熱處理而造成的精密模具變形，是造成模具報(bào)廢的主要原因之一，因此如何控制，并且盡可能較少熱處理造成的變形，在模具熱處理行業(yè)，一直是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。在模具的熱處理過程中，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。
本文試就精密復(fù)雜模具變外形況、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，以進(jìn)步模具產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。
本文試就精密復(fù)雜模具變外形況、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，以進(jìn)步模具產(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
Cr12MoV鋼較復(fù)雜模具，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)生的原因這是由于模具鋼中呈一定方向分布的不均勻碳化物的存在，碳化物的膨脹系數(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)行公道鑄造，來打壞碳化物晶塊，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)于尺寸較大或無法鑄造的模具，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，往往由于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不公道，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，在淬火后不致于由于模具變形而使模具報(bào)廢。
對(duì)外形特別復(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)，一些外形復(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)行一次往應(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往應(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℃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以為是冷卻造成的，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℃)；對(duì)于高合金剛模具應(yīng)采用二次預(yù)熱(550-620℃和800-850℃)。
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，以為需進(jìn)步淬火加熱溫度。但是生產(chǎn)實(shí)踐表明，這種做法是不恰當(dāng)?shù)?，?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，在答應(yīng)的上限溫度加熱后的熱處理變形要比在答應(yīng)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，假如淬火溫度高，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)條件的情況下公道選擇加熱溫度，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，這是由于模具淬火后殘留奧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℃回火較200℃回火的殘留奧氏體量少了一半，所以在保證模具技術(shù)要求的條件下，應(yīng)適當(dāng)進(jìn)步回火溫度。生產(chǎn)實(shí)踐表明：Cr12MoV鋼模具500?C回火模具變形量最小，而硬度降低未幾(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，這固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條件下，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℃)。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℃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℃)，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℃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℃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，但是我們只要把握其變形規(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)公道選材。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)行公道鑄造并進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，對(duì)較大和無法鑄造模具鋼可進(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。
