优化热处理工艺控制模具变形

高丛丛 曹晨亮

摘要：模具的品种规格较多、形状复杂、表面粗糙度值低、制造难度大。模具热处理后产生变形将严重影响模具的质量和使用寿命，产生变形，甚至造成开裂。因此，减少和控制复杂模具变形是一项非常重要的事情。

关键词：模具变形；热处理技术；优化措施

1 热处理变形原因

由于模具零件的结构形状、截面尺寸的差异，各处厚薄不均及存在尖锐圆角等因素，热处理（加热、保温、冷却）过程中因加热与冷却的速率不同，在热应力、组织应力及相变体积变化的综合作用下，引起零件体积膨胀或收缩，从而使尺寸与形状发生偏差，影响淬火变形的原因是多方面的，主要与钢的化学成分和原始组织、零件的几何形状、尺寸大小及热处理工艺等因素有关。然而，采取有效的预防措施，改善与优化热处理工艺，致力将模具热处理变形严格控制在最小限度之内。

2 关于模具热处理环节的分析

为了促进模具热处理系统的健全，我们要针对其内部运作模式，进行深化应用，确保其模具的热处理环节的优化，确保其热处理模式的深化应用，为此我们要进行其相关模具的有效应用，确保其微变形刚的有效选择，通过对其空淬钢的应用，满足实际工作的需要，某工厂提供了一系列的钢杂模具，该模具的圆孔是标准类型的，通过其热处理模式的应用后，有些模具圆孔出现严重变形情况，导致其模具的报废。该型号的钢是一种微变形钢，按照相关理论，我们得知其不会产生较大的变形情况，我们通過相关模具的深化分析，得出其磨具钢内部含有一系列的共晶碳化物，这些碳化物呈现块状分布模式，其模具的椭圆形状的出现正是由于这一系列的共晶碳化物导致的，其影响了钢模具的日常热处理模式的应用，无论是加热还是冷却，都一定程度导致了其模具的圆孔的变形。

3 模具热处理环节变形的影响因素

3.1 模具材料的影响

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。所以钢材的冶金质量事关重要。正确选择模具钢材，是减少冲模热处理变形的关键因素之一。选材的主要依据是模具零件的工作条件、生产批量及材料的工艺性，要尽量选择碳化物偏析较小的模具钢，尤其是热处理工艺性良好，并兼顾经济性。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。对于形状复杂、厚薄悬殊的冲模工件零件，应选用高淬透性的合金工具钢。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通常，合金工具钢（Cr12）比碳素工具钢（T10A）热处理变形量小得多。此外，应使模具的主应力方向和钢材中碳化物的纤维方向垂直，可减少热处理变形。

3.2 模具结构设计的影响

模具工作零件结构设计合理与否，也是影响热处理变形的主要因素。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。所以设计模具时，截面厚薄不宜过分悬殊，合理安排厚截面处的孔洞和键槽，在模具的厚薄交界处，尽可能采用平滑过渡、封闭、对称等结构设计。孔（腔）与零件边缘的距离不宜过小。为改善零件截面变化过大，可在适当位置处增设工艺孔。对于结构复杂的零件，有条件的话可采用组合式（如锒拼）结构。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。

3.3 模具的工序及残余应力的影响

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。根据钢材的性能，制订合理的锻造工艺和严格控制锻造温度，也是减少变形的重要因素，尤其是对于Cr12、CrWMn等合金钢。因此，热处理工序的安排应根据具体情况具体分析。

3.4 残留奥氏体的影响

一些高合金模具钢，在淬火和低温回火后，因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，造成模具的长、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。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。所以应当适当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。而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，因此复杂模具一般应采用深冷处理。

3.5 淬火、回火处理工艺的影响

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复杂模具应根据技术要求选择合理的回火工艺，回火温度不宜过高或过低。为减小回火变形，应当注意：零件从淬火剂中取出后，应及时放入回火炉进行回火处理。对于淬透性较高的大型模具零件，在冷却至油温或稍高于油温时取出，放入炉中回火。对于零件易发生变形的部位，应采取必要的保护措施。

3.6 冷却剂的影响

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。所以淬火冷却剂的合理选择，有利于减小零件淬火变形。对于合金钢而言，减小淬火变形的最佳方法是使用硝酸钾和亚硝酸钠热浴的等温淬火或分级淬火，这种方法尤其适宜处理形状复杂、尺寸要求精确的冲裁模。

3.7 冷却方法的影响

冷却方式的正确与否，也会影响零件的淬火变形。所以在保证模具硬度要求的前提下，对于一些形体较大的模具零件，当零件从加热炉中取出放入冷却剂之前，应放置在空气中适当预冷，随后放入冷却剂中淬火，对于碳素钢和低合金模具钢可预冷至棱角部位发黑（720℃～760℃）。对于在珠光体转变区过冷奥氏体较稳定的钢种可预冷至700℃左右。冷却较慢的部位应先入淬火剂，力求使冷却速率均衡。零件放入淬火剂后，应不断改变旋转方向，可减少变形。

4结语

模具的变形原因是复杂的，要掌握变形规律，分析变形原因，采用不同的方法进行预防模具的变形。

参考文献：

[1]于影霞，何柏林，李力.国内外模具材料的现状及发展趋势[J].热加工工艺，2017.

（作者单位：精诚工科汽车系统有限公司）