模具热处理变形及预防

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模具热处理变形是模具处理过程的主要缺陷之一，对一些精密复杂模具，常因热处理变形而报废，因此控制精密复杂模具的变形一直成为热处理生产中的关键问题。
     众所周知，模具在热处理时，特别是在淬火过程中，由于模具截面各部分加热和冷却速度的不一致而引起的温度差，加之组织转变的不等时性等原因，使得模具截面各部分体积胀缩不均匀，组织转变的不均匀，从而引起“组织应力”和模具内外温差所引起的热应力。当其内应力超过模具的屈服极限时,就会引起模具的变形。
     因此，减少和控制精密复杂模具变形乃是广大热处理工作者的一项重要的研究课题。
. g1 j; w% X( \6 y8 |* p     本文试就精密复杂模具变形状况、变形原因的研究，来探讨减少和控制精密复杂模具变形的措施，以提高模具产品的质量和使用寿命。
" P0 e/ N" G) y. F7 y% ]$ u     一、模具材料的影响
      1、模具的选材
     某机械厂从选材和热处理简便考虑，选择T10A钢制造截面尺寸相差悬殊、要求淬火后变形较小的较复杂模具，硬度要求56-60HRC。热处理后模具硬度符合技术要求，但模具变形较大，无法使用，造成模具报废。后来该厂采用微变形钢Cr12钢制造，模具热处理后硬度和变形量都符合要求。
6 N0 Y6 X- w* o/ e     因此制造精密复杂、要求变形较小的模具，要尽量选用微变形钢，如空淬钢等。
     2、模具材质的影响
     某厂送来一批Cr12MoV钢较复杂模具，模具都带有￠60m m圆孔，模具热处理后，部分模具圆孔出现椭圆，造成模具报废。
% t3 I0 [3 F+ @3 a+ b( t8 c     一般来说Cr12MoV钢是微变形钢，不应该出现较大变形。我们对变形严重的模具进行金相分析发现，模具钢中含有大量共晶碳化物，且呈带状和块状分布。
    （1）模具椭圆（变形）产生的原因　 这是因为模具钢中呈一定方向分布的不均匀碳化物的存在，碳化物的膨胀系数比钢的基体组织小３０％左右，加热时它阻止模具内孔膨胀，冷却时又阻止模具内孔收缩，使模具内孔发生不均匀的变形，使模具的圆孔出现椭圆。
4 T8 }/ b) H4 o  f3 [  G    （2）预防措施　 ①在制造精密复杂模具时，要尽量选择碳化物偏析较小的模具钢，不要图便宜，选用小钢厂生产的材质较差钢材。②对存在碳化物严重偏析的模具钢要进行合理锻造，来打碎碳化物晶块，降低碳化物不均匀分布的等级，消除性能的各向异性。③对锻后的模具钢要进行调质热处理，使之获得碳化物分布均匀、细小和弥散的索氏体组织、从而减少精密复杂模具热处理后的变形。④对于尺寸较大或无法锻造的模具，可采用固溶双细化处理，使碳化物细化、分布均匀，棱角圆整化，可达到减少模具热处理变形的目的。
' S, I% r4 R* v1 b     二、模具结构设计的影响
: b4 f: \% [. Y6 ]     有些模具选材和钢的材质都很好，往往因为模具结构设计不合理，如薄边、尖角、沟槽、突变的台阶、厚薄悬殊等，造成模具热处理后变形较大。
1 ]4 `/ d4 ~/ y     1、变形的原因
4 u- W' [6 C& w; m/ G) ~     由于模具各处厚薄不均或存在尖锐圆角，因此在淬火时引起模具各部位之间的热应力和组织应力的不同，导致各部位体积膨胀的不同，使模具淬火后产生变形。
. ?0 k8 Q/ W$ n9 D$ U/ l# @     2、 预防措施
# H, W# ?$ I3 @) H0 \     设计模具时，在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少模具厚薄悬殊，结构不对称，在模具的厚薄交界处，尽可能采用平滑过渡等结构设计。根据模具的变形规律，预留加工余量，在淬火后不致于因为模具变形而使模具报废。
     对形状特别复杂的模具，为使淬火时冷却均匀，可采用给合结构。
# q: x! g! ?; ~/ v     三、模具制造工序及残余应力的影响
& u, _, X9 y6 _4 D0 J4 W) g; E     在工厂经常发现，一些形状复杂、精度要求高的模具，在热处理后变形较大，经认真调查后发现，模具在机械加工和最后热处理未进行任何预先热处理。
# N- c. E, o0 ]) j* x/ Q     1、变形原因
, j  t# U3 a3 y( F     在机械加工过程中的残余应力和淬火后的应力叠加，增大了模具热处理后的变形。
     2、预防措施
    （1）粗加工后、半精加工前应进行一次去应力退火，即（630-680）℃×（3-4）h炉冷至500℃以下出炉空冷，也可采用400℃×（2-3）h去应力处理。
& p7 G+ c# d9 c    （2）降低淬火温度，减少淬火后的残余应力。
& G2 ~6 d6 t; `4 r    （3） 采用淬油170ºC出油空冷（分级淬火）。
; A' p  T% C1 o; b& h2 m: a    （4）采用等温淬火工艺可减少淬火残余应力。
6 q; c, N( e- U( }2 `  o& {8 c     采用以上措施可使模具淬火后残余应力减少，模具变形较小。
     四、热处理加热工艺的影响
& k/ f4 e0 K2 P, D5 d; n6 Q  q     1、加热速度的影响
     模具热处理后的变形一般都认为是冷却造成的，这是不正确的。模具特别是复杂模具，加工工艺的正确与否对模具的变形往往产生较大的影响，对一些模具加热工艺的对比可明显看出，加热速度较快，往往产生较大的变形。
    （1）变形的原因  任何金属加热时都要膨胀，由于钢在加热时，同一个模具内，各部分的温度不均（即加热的不均匀）就必然会造成模具内各部分的膨胀的不一致性，从而形成因加热不均的内应力。在钢的相变点以下温度，不均匀的加热主要产生热应力，超过相变温度加热不均匀，还会产生组织转变的不等时性，既产生组织应力。因此加热速度越快，模具表面与心部的温度差别越大，应力也越大，模具热处理后产生的变形也越大。
9 [2 L% g* [; i; u    （2）预防措施    对复杂模具在相变点以下加热时应缓慢加热，一般来说，模具真空热处理变形要比盐浴炉加热淬火小得多。‚采用预热，对于低合金钢模具可采用一次预热（550-620ºC）；对于高合金刚模具应采用二次预热（550-620ºC和800-850ºC）。
  H9 q: K+ A3 b; r, Z) m/ I5 c     2、加热温度的影响
    一些厂家为了保证模具达到较高硬度，认为需提高淬火加热温度。但是生产实践表明，这种做法是不恰当的，对于复杂模具，同样是采用正常的加热温度下进行加热淬火，在允许的上限温度加热后的热处理变形要比在允许的下限温度加热的热处理变形大得多。
   （1）变形原因   众所周知，淬火加热温度越高，钢的晶粒越趋长大，由于较大晶粒能使淬透性增加，则使淬火冷却时产生的应力越大。再之，由于复杂模具大多由中高合金钢制造，如果淬火温度高，则因Ms点低，组织中残留奥氏体量增多，加大模具热处理后变形。
- e- t& B' Y5 J2 ^0 n   （2）预防措施   在保证模具的技术条件的情况下合理选择加热温度，尽量选用下限淬火加热温度，以减少冷却时的应力，从而减少复杂的热处理变形。
    五、残留奥氏体的影响
1 n! G" G/ e* `) t* D: x    一些高合金模具钢，如Cr12MoV钢模具在淬火和低温回火后，模具的长、宽、高皆发生缩小现象，这是因为模具淬火后残留奥氏体量过多而引起的。
' g/ A6 B" }, E0 h' R  x    1、变形原因
    因合金钢（如Cr12MoV钢)淬火后含有大量残留奥氏体，钢中各种组织有不同的比体积，奥氏体的比体积最小，这是高合金钢模具淬火低温回火后体积发生缩小的主要原因。钢的各种组织的比体积按下列顺序递减：马氏体-回火索氏体-珠光体-奥氏体
    2、预防措施
   （1）适当降低淬火温度。正如前面叙述过的淬火加热温度越高，残留奥氏体量越大，因此选择适当的淬火加热温度是减少模具缩小的重要措施。一般在保证模具技术要求的情况下，要考虑模具的综合性能，适当降低模具的淬火加热温度。
   （2）一些数据表明，Cr12MoV钢模具淬火后，500ºC回火较200ºC回火的残留奥氏体量少了一半，所以在保证模具技术要求的前提下，应适当提高回火温度。生产实践表明：Cr12MoV钢模具500ºC回火模具变形量最小，而硬度降低不多（2~3HRC）。
   （3）模具淬火后采取冷处理是减少残留奥氏体量的最佳工艺，也是减少模具变形、稳定使用时发生尺寸变化的最佳措施，因此精密复杂模具一般应采用深冷处理。
     六、冷却介质和冷却方法的影响
/ O" N0 q) X+ p- k. A5 ^( G2 \$ t( a     模具热处理变形往往是在淬火冷却后所表现出来的，这虽然有以上各种因素的影响，但冷却过程中的影响也是不可忽视的。
     1、变形产生的原因
     当模具冷却到Ms点以下时，钢即发生相变，除因冷却不一致所早成的热应力外，还有因相变的不等时性而产生的组织应力，冷却速度越快，冷却越不均匀，产生的应力越大，模具的变形也越大。
     2、预防措施
) U* _) d4 C8 P8 {7 R" {   （1）在保证模具硬度要求的前提下，尽量采用预冷，对于碳素钢和低合金模具钢可预冷至棱角部位发黑（720~760ºC）。对于在珠光体转变区过冷奥氏体较稳定的钢种可预冷至700ºC左右。
   （2）采用分级冷却淬火能显著减少模具淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些复杂模具变形的有效方法。
   （3）对一些精密复杂模具，采用等温淬火能显著减少变形。
    七、改进热处理工艺、减少模具热处理变形
    模具在淬火后的变形，不论采取什么方法，变形都是无法避免的，但是对于要严格控制变形量的精密复杂模具可采取以下方法进行控制。
    1、采用调质热处理
& R: p3 w* R7 |/ c    对基体硬度要求不高，而表面硬度要求较高的精密复杂模具，可采取模具粗加工后进行调质热处理，精加工后进行低温氮化处理（500~550ºC），由于模具氮化温度低，不存在基体组织相变，另外炉冷至室温出炉，冷却应力也较少，模具变形较小。
/ M, B2 W* G$ R6 V) G8 w     2 、采用预先热处理
    对精密复杂模具，如其硬度要求不太高，可采用预先热处理的预硬钢，对模具钢（如3Cr2Mo, 3CrMnNiMo钢）进行预先热处理，使之到达使用时的硬度（较低硬度为25~35HRC，较高硬度为40~50HRC），然后把模具加工成型不再进行热处理，从而保证精密复杂模具的精度。
* F6 ~! A* k3 ]9 G$ Z- ~: O    3、采用时效硬化型模具钢
6 {: A, K* _# h* E    对精密复杂模具可采用时效硬化钢，如PMS(1Ni3Mn2CuA1.Mo)钢是一种新型时效模具钢，在870ºC固溶淬火后的硬度在30HRC左右，便于机械加工，模具加工成型后再进行500ºC左右的时效热处理，即可获得40~45HRC的较高硬度，模具变形较小，只需要进行抛光处理，是理想的精密复杂模具用钢。
' b7 x* B7 _, f% R7 h" W* V    八、结语
) y# G3 }# p+ o' r    精密复杂模具的变形原因往往是复杂的，但是我们只要掌握其变形规律，分析其产生的原因，采用不同的方法进行预防模具的变形是能够减少的，也是能够控制的。一般来说，对精密复杂模具的热处理变形可采取一下方法预防。
! N: y2 ~; q4 ^4 l2 ]# e5 x   （1）合理选材。对精密复杂模应选择材质好的微变形模具钢（如空淬钢），对碳化物偏析严重的模具钢应进行合理锻造并进行调质热处理，对较大和无法锻造模具钢可进行固溶双细化热处理。
   （2）模具结构设计要合理，厚薄不要太悬殊，形状要对称，对于变形较大模具要掌握变形规律，预留加工余量，对于大型、精密复杂模具可采用组合结构。
   （3）精密复杂模具要进行预先热处理，消除机械加工过程中产生的残余应力。
   （4）合理选择加热温度，控制加热速度，对于精密复杂模具可采取缓慢加热、预热和其他均衡加热的方法来减少模具热处理变形。
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   （5）在保证模具硬度的前提下，尽量采用预冷、分级冷却淬火或温淬火工艺。
- I2 Y9 p) B) S. j  m6 |   （6）对精密复杂模具，在条件许可的情况下，尽量采用真空加热淬火和淬火后的深冷处理。
   （7）对一些精密复杂的模具可采用预先热处理、时效热处理、调质氮化热处理来控制模具的精度。
   另外，正确的热处理工艺操作（如堵孔、绑孔、机械固定、适宜的加热方法、正确选择模具的冷却方向和在冷却介质中的运动方向等）和合理的回火热处理工艺也是减少精密复杂模具变形的有效措施。