模具熱處理變形與開(kāi)裂的預(yù)防措施
摘要：模具由于品種規(guī)格較多、形狀復(fù)雜和表面粗糙度值低，因此其制造難度較大。模具熱處理后產(chǎn)生的變形將嚴(yán)重影響模具的質(zhì)量和使用壽命，一旦在熱處理中開(kāi)裂將造成模具的報(bào)廢，因此，減少和預(yù)防模具熱處理變形及避免其開(kāi)裂是廣大模具熱處理工作者的重要研究課題。本文就模具在熱處理過(guò)程中常見(jiàn)的變形與開(kāi)裂缺陷進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，分析其產(chǎn)生的原因，并提出預(yù)防措施。
模具主要是根據(jù)使用要求而設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)有時(shí)往往不能做到完全合理和均勻?qū)ΨQ(chēng)。這就要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)模具時(shí)，在不影響模具使用性能的前提下，采取一些有效的措施，盡量注意到制造的工藝性、結(jié)構(gòu)的合理性及幾何形狀的對(duì)稱(chēng)性。
應(yīng)避免厚薄懸殊的截面、薄邊及尖角。在模具的厚薄交界處應(yīng)平滑過(guò)渡。這樣能有效地降低模具截面的溫差，減小熱應(yīng)力，同時(shí)也可減小截面上組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性，減小組織應(yīng)力。圖1所示為模具采用過(guò)渡圓角與過(guò)渡圓錐。
圖1
圖2 凹模的合理壁厚
對(duì)于有些實(shí)在無(wú)法保證截面均勻及對(duì)稱(chēng)的模具，應(yīng)在不影響使用性能的前提下，變不通孔為通孔，或者適當(dāng)增加一些工藝孔。
圖3a所示為一型腔狹窄的凹模，淬火后會(huì)產(chǎn)生如虛線所示的變形。如設(shè)計(jì)時(shí)能增加2個(gè)工藝孔（如圖3b所示），則減小了淬火過(guò)程中截面的溫差，降低了熱應(yīng)力，使變形情況有了明顯的改善。圖4所示也是增加工藝孔或變不通孔為通孔的實(shí)例，可減小因厚薄不均而增大的開(kāi)裂敏感性。
圖 4
（3）盡可能采用封閉及對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)模具形狀為開(kāi)口或不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)時(shí)，淬火后應(yīng)力分布不均勻，極易變形。所以一般易變形的槽形模具，應(yīng)盡量在淬火前留筋，淬火后再切除，圖5所示的槽形工件，原來(lái)淬火后在R處發(fā)生變形，經(jīng)加筋（圖5中陰影線部分）后，能有效地防止淬火變形。
圖 5
對(duì)于形狀復(fù)雜、尺寸>400mm的大型凹模及厚度小、長(zhǎng)度大的凸模，最好采用組合式結(jié)構(gòu)，化繁為簡(jiǎn)，化大為小，變模具內(nèi)表面為外表面，不僅便于冷熱加工。而且能有效地減小變形與開(kāi)裂。設(shè)計(jì)組合式結(jié)構(gòu)時(shí)，一般應(yīng)在不影響配合精度的情況下按下列原則進(jìn)行分解：（1）調(diào)整厚度，使截面相差懸殊的模具在分解后截面基本均勻。（2）在容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方分解，分散其應(yīng)力，防止開(kāi)裂。（3）配合工藝孔，使結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。（4）便于冷、熱加工，便于拼裝。（5）最為重要的是必須確保使用性。
圖6 大型凹模
如圖6所示為一大型凹模，若采用整體式結(jié)構(gòu)，不但熱處理有困難，而且淬火后型腔各處收縮不一致，甚至?xí)鹑锌诎纪购推矫媾で以谝院蟮募庸ぶ须y以補(bǔ)救，因此，可采用組合式結(jié)構(gòu)。按圖6中虛線分為四塊，經(jīng)熱處理后再拼裝成型并磨削再配合，這不僅使熱處理簡(jiǎn)化，而且解決了變形問(wèn)題。熱處理變形、開(kāi)裂與所用鋼材及其質(zhì)量密切相關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)模具的使用性能要求。綜合考慮模具精度、結(jié)構(gòu)和尺寸大小，以及加工對(duì)象的性質(zhì)、數(shù)量和加工方式等因素合理選用。一般模具若無(wú)變形和精度要求，則從降低成本方面考慮，可采用碳素工具鋼；對(duì)于易變形、開(kāi)裂件，可選用強(qiáng)度較高、臨界淬火冷卻速度較慢的合金工具鋼；圖7所示為一電子元件沖模。原用T10A鋼，水淬油冷變形較大且易開(kāi)裂，堿浴淬火型腔又不易淬硬。現(xiàn)改用9Mn2V鋼或CrWMn鋼，淬火硬度和變形都能符合要求。
圖7 電子元件沖模
由此可見(jiàn)，當(dāng)用碳鋼制造的模具變形達(dá)不到要求時(shí)，改用9Mn2V鋼或CrWMn鋼等合金鋼，雖然材料成本稍高，但解決了變形、開(kāi)裂問(wèn)題，總體來(lái)說(shuō)仍是合算的。在正確選材的同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)原材料的檢驗(yàn)和管理，防止因原材料缺陷而導(dǎo)致模具熱處理開(kāi)裂。合理制定技術(shù)條件（包括硬度要求）是防止淬火變形、開(kāi)裂的一條重要途徑。局部硬化或表面硬化就可以滿(mǎn)足使用要求的，盡量不要整體淬火。對(duì)于整體淬火模具，局部可放寬要求的，盡量不要強(qiáng)求一致。對(duì)于成本高或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具，當(dāng)熱處理難以達(dá)到技術(shù)要求時(shí)，應(yīng)更改技術(shù)條件，適當(dāng)放寬那些對(duì)使用壽命影響不大的要求，以免因多次返修而造成報(bào)廢。
對(duì)于所選用的鋼種，不能以其所能達(dá)到的最高硬度作為設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的技術(shù)條件。因?yàn)樽罡哂捕韧怯贸叽缬邢薜男≡嚇訙y(cè)得的，與實(shí)際尺寸較大的模具所能達(dá)到的硬度相差很大。由于追求最高硬度往往需要提高淬火冷卻速度，從而增大淬火變形與開(kāi)裂傾向，所以用較高的硬度作為技術(shù)條件，即使尺寸較小的模具也會(huì)給熱處理操作帶來(lái)一定的困難。總之，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)使用性能和選定的鋼種，合理地制定切實(shí)可行的技術(shù)條件。此外，在對(duì)所選定的鋼種提出硬度要求時(shí)，還應(yīng)避開(kāi)產(chǎn)生回火脆性的硬度范圍。
正確處理機(jī)械加工與熱處理之間的關(guān)系，合理安排工藝流程，使冷、熱加工密切配合是減小模具熱處理變形的有效措施。有些模具的變形，單從熱處理的角度來(lái)考慮是無(wú)法解決問(wèn)題的，但如轉(zhuǎn)換思維方式，從整個(gè)工藝流程著手，往往能收到意想不到的效果。圖8所示是一半圓形模具，由于形狀不對(duì)稱(chēng)，淬火時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的扭曲變形。如在淬火前加工成整體的圓環(huán)，等熱處理后再用鋸片砂輪將其切成兩件，則不但降低成本，還可以減少變形。
圖8 半圓形模具
2、根據(jù)特點(diǎn)預(yù)留加工余量熱處理時(shí)難免會(huì)有變形，如能掌握其變形特點(diǎn)，合理地預(yù)留加工余量，不但可簡(jiǎn)化熱處理操作，還能減少隨后的機(jī)械加工，特別是磨削加工的工作量。圖9所示為一個(gè)45鋼的成型模，熱處理后內(nèi)孔會(huì)趨向脹大，故機(jī)械加工時(shí)，應(yīng)預(yù)先留出負(fù)公差，使熱處理后符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于那些事先無(wú)法預(yù)料變形大小和方向的模具，則可在型腔未加工到設(shè)計(jì)尺寸前，進(jìn)行一次試淬，根據(jù)其變形特點(diǎn)，留出相應(yīng)的機(jī)械加工余量。
圖9 成型模
3、必要的去應(yīng)力退火或時(shí)效處理對(duì)于精密模具，因其切削加工或磨削加工產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)引起變形與開(kāi)裂，故如在工藝流程中增加去應(yīng)力退火或時(shí)效處理，往往能顯著減少變形并防止開(kāi)裂。例如，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)及形狀復(fù)雜的模具，在粗加工成型后進(jìn)行一次去應(yīng)力退火，以消除切削加工應(yīng)力，這對(duì)減少淬火變形十分有效。再如，對(duì)于一些需要精磨的模具，在熱處理并粗磨后，可安排一道時(shí)效處理工序，用以消除磨削應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，防止發(fā)生變形及開(kāi)裂。
鋼中的帶狀組織和成分偏析往往會(huì)造成模具的不均勻變形，淬火前的基體組織狀況也會(huì)影響模具淬火前后的比體積差。在一定條件下，鋼中原始組織的好壞成為影響熱處理變形的主要因素。為了減小淬火變形，除了在淬火過(guò)程中采取有效的措施外，還應(yīng)適當(dāng)控制淬火前鋼中的組織。
實(shí)踐證明，合理進(jìn)行鍛造是減小熱處理變形，保證模具有較高壽命的關(guān)鍵。對(duì)合金鋼（如CrWMn,Cr12和Cr12MoV鋼）尤其重要。這類(lèi)鋼能實(shí)現(xiàn)低變形的前提是經(jīng)充分鍛造，使鋼內(nèi)部碳化物偏析程度達(dá)到最小，因此必須在以下5個(gè)環(huán)節(jié)中正確控制鍛造過(guò)程：（1）鍛造方法 需經(jīng)多次鍛造后成形，一般高合金鋼不少于三次，以保證碳化物破碎并均勻分布。（2）鍛造比 要有一定的鍛造比，如高合金鋼總鍛造比一般為8-10.（3）加熱速度 緩慢升溫到800℃左右，而后再緩慢加熱到1100-1150℃。在加熱過(guò)程中，應(yīng)將毛坯經(jīng)常翻轉(zhuǎn)，力求加熱均勻、燒透。（4）控制終鍛溫度 終鍛溫度過(guò)高，晶粒易長(zhǎng)大，性能變差(終鍛溫度過(guò)低，塑性降低，易形成帶狀組織，還易斷裂。瑞典SSAB鋼鐵集團(tuán)研發(fā)的預(yù)硬工具鋼TOOLOX拓達(dá)鋼具備全球領(lǐng)先的冶煉和熱處理技術(shù)，超級(jí)純凈、均勻，預(yù)硬化無(wú)需再處理（全球最硬的預(yù)硬工具鋼），極少的殘留應(yīng)力幾乎不變形，尺寸穩(wěn)定性高，瑞典皇家工學(xué)院堪稱(chēng)韌性與強(qiáng)度的完美結(jié)合，每一件鋼材出廠都100%經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠焚|(zhì)檢驗(yàn)，是全球唯一一個(gè)把機(jī)械性能100%檢測(cè)并標(biāo)注于質(zhì)保書(shū)的鋼廠，并有獨(dú)一無(wú)二的身份ID，加上總代理騰鴻杰公司的ERP系統(tǒng)，任意鋼材到經(jīng)銷(xiāo)商、客戶(hù)都可溯源、完整保障！模具變形與開(kāi)裂不僅與淬火過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力有關(guān)，而且與淬火前的原始組織和殘余內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。因此，必須對(duì)模具毛坯進(jìn)行必要的預(yù)先熱處理。一般來(lái)說(shuō)，用T7和T8鋼制造的尺寸較小的模具，在淬火時(shí)體積容易脹大，如預(yù)先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，獲得比體積較大的回火索氏體組織，則可減小淬火變形。而用高碳鋼T10和T12鋼等制造的尺寸較大的模具，淬火時(shí)體積容易收縮，則應(yīng)采取球化退火，可取得比調(diào)質(zhì)處理更好的效果。
對(duì)于低合金工具鋼，在機(jī)械加工后安排一次調(diào)質(zhì)處理，使合金碳化物均勻分布，對(duì)改善組織和消除鍛造及原始組織的不良影響有著較好的效果。調(diào)質(zhì)處理可得到分布均勻的碳化物和細(xì)粒狀索氏體組織，增大了原始組織的比體積，既能提高鋼的力學(xué)性能，又有利于減小變形。對(duì)于高合金工具鋼（$如高鉻鋼）模具，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后，淬火時(shí)將發(fā)生不同程度的收縮，所以如將調(diào)質(zhì)中的高溫回火改為退火處理，淬火后可獲得較好的效果。合金結(jié)構(gòu)鋼采用預(yù)先調(diào)質(zhì)處理能得到較高的硬度，且可減小淬火時(shí)的比體積變化，有利于減小淬火變形與開(kāi)裂。采用低溫退火消除模具的冷加工應(yīng)力較調(diào)質(zhì)處理簡(jiǎn)單，周期較短，氧化少，且不同材料可采用相同的工藝處理。為了消除因鍛造不良而產(chǎn)生的網(wǎng)狀碳化物，增加淬透層深度，可采用正火處理。綜上所述，各種預(yù)先熱處理都應(yīng)按照模具的脹縮規(guī)律，預(yù)先調(diào)整原始組織和消除機(jī)械加工應(yīng)力，以減少變形和開(kāi)裂。
為減少及預(yù)防工件淬火變形，除了合理地設(shè)計(jì)工件、選材、制定熱處理技術(shù)要求，以及對(duì)工件毛坯正確進(jìn)行熱加工（鑄、鍛、焊）和預(yù)先熱處理外，更為重要的是在熱處理方面必須注意以下問(wèn)題：在保證淬硬的前提下，一般應(yīng)盡量選擇低一些的淬火溫度。但對(duì)于一些高碳合金鋼模具（如CrWMn，Cr12Mo鋼），可通過(guò)適當(dāng)提高淬火溫度來(lái)降低Ms點(diǎn)，增大殘余奧氏體量，以控制淬火變形。另外，對(duì)厚度較大的高碳鋼模具，也可適當(dāng)提高其淬火溫度來(lái)防止產(chǎn)生淬火裂紋。對(duì)易變形、開(kāi)裂的模具，在淬火前還應(yīng)先進(jìn)行去應(yīng)力退火。應(yīng)盡量做到均勻加熱，減少加熱時(shí)的熱應(yīng)力。對(duì)于大截面、形狀復(fù)雜、變形要求高的高合金鋼模具，一般都應(yīng)經(jīng)過(guò)預(yù)熱或限制加熱速度。盡可能選用預(yù)冷淬火、分級(jí)淬火和分級(jí)冷卻方式。預(yù)冷淬火對(duì)細(xì)長(zhǎng)或薄模具的減少變形有較好的效果，對(duì)于厚薄懸殊的模具，在一定程度上可以起到減小變形的作用。對(duì)于形狀復(fù)雜、截面相差懸殊的模具，采用分級(jí)淬火較好。如高速鋼采用580-620℃分級(jí)淬火，基本上避免了淬火變形和開(kāi)裂。正確選擇工件淬入介質(zhì)的方式，保證模具得到最均勻的冷卻并沿最小阻力方向進(jìn)入冷卻介質(zhì)，將冷卻最慢的面朝著液體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)模具冷卻至Ms點(diǎn)以下時(shí)，應(yīng)停止運(yùn)動(dòng)。例如，厚薄不均勻的模具，應(yīng)使厚的部分先淬入；截面變化大的工件，可通過(guò)增加工藝孔、預(yù)留加強(qiáng)肋、孔中塞堵石棉等方法來(lái)減少熱處理變形；對(duì)有凹凸面或有通孔的工件，應(yīng)使凹面和孔向上淬入，以便排出通孔內(nèi)的氣泡。
熱處理是模具制造過(guò)程中不可缺少的加工工藝之一，它對(duì)模具的質(zhì)量和成本有很大的影響，是提高模具使用壽命的重要措施之一。變形與開(kāi)裂是模具熱處理中的兩大難題，其產(chǎn)生的原因是復(fù)雜的，但是只要掌握其規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究，對(duì)癥下藥，模具的變形是可以減少，且其開(kāi)裂也是可以控制的。說(shuō)明：以上部份信息來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，如有涉及侵權(quán)，我們深感歉意，并立即處理！
