模具熱處理變形及預(yù)防

　　模具熱處理變形是模具處理過程的主要缺陷之一，對(duì)一些精密復(fù)雜模具，常因熱處理變形而報(bào)廢，因此控制精密復(fù)雜模具的變形一直成為熱處理生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題。

　　眾所周知，模具在熱處理時(shí)，特別是在淬火過程中，由于模具截面各部分加熱和冷卻速度的不一致而引起的溫度差，加之組織轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性等原因，使得模具截面各部分體積脹縮不均勻，組織轉(zhuǎn)變的不均勻，從而引起“組織應(yīng)力”和模具內(nèi)外溫差所引起的熱應(yīng)力。當(dāng)其內(nèi)應(yīng)力超過模具的屈服極限時(shí),就會(huì)引起模具的變形。

　　因此，減少和控制精密復(fù)雜模具變形乃是廣大熱處理工作者的一項(xiàng)重要的研究課題。

　　本文試就精密復(fù)雜模具變形狀況、變形原因的研究，來探討減少和控制精密復(fù)雜模具變形的措施，以提高模具產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。

　　一、模具材料的影響

　　1、模具的選材

　　某機(jī)械廠從選材和熱處理簡便考慮，選擇T10A鋼制造截面尺寸相差懸殊、要求淬火后變形較小的較復(fù)雜模具，硬度要求56-60HRC。熱處理后模具硬度符合技術(shù)要求，但模具變形較大，無法使用，造成模具報(bào)廢。后來該廠采用微變形鋼Cr12鋼制造，模具熱處理后硬度和變形量都符合要求。

　　因此制造精密復(fù)雜、要求變形較小的模具，要盡量選用微變形鋼，如空淬鋼等。

　　2、模具材質(zhì)的影響

　　某廠送來一批Cr12MoV鋼較復(fù)雜模具，模具都帶有￠60m?m圓孔，模具熱處理后，部分模具圓孔出現(xiàn)橢圓，造成模具報(bào)廢。

　　一般來說Cr12MoV鋼是微變形鋼，不應(yīng)該出現(xiàn)較大變形。我們對(duì)變形嚴(yán)重的模具進(jìn)行金相分析發(fā)現(xiàn)，模具鋼中含有大量共晶碳化物，且呈帶狀和塊狀分布。

　　(1)模具橢圓(變形)產(chǎn)生的原因?這是因?yàn)槟＞咪撝谐室欢ǚ较蚍植嫉牟痪鶆蛱蓟锏拇嬖?，碳化物的膨脹系?shù)比鋼的基體組織小30%左右，加熱時(shí)它阻止模具內(nèi)孔膨脹，冷卻時(shí)又阻止模具內(nèi)孔收縮，使模具內(nèi)孔發(fā)生不均勻的變形，使模具的圓孔出現(xiàn)橢圓。

　　(2)預(yù)防措施①在制造精密復(fù)雜模具時(shí)，要盡量選擇碳化物偏析較小的模具鋼，不要圖便宜，選用小鋼廠生產(chǎn)的材質(zhì)較差鋼材。②對(duì)存在碳化物嚴(yán)重偏析的模具鋼要進(jìn)行合理鍛造，來打碎碳化物晶塊，降低碳化物不均勻分布的等級(jí)，消除性能的各向異性。③對(duì)鍛后的模具鋼要進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，使之獲得碳化物分布均勻、細(xì)小和彌散的索氏體組織、從而減少精密復(fù)雜模具熱處理后的變形。④對(duì)于尺寸較大或無法鍛造的模具，可采用固溶雙細(xì)化處理，使碳化物細(xì)化、分布均勻，棱角圓整化，可達(dá)到減少模具熱處理變形的目的。

　　二、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

　　有些模具選材和鋼的材質(zhì)都很好，往往因?yàn)槟＞呓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如薄邊、尖角、溝槽、突變的臺(tái)階、厚薄懸殊等，造成模具熱處理后變形較大。

　　1、變形的原因

　　由于模具各處厚薄不均或存在尖銳圓角，因此在淬火時(shí)引起模具各部位之間的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的不同，導(dǎo)致各部位體積膨脹的不同，使模具淬火后產(chǎn)生變形。

　　2、預(yù)防措施

　　設(shè)計(jì)模具時(shí)，在滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的情況下，應(yīng)盡量減少模具厚薄懸殊，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，在模具的厚薄交界處，盡可能采用平滑過渡等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)模具的變形規(guī)律，預(yù)留加工余量，在淬火后不致于因?yàn)槟＞咦冃味鼓＞邎?bào)廢。

　　對(duì)形狀特別復(fù)雜的模具，為使淬火時(shí)冷卻均勻，可采用給合結(jié)構(gòu)。

　　三、模具制造工序及殘余應(yīng)力的影響

　　在工廠經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，一些形狀復(fù)雜、精度要求高的模具，在熱處理后變形較大，經(jīng)認(rèn)真調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，模具在機(jī)械加工和最后熱處理未進(jìn)行任何預(yù)先熱處理。

　　1、變形原因

　　在機(jī)械加工過程中的殘余應(yīng)力和淬火后的應(yīng)力疊加，增大了模具熱處理后的變形。

　　2、預(yù)防措施

　　(1)粗加工后、半精加工前應(yīng)進(jìn)行一次去應(yīng)力退火，即(630-680)℃×（3-4)h爐冷至500℃以下出爐空冷，也可采用400℃×（2-3)h去應(yīng)力處理。

　　(2)降低淬火溫度，減少淬火后的殘余應(yīng)力。

　　(3)采用淬油170?C出油空冷(分級(jí)淬火)。

　　(4)采用等溫淬火工藝可減少淬火殘余應(yīng)力。

　　采用以上措施可使模具淬火后殘余應(yīng)力減少，模具變形較小。

　　四、熱處理加熱工藝的影響

　　1、加熱速度的影響

　　模具熱處理后的變形一般都認(rèn)為是冷卻造成的，這是不正確的。模具特別是復(fù)雜模具，加工工藝的正確與否對(duì)模具的變形往往產(chǎn)生較大的影響，對(duì)一些模具加熱工藝的對(duì)比可明顯看出，加熱速度較快，往往產(chǎn)生較大的變形。

　　(1)變形的原因?任何金屬加熱時(shí)都要膨脹，由于鋼在加熱時(shí)，同一個(gè)模具內(nèi)，各部分的溫度不均(即加熱的不均勻)就必然會(huì)造成模具內(nèi)各部分的膨脹的不一致性，從而形成因加熱不均的內(nèi)應(yīng)力。在鋼的相變點(diǎn)以下溫度，不均勻的加熱主要產(chǎn)生熱應(yīng)力，超過相變溫度加熱不均勻，還會(huì)產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性，既產(chǎn)生組織應(yīng)力。因此加熱速度越快，模具表面與心部的溫度差別越大，應(yīng)力也越大，模具熱處理后產(chǎn)生的變形也越大。

　　(2)預(yù)防措施對(duì)復(fù)雜模具在相變點(diǎn)以下加熱時(shí)應(yīng)緩慢加熱，一般來說，模具真空熱處理變形要比鹽浴爐加熱淬火小得多。?采用預(yù)熱，對(duì)于低合金鋼模具可采用一次預(yù)熱(550-620?C)；對(duì)于高合金剛模具應(yīng)采用二次預(yù)熱(550-620?C和800-850?C)。

　　2、加熱溫度的影響

　　一些廠家為了保證模具達(dá)到較高硬度，認(rèn)為需提高淬火加熱溫度。但是生產(chǎn)實(shí)踐表明，這種做法是不恰當(dāng)?shù)模瑢?duì)于復(fù)雜模具，同樣是采用正常的加熱溫度下進(jìn)行加熱淬火，在允許的上限溫度加熱后的熱處理變形要比在允許的下限溫度加熱的熱處理變形大得多。

　　(1)變形原因?眾所周知，淬火加熱溫度越高，鋼的晶粒越趨長大，由于較大晶粒能使淬透性增加，則使淬火冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力越大。再之，由于復(fù)雜模具大多由中高合金鋼制造，如果淬火溫度高，則因Ms點(diǎn)低，組織中殘留奧氏體量增多，加大模具熱處理后變形。

　　(2)預(yù)防措施?在保證模具的技術(shù)條件的情況下合理選擇加熱溫度，盡量選用下限淬火加熱溫度，以減少冷卻時(shí)的應(yīng)力，從而減少復(fù)雜的熱處理變形。

　　五、殘留奧氏體的影響

　　一些高合金模具鋼，如Cr12MoV鋼模具在淬火和低溫回火后，模具的長、寬、高皆發(fā)生縮小現(xiàn)象，這是因?yàn)槟＞叽慊鸷髿埩魥W氏體量過多而引起的。

　　1、變形原因

　　因合金鋼(如Cr12MoV鋼)淬火后含有大量殘留奧氏體，鋼中各種組織有不同的比體積，奧氏體的比體積最小，這是高合金鋼模具淬火低溫回火后體積發(fā)生縮小的主要原因。鋼的各種組織的比體積按下列順序遞減：馬氏體-回火索氏體-珠光體-奧氏體

　　2、預(yù)防措施

　　(1)適當(dāng)降低淬火溫度。正如前面敘述過的淬火加熱溫度越高，殘留奧氏體量越大，因此選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸺訜釡囟仁菧p少模具縮小的重要措施。一般在保證模具技術(shù)要求的情況下，要考慮模具的綜合性能，適當(dāng)降低模具的淬火加熱溫度。

　　(2)一些數(shù)據(jù)表明，Cr12MoV鋼模具淬火后，500?C回火較200?C回火的殘留奧氏體量少了一半，所以在保證模具技術(shù)要求的前提下，應(yīng)適當(dāng)提高回火溫度。生產(chǎn)實(shí)踐表明：Cr12MoV鋼模具500?C回火模具變形量最小，而硬度降低不多(2~3HRC)。

　　(3)模具淬火后采取冷處理是減少殘留奧氏體量的最佳工藝，也是減少模具變形、穩(wěn)定使用時(shí)發(fā)生尺寸變化的最佳措施，因此精密復(fù)雜模具一般應(yīng)采用深冷處理。

　　六、冷卻介質(zhì)和冷卻方法的影響

　　模具熱處理變形往往是在淬火冷卻后所表現(xiàn)出來的，這雖然有以上各種因素的影響，但冷卻過程中的影響也是不可忽視的。

　　1、變形產(chǎn)生的原因

　　當(dāng)模具冷卻到Ms點(diǎn)以下時(shí)，鋼即發(fā)生相變，除因冷卻不一致所早成的熱應(yīng)力外，還有因相變的不等時(shí)性而產(chǎn)生的組織應(yīng)力，冷卻速度越快，冷卻越不均勻，產(chǎn)生的應(yīng)力越大，模具的變形也越大。

　　2、預(yù)防措施

　　(1)在保證模具硬度要求的前提下，盡量采用預(yù)冷，對(duì)于碳素鋼和低合金模具鋼可預(yù)冷至棱角部位發(fā)黑(720~760?C)。對(duì)于在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)過冷奧氏體較穩(wěn)定的鋼種可預(yù)冷至700?C左右。

　　(2)采用分級(jí)冷卻淬火能顯著減少模具淬火時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，是減少一些復(fù)雜模具變形的有效方法。

　　(3)對(duì)一些精密復(fù)雜模具，采用等溫淬火能顯著減少變形。

　　七、改進(jìn)熱處理工藝、減少模具熱處理變形

　　模具在淬火后的變形，不論采取什么方法，變形都是無法避免的，但是對(duì)于要嚴(yán)格控制變形量的精密復(fù)雜模具可采取以下方法進(jìn)行控制。

　　1、采用調(diào)質(zhì)熱處理

　　對(duì)基體硬度要求不高，而表面硬度要求較高的精密復(fù)雜模具，可采取模具粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，精加工后進(jìn)行低溫氮化處理(500~550?C)，由于模具氮化溫度低，不存在基體組織相變，另外爐冷至室溫出爐，冷卻應(yīng)力也較少，模具變形較小。

　　2、采用預(yù)先熱處理

　　對(duì)精密復(fù)雜模具，如其硬度要求不太高，可采用預(yù)先熱處理的預(yù)硬鋼，對(duì)模具鋼(如3Cr2Mo,?3CrMnNiMo鋼)進(jìn)行預(yù)先熱處理，使之到達(dá)使用時(shí)的硬度(較低硬度為25~35HRC，較高硬度為40~50HRC)，然后把模具加工成型不再進(jìn)行熱處理，從而保證精密復(fù)雜模具的精度。

　　3、采用時(shí)效硬化型模具鋼

　　對(duì)精密復(fù)雜模具可采用時(shí)效硬化鋼，如PMS(1Ni3Mn2CuA1.Mo)鋼是一種新型時(shí)效模具鋼，在870?C固溶淬火后的硬度在30HRC左右，便于機(jī)械加工，模具加工成型后再進(jìn)行500?C左右的時(shí)效熱處理，即可獲得40~45HRC的較高硬度，模具變形較小，只需要進(jìn)行拋光處理，是理想的精密復(fù)雜模具用鋼。

　　八、結(jié)語

　　精密復(fù)雜模具的變形原因往往是復(fù)雜的，但是我們只要掌握其變形規(guī)律，分析其產(chǎn)生的原因，采用不同的方法進(jìn)行預(yù)防模具的變形是能夠減少的，也是能夠控制的。一般來說，對(duì)精密復(fù)雜模具的熱處理變形可采取一下方法預(yù)防。

　　(1)合理選材。對(duì)精密復(fù)雜模應(yīng)選擇材質(zhì)好的微變形模具鋼(如空淬鋼)，對(duì)碳化物偏析嚴(yán)重的模具鋼應(yīng)進(jìn)行合理鍛造并進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，對(duì)較大和無法鍛造模具鋼可進(jìn)行固溶雙細(xì)化熱處理。

　　(2)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，厚薄不要太懸殊，形狀要對(duì)稱，對(duì)于變形較大模具要掌握變形規(guī)律，預(yù)留加工余量，對(duì)于大型、精密復(fù)雜模具可采用組合結(jié)構(gòu)。

　　(3)精密復(fù)雜模具要進(jìn)行預(yù)先熱處理，消除機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

　　(4)合理選擇加熱溫度，控制加熱速度，對(duì)于精密復(fù)雜模具可采取緩慢加熱、預(yù)熱和其他均衡加熱的方法來減少模具熱處理變形。

　　(5)在保證模具硬度的前提下，盡量采用預(yù)冷、分級(jí)冷卻淬火或溫淬火工藝。

　　(6)對(duì)精密復(fù)雜模具，在條件許可的情況下，盡量采用真空加熱淬火和淬火后的深冷處理。

　　(7)對(duì)一些精密復(fù)雜的模具可采用預(yù)先熱處理、時(shí)效熱處理、調(diào)質(zhì)氮化熱處理來控制模具的精度。

　　另外，正確的熱處理工藝操作(如堵孔、綁孔、機(jī)械固定、適宜的加熱方法、正確選擇模具的冷卻方向和在冷卻介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)方向等)和合理的回火熱處理工藝也是減少精密復(fù)雜模具變形的有效措施。