后，其組織即硬又耐磨之麻田散鐵為消除淬火脆性，提高韌性，增加尺寸之穩定，而未回火的模具在室溫長期保存或使用，麻田散鐵將進行緩慢的分解，其體積效應將導致零件尺寸之改變，這對精密零件是不允許的，只要經120 ?C—150 ?C的低溫回火就可完全避免麻田散鐵在室溫下繼續分解。淬火之模具必須冷到60 ?C左右才可進行回火，因此時鋼鐵尚未變態為麻田散鐵，另要注意一點淬油或淬水之模具鋼，必須馬上進行回火，否則可能很快就產生龜裂。
6、設計不良所導致之淬火龜裂
淬火龜裂通常是發生在銳角或有孔部分，也是淬火變形的主要原因，設計應考慮圖形及形狀的均衡，較復雜的模具必須使用空冷之硬化鋼，即實施真空淬火之鋼種較不容易龜裂，因淬油之冷卻速度很快，容易變形及龜裂。模具若有盲孔，最好填滿耐火以防龜裂。
7、熱處理后的加工問題
（a）研磨龜裂：?研磨不當：研磨量太多，冷卻不足，溫度超過變態點生成麻田散鐵冷卻即產生龜裂，若超過回火溫度則軟化，研磨后必須要再回火，但回火溫度要比原來之回火溫度低，硬度才不會下降，且時間要比原來多兩倍。研磨方向必須沿著使用方向研磨。
熱處理不當：沃斯田鐵化溫度太高，造成粗大組織和殘留沃斯田鐵太多，或回火時間太短及回火溫度太低，都會造成研磨龜裂。
8、變形之校正方法
可以利用回火溫度來修正模具之變形。
三、結論：真空熱處理的技術已超于實用化，如真空硬焊及粉末冶金之真空熱處理也被廣泛的使用，且真空淬火具有下列之優點，減少變形、表面輝面、不脫碳、不腐蝕、品質相當穩定，因此隨著真空爐之發展，模具之發展，品質亦大大的提高。但要制造一個高品質的模具必須要花相當大的精神與金錢，稍微有點差錯，可能就會全功盡棄。
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