壓鑄模生產(chǎn)效率高，能壓鑄形狀復(fù)雜、尺寸精確、輪廓清晰、表面質(zhì)量及強(qiáng)度、硬度都較高的壓鑄件，故應(yīng)用較廣，發(fā)展較快。4Cr5MoSiV1鋼是一種新型熱作模具鋼，與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)熱作模具鋼3Cr2W8V相比，具有較高韌性、較好的抗冷熱疲勞性，應(yīng)用于壓鑄模、熱擠壓模上壽命顯著提高，因而得到廣泛使用。但該鋼只進(jìn)行淬火、回火處理尚不能充分提高模具壽命。采用“鍛熱調(diào)質(zhì)預(yù)處理+去應(yīng)力退火+真空高壓氣體淬火+三次高溫回火+RE-N-C-B-O-S多元共滲”復(fù)合強(qiáng)化工藝，對(duì)4Cr5MoSiV1鋼進(jìn)行熱處理強(qiáng)化工藝研究。
一、鍛熱調(diào)質(zhì)預(yù)處理
用來(lái)制造壓鑄模的4Cr5MoSiV1鋼毛坯均需進(jìn)行鍛造。將Φ200mm熱軋?jiān)牧细腻懗伤栊螤畛叽?，鍛造合格成型后乘高溫余熱返回爐中加熱至1140～1150℃，保溫后油淬，即鍛熱固溶淬火；隨后進(jìn)行(720±10)℃保溫2h的高溫回火，空冷；完成鍛熱調(diào)質(zhì)預(yù)處理。以此獲得細(xì)密的回火索氏體組織，碳化物呈均勻、細(xì)小、彌散析出，硬度220～240HB，既有良好的冷切削加工性能，又是理想的最終淬火預(yù)處理組織。實(shí)驗(yàn)表明：因鋼材顯微組織和亞結(jié)構(gòu)細(xì)化明顯改善，使淬火馬氏體位錯(cuò)密度增加50%～80%，并使K1c、σb分別提高35%～45%和15%～20%，提高了壓鑄模鋼內(nèi)部質(zhì)量。
二、去應(yīng)力退火
三、真空高壓氣體淬火
壓鑄模零件熱處理加熱過(guò)程中，表面產(chǎn)生的脫碳、增碳、合金元素貧化都將導(dǎo)致零件在使用中發(fā)生早期龜裂，所以需要進(jìn)行真空熱處理，這對(duì)已精加工成型再處理的零件尤其重要。
淬火加熱是在HQG2雙室高壓氣冷真空爐中進(jìn)行，該爐裝有對(duì)流循環(huán)加熱裝置，控溫系統(tǒng)采用PID，不出爐即可完成淬火回火工序，有效避免氧化脫碳，且畸變微小，工藝穩(wěn)定。真空爐加熱主要靠輻射傳熱，由于模具較大，所以應(yīng)進(jìn)行二次預(yù)熱。第一次預(yù)熱的主要目的是消除零件淬火前機(jī)械加工中產(chǎn)生的加工應(yīng)力，防止、減小加熱過(guò)程中引起淬火畸變，預(yù)熱溫度高則消除應(yīng)力效果明顯，預(yù)熱溫度選定為550℃，加熱速度8℃/min，保溫時(shí)間30min+1min/mm，真空度設(shè)定為0.1Pa。第二次預(yù)熱采用850℃，加熱速度12℃/min，真空度設(shè)定為1Pa，保溫時(shí)間10min+0.5min/mm。
淬火加熱及隨后的保溫使合金元素充分溶解并完成奧氏體均勻化，獲得細(xì)針狀淬火馬氏體，得到所需高溫強(qiáng)度、高溫硬度、高溫韌性和抗軟化等性能。經(jīng)試驗(yàn)，最終淬火溫度選擇1020～1040℃，可達(dá)到固溶強(qiáng)化效果。保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以防止晶粒粗大。保溫結(jié)束后，模具移至冷卻室，通入高純氮?dú)?99.99%，0.4～0.5MPa)進(jìn)行高壓氣淬，并用風(fēng)扇使氣體循環(huán)。為獲得最佳沖擊韌度和最小的尺寸變化，必須將組織中貝氏體量降至最低，通過(guò)貝氏體生成區(qū)(520～200℃)時(shí)必須強(qiáng)冷，淬火速率為7～8℃/s，可達(dá)到靜止油的冷速，冷卻均勻，工件畸變小。氣冷淬火可避免油煙污染，還可取消中間清洗工序，不需油水分離和廢油處理。冷卻過(guò)程中不進(jìn)行等溫停留，連續(xù)冷卻至80℃。
四、真空高溫回火
淬火后不出爐，緊接著進(jìn)行真空高溫回火。鋁合金壓鑄模型腔表面一般在20～600℃進(jìn)行熱循環(huán)，其成型零件的回火溫度必須高于最高工作溫度10～30℃才行。故回火工藝為580～620℃保溫2h×3次，回火硬度應(yīng)控制在40～48HRC。當(dāng)真空度達(dá)到0.1～0.01Pa時(shí)開(kāi)始加熱，加熱速度8℃/min。為了避免工件開(kāi)裂，回火時(shí)應(yīng)加熱均勻，先把工件加熱到380～400℃保溫1h左右，再升溫到580℃保溫2h，通入高純氮?dú)?0.05～0.12MPa)進(jìn)行低壓快冷完成第一次回火。4Cr5MoSiV1鋼500℃左右屬回火脆性區(qū)，故選擇既避開(kāi)了脆性區(qū)又有利于獲得盡量高回火硬度的回火溫度。
第二次高溫回火的主要目的是使硬度穩(wěn)定。4Cr5MoSiV1鋼采用620℃回火，硬度達(dá)到44HRC時(shí)具有強(qiáng)度、韌性、耐磨、抗冷熱疲勞最佳搭配的綜合性能。
第三次回火的主要目的是充分消除淬火過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，選擇比第二次回火溫度低10～20℃進(jìn)行保溫?；鼗疬^(guò)程中使真空度保持在1Pa左右。第三次回火后心部硬度為41～45HRC，具有良好的強(qiáng)韌性配合。
五、稀土RE-N-C-B-O-S多元共滲
為避免因型腔表面熱交變應(yīng)力而產(chǎn)生的龜裂引起模具失效，一般都需對(duì)壓鑄模表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。表面強(qiáng)化處理的方法很多，熱擴(kuò)滲是材料表面強(qiáng)化的一項(xiàng)重要工藝技術(shù)。當(dāng)前，應(yīng)用最廣泛的是兩種或兩種以上元素的共滲。熱擴(kuò)滲工藝周期比較長(zhǎng)且能耗多，因此，提高擴(kuò)滲速度，縮短生產(chǎn)周期具有十分重要的意義。研究表明，稀土元素在提高共滲速度、增加滲層厚度、改善滲層組織和性能方面有良好的作用。采用稀土RE-N-C-B-O-S多元共滲工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)4Cr5MoSi-V1鋼表面強(qiáng)化處理。
試樣表面經(jīng)嚴(yán)格除油除銹后裝入RQ3-60井式氣滲爐，工藝規(guī)范：610℃保溫6h，滴量為初始90d/min×1h，而后50～70d/min×5h。硬度脆性用HV-120型維氏硬度計(jì)檢測(cè)；滲層深度、金相組織用NEOPHOT32型金相顯微鏡檢測(cè)。共滲劑由甲醇、尿素、甲酰胺、硫脲、硼酸組成。
4Cr5MoSiV1鋼經(jīng)鍛熱調(diào)質(zhì)預(yù)處理后，鋼材顯微組織和亞結(jié)構(gòu)細(xì)化明顯改善，提高了壓鑄模鋼內(nèi)部質(zhì)量。采用復(fù)合強(qiáng)化工藝后，與常規(guī)工藝相比，模具使用壽命平均可提高4～5倍
