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                                      模具熱處理變形分析和預防方法
                                      更新時間: 2020/11/23 00:00:00

                                      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,加之組織轉變的不等時性等原因,使得模具截面各部分體積脹縮不均勻,組織轉變的不均勻,從而引起“組織應力”和模具內外溫差所引起的熱應力。當其內應力超過模具的屈服極限時,就會引起模具的變形。 
                                       
                                         這里試就精密復雜模具變形狀況、變形原因的研究,來探討減少和控制精密復雜模具變形的措施,以提高模具產品的質量和使用壽命。
                                          一、模具材料的影響
                                          1、模具的選材
                                          某機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雜模具,硬度要求56-60HRC。熱處理后模具硬度符合技術要求,但模具變形較大,無法使用,造成模具報廢。后來該廠采用微變形鋼Cr12模具鋼材制造,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、模具材質的影響
                                          Cr12MoV模具鋼材較復雜模具,帶有¢60mm圓孔,具熱處理后,部分模具圓孔出現橢圓,造成模具報廢。
                                          一般來說Cr12MoV模具鋼材是微變形鋼,不應該出現較大變形。我們對變形嚴重的模具進行金相分析發現,模具鋼材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)產生的原因這是因為模具鋼材中呈一定方向分布的不均勻碳化物的存在,碳化物的膨脹系數比鋼的基體組織小30%左右,加熱時它阻止模具內孔膨脹,冷卻時又阻止模具內孔收縮,使模具內孔發生不均勻的變形,使模具的圓孔出現橢圓。
                                          
                                      (2)預防措施①在制造精密復雜模具時,要盡量選擇碳化物偏析較小的模具鋼材,不要圖便宜,選用小鋼廠生產的材質較差模具鋼材。②對存在碳化物嚴重偏析的模具鋼材要進行合理鍛造,來打碎碳化物晶塊,降低碳化物不均勻分布的等級,消除性能的各向異性。③對鍛后的模具鋼材要進行調質熱處理,使之獲得碳化物分布均勻、細小和彌散的索氏體組織、從而減少精密復雜模具熱處理后的變形。④對于尺寸較大或無法鍛造的模具,可采用固溶雙細化處理,使碳化物細化、分布均勻,棱角圓整化,可達到減少模具熱處理變形的目的。
                                      二、模具結構設計的影響 

                                       
                                         有些模具選材和鋼的材質都很好,往往因為模具結構設計不合理,如薄邊、尖角、溝槽、突變的臺階、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,因此在淬火時引起模具各部位之間的熱應力和組織應力的不同,導致各部位體積膨脹的不同,使模具淬火后產生變形。
                                          2、預防措施
                                          設計模具時,在滿足實際生產需要的情況下,應盡量減少模具厚薄懸殊,結構不對稱,在模具的厚薄交界處,盡可能采用平滑過渡等結構設計。根據模具的變形規律,預留加工余量,在淬火后不致于因為模具變形而使模具報廢。
                                          對形狀特別復雜的模具,為使淬火時冷卻均勻,可采用給合結構。
                                          三、模具制造工序及殘余應力的影響
                                          在工廠經常發現,一些形狀復雜、精度要求高的模具,在熱處理后變形較大,經認真調查后發現,模具在機械加工和最后熱處理未進行任何預先熱處理。

                                          1、變形原因
                                          在機械加工過程中的殘余應力和淬火后的應力疊加,增大了模具熱處理后的變形。
                                          2、預防措施
                                          (1)粗加工后、半精加工前應進行一次去應力退火,即(630-680)℃×(3-4)h爐冷至500℃以下出爐空冷,也可采用400℃×(2-3)h去應力處理。
                                          (2)降低淬火溫度,減少淬火后的殘余應力。
                                          (3)采用淬油170?C出油空冷(分級淬火)。
                                          (4)采用等溫淬火工藝可減少淬火殘余應力。
                                          采用以上措施可使模具淬火后殘余應力減少,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為是冷卻造成的,這是不正確的。模具特別是復雜模具,加工工藝的正確與否對模具的變形往往產生較大的影響,對一些模具加熱工藝的對比可明顯看出,加熱速度較快,往往產生較大的變形。
                                          (1)變形的原因任何金屬加熱時都要膨脹,由于模具鋼材在加熱時,同一個模具內,各部分的溫度不均(即加熱的不均勻)就必然會造成模具內各部分的膨脹的不一致性,從而形成因加熱不均的內應力。在模具鋼材的相變點以下溫度,不均勻的加熱主要產生熱應力,超過相變溫度加熱不均勻,還會產生組織轉變的不等時性,既產生組織應力。因此加熱速度越快,模具表面與心部的溫度差別越大,應力也越大,模具熱處理后產生的變形也越大。
                                          (2)預防措施對復雜模具在相變點以下加熱時應緩慢加熱,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。?采用預熱,對于低合金鋼模具可采用一次預熱(550-620?C);對于高合金剛模具應采用二次預熱(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到較高硬度,認為需提高淬火加熱溫度。但是生產實踐表明,這種做法是不恰當的,對于復雜具,同樣是采用正常的加熱溫度下進行加熱淬火,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,模具鋼材的晶粒越趨長大,由于較大晶粒能使淬透性增加,則使淬火冷卻時產生的應力越大。再之,由于復雜模具大多由中高合金鋼制造,如果淬火溫度高,則因Ms點低,組織中殘留奧氏體量增多,加大模具熱處理后變形。
                                          (2)預防措施在保證模具的技術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,以減少冷卻時的應力,從而減少復雜的熱處理變形。
                                      五、殘留奧氏體的影響 
                                          一些高合金模具鋼材,如Cr12MoV鋼模具在淬火和低溫回火后,具的長、寬、高皆發生縮小現象,這是因為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模具鋼材)淬火后含有大量殘留奧氏體,模具鋼材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生縮小的主要原因。模具鋼材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、預防措施
                                          (1)適當降低淬火溫度。正如前面敘述過的淬火加熱溫度越高,殘留奧氏體量越大,因此選擇適當的淬火加熱溫度是減少模具縮小的重要措施。一般在保證模具技術要求的情況下,要考慮模具的綜合性能,適當降低模具的淬火加熱溫度。
                                          (2)一些數據表明,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要求的前提下,應適當提高回火溫度。生產實踐表明: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、穩定使用時發生尺寸變化的最佳措施,因此精密復雜模具一般應采用深冷處理。
                                          六、冷卻介質和冷卻方法的影響 
                                          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、變形產生的原因
                                          當模冷卻到Ms點以下時,鋼即發生相變,除因冷卻不一致所早成的熱應力外,還有因相變的
                                          不等時性而產生的組織應力,冷卻速度越快,冷卻越不均勻,產生的應力越大,具的變形也越大。
                                      2、預防措施 
                                          (1)在保證模具硬度要求的前提下,盡量采用預冷,對于碳素鋼和低合金模具鋼材可預冷至棱角部位發黑(720~760?C)。對于在珠光體轉變區過冷奧氏體較穩定的鋼種可預冷至700?C左右。
                                          (2)采用分級冷卻淬火能顯著減少模具淬火時產生的熱應力和組織應力,是減少一些復雜模具變形的有效方法。
                                          (3)對一些精密復雜模具,采用等溫淬火能顯著減少變形。
                                         七、改進熱處理工藝、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,但是對于要嚴格控制變形量的精密復雜模具可采取以下方法進行控制。
                                          1、采用調質熱處理
                                          對基體硬度要求不高,而表面硬度要求較高的精密復雜模具,可采取模具粗加工后進行調質熱處理,精加工后進行低溫氮化處理(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,冷卻應力也較少,模具變形較小。
                                          2、采用預先熱處理 
                                          對精密復雜模具,如其硬度要求不太高,可采用預先熱處理的預硬鋼,對模具鋼材(如3Cr2Mo,3CrMnNiMo鋼)進行預先熱處理,使之到達使用時的硬度(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行熱處理,從而保證精密復雜模具的精度。
                                          3、采用時效硬化型模具鋼材 
                                          對精密復雜模具可采用時效硬化鋼,如PMS(1Ni3Mn2CuA1.Mo)鋼是一種新型時效模具鋼材,在870?C固溶淬火后的硬度在30HRC左右,便于機械加工,模具加工成型后再進行500?C左右的時效熱處理,即可獲得40~45HRC的較高硬度,模具變形較小,只需要進行拋光處理,是理想的精密復雜模具用鋼。
                                          八、結語
                                          精密復雜模具的變形原因往往是復雜的,但是我們只要掌握其變形規律,分析其產生的原因,采用不同的方法進行預防模具的變形是能夠減少的,也是能夠控制的。一般來說,對精密復雜模具的熱處理變形可采取一下方法預防。
                                          (1)合理選材。對精密復雜模具應選擇材質好的微變形模具鋼材(如空淬鋼),對碳化物偏析嚴重的模具鋼材應進行合理鍛造并進行調質熱處理,對較大和無法鍛造模具鋼材可進行固溶雙細化熱處理。
                                          (2)模具結構設計要合理,厚薄不要太懸殊,形狀要對稱,對于變形較大具要掌握變形規律,預留加工余量,對于大型、精密復雜模具可采用組合結構。
                                          (3)精密復雜模具要進行預先熱處理,消除機械加工過程中產生的殘余應力。
                                          (4)合理選擇加熱溫度,控制加熱速度,對于精密復雜具可采取緩慢加熱、預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,盡量采用預冷、分級冷卻淬火或溫淬火工藝。
                                          (6)對精密復雜模具,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)對一些精密復雜的模具可采用預先熱處理、時效熱處理、調質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中的運動方向等)和合理的回火熱處理工藝也可以有效減少具在熱處理中造成的變形。


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