優化熱處理工藝控制模具變形

高叢叢 曹晨亮

摘要：模具的品種規格較多、形狀復雜、表面粗糙度值低、制造難度大。模具熱處理后產生變形將嚴重影響模具的質量和使用壽命，產生變形，甚至造成開裂。因此，減少和控制復雜模具變形是一項非常重要的事情。

關鍵詞：模具變形；熱處理技術；優化措施

1 熱處理變形原因

由于模具零件的結構形狀、截面尺寸的差異，各處厚薄不均及存在尖銳圓角等因素，熱處理（加熱、保溫、冷卻）過程中因加熱與冷卻的速率不同，在熱應力、組織應力及相變體積變化的綜合作用下，引起零件體積膨脹或收縮，從而使尺寸與形狀發生偏差，影響淬火變形的原因是多方面的，主要與鋼的化學成分和原始組織、零件的幾何形狀、尺寸大小及熱處理工藝等因素有關。然而，采取有效的預防措施，改善與優化熱處理工藝，致力將模具熱處理變形嚴格控制在最小限度之內。

2 關于模具熱處理環節的分析

為了促進模具熱處理系統的健全，我們要針對其內部運作模式，進行深化應用，確保其模具的熱處理環節的優化，確保其熱處理模式的深化應用，為此我們要進行其相關模具的有效應用，確保其微變形剛的有效選擇，通過對其空淬鋼的應用，滿足實際工作的需要，某工廠提供了一系列的鋼雜模具，該模具的圓孔是標準類型的，通過其熱處理模式的應用后，有些模具圓孔出現嚴重變形情況，導致其模具的報廢。該型號的鋼是一種微變形鋼，按照相關理論，我們得知其不會產生較大的變形情況，我們通過相關模具的深化分析，得出其磨具鋼內部含有一系列的共晶碳化物，這些碳化物呈現塊狀分布模式，其模具的橢圓形狀的出現正是由于這一系列的共晶碳化物導致的，其影響了鋼模具的日常熱處理模式的應用，無論是加熱還是冷卻，都一定程度導致了其模具的圓孔的變形。

3 模具熱處理環節變形的影響因素

3.1 模具材料的影響

模具橢圓（變形）產生的原因：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。所以鋼材的冶金質量事關重要。正確選擇模具鋼材，是減少沖模熱處理變形的關鍵因素之一。選材的主要依據是模具零件的工作條件、生產批量及材料的工藝性，要盡量選擇碳化物偏析較小的模具鋼，尤其是熱處理工藝性良好，并兼顧經濟性。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。對于形狀復雜、厚薄懸殊的沖模工件零件，應選用高淬透性的合金工具鋼。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通常，合金工具鋼（Cr12）比碳素工具鋼（T10A）熱處理變形量小得多。此外，應使模具的主應力方向和鋼材中碳化物的纖維方向垂直，可減少熱處理變形。

3.2 模具結構設計的影響

模具工作零件結構設計合理與否，也是影響熱處理變形的主要因素。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。所以設計模具時，截面厚薄不宜過分懸殊，合理安排厚截面處的孔洞和鍵槽，在模具的厚薄交界處，盡可能采用平滑過渡、封閉、對稱等結構設計。孔（腔）與零件邊緣的距離不宜過小。為改善零件截面變化過大，可在適當位置處增設工藝孔。對于結構復雜的零件，有條件的話可采用組合式（如鋃拼）結構。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。

3.3 模具的工序及殘余應力的影響

任何金屬加熱時都要膨脹，由于鋼在加熱時，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。根據鋼材的性能，制訂合理的鍛造工藝和嚴格控制鍛造溫度，也是減少變形的重要因素，尤其是對于Cr12、CrWMn等合金鋼。因此，熱處理工序的安排應根據具體情況具體分析。

3.4 殘留奧氏體的影響

一些高合金模具鋼，在淬火和低溫回火后，因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，造成模具的長、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。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。所以應當適當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。而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，因此復雜模具一般應采用深冷處理。

3.5 淬火、回火處理工藝的影響

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復雜模具應根據技術要求選擇合理的回火工藝，回火溫度不宜過高或過低。為減小回火變形，應當注意：零件從淬火劑中取出后，應及時放入回火爐進行回火處理。對于淬透性較高的大型模具零件，在冷卻至油溫或稍高于油溫時取出，放入爐中回火。對于零件易發生變形的部位，應采取必要的保護措施。

3.6 冷卻劑的影響

當模具冷卻到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，模具的變形也越大。所以淬火冷卻劑的合理選擇，有利于減小零件淬火變形。對于合金鋼而言，減小淬火變形的最佳方法是使用硝酸鉀和亞硝酸鈉熱浴的等溫淬火或分級淬火，這種方法尤其適宜處理形狀復雜、尺寸要求精確的沖裁模。

3.7 冷卻方法的影響

冷卻方式的正確與否，也會影響零件的淬火變形。所以在保證模具硬度要求的前提下，對于一些形體較大的模具零件，當零件從加熱爐中取出放入冷卻劑之前，應放置在空氣中適當預冷，隨后放入冷卻劑中淬火，對于碳素鋼和低合金模具鋼可預冷至棱角部位發黑（720℃～760℃）。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℃左右。冷卻較慢的部位應先入淬火劑，力求使冷卻速率均衡。零件放入淬火劑后，應不斷改變旋轉方向，可減少變形。

4結語

模具的變形原因是復雜的，要掌握變形規律，分析變形原因，采用不同的方法進行預防模具的變形。

參考文獻：

[1]于影霞，何柏林，李力.國內外模具材料的現狀及發展趨勢[J].熱加工工藝，2017.

（作者單位：精誠工科汽車系統有限公司）