熱處理過程中的過熱現(xiàn)象及控制

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(shù)要求，但模具變形較大，無法使用，造成模具報廢。后來采用微變形鋼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

一般來說Cr12MoV鋼是微變形鋼，不應該出現(xiàn)較大變形。對變形嚴重的模具進行金相分析發(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

這是因為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，加熱時它阻止模具內(nèi)孔膨脹，冷卻時又阻止模具內(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，不要圖便宜，選用小鋼廠生產(chǎn)的材質(zhì)較差鋼材。

②對存在碳化物嚴重偏析的模具鋼要進行合理鍛造，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對鍛后的模具鋼要進行調(diào)質(zhì)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(jié)構(gòu)設計的影響

1、合理設計

模具主要是根據(jù)使用要求而設計的，其結(jié)構(gòu)有時往往不能做到完全合理和均勻?qū)ΨQ。這就要求設計師在設計模具時，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稱性。

（1）盡量避免尖角和厚薄相差懸殊的截面應避免厚薄懸殊的截面、薄邊及尖角

在模具的厚薄交界處應平滑過渡。這樣能有效地降低模具截面的溫差，減小熱應力，同時也可減小截面上組織轉(zhuǎn)變的不同時性，減小組織應力，采用過渡圓角與過渡圓錐。

（2）適當增加工藝孔

對于有些實在無法保證截面均勻及對稱的模具，應在不影響使用性能的前提下，變不通孔為通孔，或者適當增加一些工藝孔。型腔狹窄的凹模，淬火后會產(chǎn)生變形。如設計時能增加2個工藝孔，則減小了淬火過程中截面的溫差，降低了熱應力，使變形情況有了明顯的改善。增加工藝孔或變不通孔為通孔，可減小因厚薄不均而增大的開裂敏感性。

（3）盡可能采用封閉及對稱結(jié)構(gòu)

模具形狀為開口或不對稱結(jié)構(gòu)時，淬火后應力分布不均勻，極易變形。所以一般易變形的槽形模具，應盡量在淬火前留筋，淬火后再切除，槽形工件，原來淬火后在R處發(fā)生變形，加筋后，能有效地防止淬火變形。

（4）采用組合式結(jié)構(gòu)

對于形狀復雜、尺寸>400mm的大型凹模及厚度小、長度大的凸模，Z好采用組合式結(jié)構(gòu)，化繁為簡，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裂。

設計組合式結(jié)構(gòu)時，一般應在不影響配合精度的情況下按下列原則進行分解：

（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)生應力集中的地方分解，分散其應力，防止開裂。

（3）配合工藝孔，使結(jié)構(gòu)對稱。

（4）便于冷、熱加工，便于拼裝。

（5）Z為重要的是必須確保使用性。

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，甚至會引起刃口凹凸和平面扭曲，且在以后的加工中難以補救，因此，可采用組合式結(jié)構(gòu)。分塊，經(jīng)熱處理后再拼裝成型并磨削再配合，這不僅使熱處理簡化，而且解決了變形問題。

三、模具制造工序及殘余應力的影響

在工廠經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，一些形狀復雜、精度要求高的模具，在熱處理后變形較大，經(jīng)認真調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，模具在機械加工和Z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℃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?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(chǎn)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(chǎn)生較大的變形。

（1）變形的原因任何金屬加熱時都要膨脹，由于鋼在加熱時，同一個模具內(nèi)，各部分的溫度不均（即加熱的不均勻）就必然會造成模具內(nèi)各部分的膨脹的不一致性，從而形成因加熱不均的內(nèi)應力。在鋼的相變點以下溫度，不均勻的加熱主要產(chǎn)生熱應力，超過相變溫度加熱不均勻，還會產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變的不等時性，既產(chǎn)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(chǎn)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℃）；對于高合金剛模具應采用二次預熱（550-620℃和800-850℃）。

2、加熱溫度的影響

一些廠家為了保證模具達到較高硬度，認為需提高淬火加熱溫度。但是生產(chǎn)實踐表明，這種做法是不恰當?shù)?，對于復雜模具，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，鋼的晶粒越趨長大，由于較大晶粒能使淬透性增加，則使淬火冷卻時產(chǎn)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(shù)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

熱處理變形、開裂與所用鋼材及其質(zhì)量密切相關(guān)，因此應根據(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；對于易變形、開裂件，可選用強度較高、臨界淬火冷卻速度較慢的合金工具鋼。

由此可見，當用碳鋼制造的模具變形達不到要求時，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、開裂問題，總體來說仍是合算的。

在正確選材的同時，還要加強對原材料的檢驗和管理，防止因原材料缺陷而導致模具熱處理開裂。

合理制定技術(shù)條件（包括硬度要求）是防止淬火變形、開裂的一條重要途徑。局部硬化或表面硬化就可以滿足使用要求的，盡量不要整體淬火。對于整體淬火模具，局部可放寬要求的，盡量不要強求一致。對于成本高或結(jié)構(gòu)復雜的模具，當熱處理難以達到技術(shù)要求時，應更改技術(shù)條件，適當放寬那些對使用壽命影響不大的要求，以免因多次返修而造成報廢。

對于所選用的鋼種，不能以其所能達到的Z高硬度作為設計時規(guī)定的技術(shù)條件。因為Z高硬度往往是用尺寸有限的小試樣測得的，與實際尺寸較大的模具所能達到的硬度相差很大。由于追求Z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給熱處理操作帶來一定的困難。總之，設計者應根據(jù)使用性能和選定的鋼種，合理地制定切實可行的技術(shù)條件。此外，在對所選定的鋼種提出硬度要求時，還應避開產(chǎn)生回火脆性的硬度范圍。

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Z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?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)要求的前提下，應適當提高回火溫度。生產(chǎn)實踐表明：Cr12MoV鋼模具500℃回火模具變形量Z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Z佳工藝，也是減少模具變形、穩(wěn)定使用時發(fā)生尺寸變化的Z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(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(chǎn)生的原因

當模具冷卻到Ms點以下時，鋼即發(fā)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(chǎn)生的組織應力，冷卻速度越快，冷卻越不均勻，產(chǎn)生的應力越大，模具的變形也越大。

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可預冷至棱角部位發(fā)黑（720~760℃）。對于在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)過冷奧氏體較穩(wěn)定的鋼種可預冷至700℃左右。

（2）采用分級冷卻淬火能顯著減少模具淬火時產(chǎn)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）合理選擇加熱溫度

在保證淬硬的前提下，一般應盡量選擇低一些的淬火溫度。但對于一些高碳合金鋼模具（如CrWMn，Cr12Mo鋼），可通過適當提高淬火溫度來降低Ms點，增大殘余奧氏體量，以控制淬火變形。另外，對厚度較大的高碳鋼模具，也可適當提高其淬火溫度來防止產(chǎn)生淬火裂紋。對易變形、開裂的模具，在淬火前還應先進行去應力退火。

（2）合理進行加熱

應盡量做到均勻加熱，減少加熱時的熱應力。對于大截面、形狀復雜、變形要求高的高合金鋼模具，一般都應經(jīng)過預熱或限制加熱速度。

（3）正確選擇冷卻方式和冷卻介質(zhì)

盡可能選用預冷淬火、分級淬火和分級冷卻方式。預冷淬火對細長或薄模具的減少變形有較好的效果，對于厚薄懸殊的模具，在一定程度上可以起到減小變形的作用。對于形狀復雜、截面相差懸殊的模具，采用分級淬火較好。如高速鋼采用580-620℃分級淬火，基本上避免了淬火變形和開裂。

（4）正確掌握淬火操作方法

正確選擇工件淬入介質(zhì)的方式，保證模具得到Z均勻的冷卻并沿Z小阻力方向進入冷卻介質(zhì)，將冷卻Z慢的面朝著液體運動。當模具冷卻至Ms點以下時，應停止運動。例如，厚薄不均勻的模具，應使厚的部分先淬入；截面變化大的工件，可通過增加工藝孔、預留加強肋、孔中塞堵石棉等方法來減少熱處理變形；對有凹凸面或有通孔的工件，應使凹面和孔向上淬入，以便排出通孔內(nèi)的氣泡。

八、結(jié)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(guī)律，分析其產(chǎn)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以下方法預防。

（1）合理選材。對精密復雜模應選擇材質(zhì)好的微變形模具鋼（如空淬鋼），對碳化物偏析嚴重的模具鋼應進行合理鍛造并進行調(diào)質(zhì)熱處理，對較大和無法鍛造模具鋼可進行固溶雙細化熱處理。

（2）模具結(jié)構(gòu)設計要合理，厚薄不要太懸殊，形狀要對稱，對于變形較大模具要掌握變形規(guī)律，預留加工余量，對于大型、精密復雜模具可采用組合結(jié)構(gòu)。

（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(chǎn)生的殘余應力。

（4）合理選擇加熱溫度，控制加熱速度，對于精密復雜模具可采取緩慢加熱、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(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)中的運動方向等）和合理的回火熱處理工藝也是減少精密復雜模具變形的有效措施。

（內(nèi)容來源：沖壓行業(yè)聯(lián)盟）