模具熱處理常見變形原因及控制措施

房雲峰

摘要：主要分析模具熱處理常見變形原因，從而為有需求的企業提供參考，同時提出控制模具熱處理變形的具體措施，有利于企業完成模具的質量和成本控制工作。

關鍵詞：模具;熱處理變形;控制措施

模具是將金屬、塑料、玻璃等原料通過鍛壓、冶煉、注塑、吹塑、擠出等方法成形為工件的基礎工藝裝備。工業生產中的許多工件都通過模具成形，它的生產制造水平已經成為評價一個國家制造業水平高低的重要指標。模具產品的材料和熱處理工藝是影響模具使用壽命和質量精度的重要因素[1][2]。在生產實踐中，模具的熱處理變形普遍存在，影響模具的幾何精度及模具工件間的配合精度。精度上的不匹配使模具產品在工作時極易報廢，甚至出現安全事故，帶來極大損失。

1 模具熱處理常見變形原因

模具的熱處理變形主要是由加熱和冷卻時產生的熱應力、機械加工時產生的殘余應力、組織轉變時產生的組織應力所造成的。影響模具熱處理變形主要有以下幾個常見因素。

1.1 模具選材不適當

造成模具熱處理變形的一個重要原因是模具工件材料的化學成分。模具在淬火時，組織將發生奧氏體向馬氏體的轉變，由于馬氏體的密度低于奧氏體，所以組織轉變后模具體積會膨脹。在模具回火時，使馬氏體轉變成回火托氏體、回火索氏體，比體積減小，從而導致模具體積減小。所以對于普通鋼材來講，碳含量起著較為重要的作用，碳含量越高，形成馬氏體時的體積變化越大，熱處理后模具的變形也就越大。比如，碳素工具鋼比合金工具鋼的熱處理變形大。

1.2 模具結構設計不佳

模具熱處理變形的另一個重要原因是模具結構設計不佳，體現在模具形狀是否對稱、模具的剛度以及模具的壁厚是否均勻等。例如，模具在熱處理后由于其材料、形狀和熱處理工藝的影響會出現變形，本質原因是模具結構上存在有孔、槽類結構導致其截面積發生突變，或模具壁厚不均引起加熱時受熱不均勻等情況，使模具在淬火時各部位之間熱應力和組織應力不同，進而各部位體積膨脹不均勻，所以最后表現為模具結構的宏觀變化。除此之外，模具加工過程中因加工工藝問題，對加工困難部位、形狀復雜結構大多采用鑲件的手段完成，但也因此使模具結構發生了改變，導致內部殘余應力失衡，因此需要采取適當的熱加工工藝規程來消除內部殘余應力、減少變形[3]。

1.3 模具毛坯鍛造工藝不良

鍛造過程不充分或選擇了不恰當的鍛造比對改善碳化物偏析和毛坯組織纖維流線的合理排列不利。例如，模具鍛造時鍛造變形量小容易導致模具最終球化組織球化不良、粗大不均，組織中存在網狀偏析碳化物，這些碳化物將使模具在淬火后極易產生變形，嚴重時還會發生扭曲和開裂。

1.4 模具內部殘余應力

模具在鍛造和冷卻過程中、各種機械加工過程中所產生的加工應力，以及模具的結構設計形狀，如截面積突變、存在尖角等，將會使模具內部殘余應力在熱處理過程中得到釋放，產生變形[4]。例如機加工時，刀具對模具有擠壓作用，使模具內各部分金屬產生了不均等的體積變化，進而產生了機械加工應力。

1.5 模具熱處理規程

1.5.1 加熱溫度的影響

雖然提高淬火加熱溫度可以提高模具淬火后硬度，但奧氏體晶粒也會隨著溫度的升高而增大，降低模具力學性能，增加脆性，從而增加模具變形和開裂傾向。此外，淬火保溫時間過長，也會使奧氏體晶粒過分長大。更嚴重的是，模具內晶粒大小不同時，會引起內部受力不均勻，導致應力集中，宏觀表現為模具的脆性斷裂。

1.5.2 淬火方法采用不當

模具在淬火過程中，溫度升高太快或加熱不均勻，將造成模具內部與環境存在較大溫差，模具各部分熱膨脹體積不同，使模具各部分的應力分布不均而產生變形。

淬火后的冷卻過程也會對模具變形產生影響。冷卻方法不合適會造成模具內各部分溫度下降速率不同，產生較大溫差，溫差導致熱應力的產生，由于模具內各部分之間的相互約束，使模具產生變形。

2 控制模具熱處理變形的措施

在生產實踐中，模具的熱處理變形不可避免。模具變形輕則導致制件加工精度不符合預期，嚴重時甚至產生安全事故，因此模具的熱處理變形一定要減少和控制。

2.1 模具合理選材

根據模具的具體應用場合，選擇合適的材料。例如，選擇淬透性較好的材料制造模具，可以得到較高的硬度和耐磨性，在比較緩和的冷卻條件下就能滿足硬度要求，且熱處理變形小。此外，制造精密復雜模具時，應盡量采用碳化物偏析較小的微變形鋼[5]。

2.2 合理設計模具結構

模具結構的不合理，如存在尖角，壁厚差較大等將會使模具在加熱時受熱不均勻，冷卻時散熱不均勻，因此產生內應力，造成模具變形。合理設計模具結構是控制模具熱處理變形的重要措施之一。例如，對于模具中壁厚不均勻的地方，可以采用設置工藝孔的方法來降低因壁厚不均而造成模具熱處理時變形的問題。對于模具中的尖角，要盡量改為圓角過渡，目的是減小應力集中。

2.3 嚴格控制毛坯質量

模具毛坯的質量，對于模具使用壽命和模具加工精度都有很大影響。例如模具工作部分零件，為了獲得良好的硬度和耐磨性，大量使用高碳高鉻鋼，但其基體組織存在大量共晶網狀碳化物，必須經過充分鍛造來擊碎網狀碳化物并在鍛造后及時退火，保證模具壽命。毛坯應避免存在偏析、脫碳、帶狀組織及碳化物分布不均等質量缺陷。

2.4 正確的鍛造方式

模具毛坯在鍛造時應保證一定的鍛造比。對模具毛坯進行充分的鍛造，并配合正火或球化退火等熱處理工藝，可以消除模具組織內偏析網狀碳化物，獲得均勻、細小、圓滑的碳化物，使模具在后續熱處理時產生較小的變形。

2.5 去除機械加工殘余應力

模具淬火變形的控制還可以通過在切削加工后、淬火前進行去應力退火可來實現。在機械加工過程中，刀具擠入工件使工件產生塑性變形，進而產生加工應力，若不經過適當處理消除，則會在后續工件工作過程中與總應力疊加使模具變形，甚至開裂。在機械加工后進行去應力退火可以去除機械加工殘余應力，并且退火溫度越高，應力消除越徹底。

（下轉第124頁）2.6 制定合理的熱處理工藝規程

2.6.1 采用預熱、下限的淬火溫度加熱

對于一些形狀復雜的精密模具和大型模具，通常進行預熱處理。例如對于尺寸較大的5CrNiMo模具鋼來說，由于導熱性差，為了減少加熱時產生的熱應力，通常在進行熱處理時先加熱到500～600℃預熱4h，可以減少淬火加熱時模具表層與心部的溫差，減小了熱應力，進而達到控制模具熱處理變形的目的。

其次，在確保模具質量和使用性能的前提下，采用下限淬火溫度進行淬火可以減少相變時產生的殘余應力，以減小模具的熱處理變形。

2.6.2 冷處理

冷處理就是將淬火后的鋼繼續深冷至室溫以下的方法。冷處理可使奧氏體進一步轉變為馬氏體，增加了模具鋼的尺寸穩定性，減小變形。

2.6.3 多次回火

多次回火是使經過淬火后的工件進行多次、短時的回火。對于模具鋼而言，多次回火可以消除淬火應力，消除殘余奧氏體或降低其含量，且使馬氏體更充分地轉變為回火馬氏體。

3 結語

模具在熱處理過程中，變形是難以避免的，采取措施加以控制是減少經濟損失和安全生產事故的重要途徑。模具在工業生產中占據非常重要的地位，對于熱處理后已經產生變形的模具，應細致檢查其變形特點、分析產生原因，再結合模具本身狀況和工作環境等選用適當的控制措施來加以減少或避免變形。

參考文獻：

[1]Nesluan，Miroslav & Mrkvica，Ivan & Konderla，Ryszard & Cˇep，Robert & Kozak，Draan.（2011）.Deformations after heat treatment and their influence on cutting process.Tehnicki Vjesnik.18.

[2]Y.Toshioka.Heat treatment deformation of steel products[J].Y.Toshioka，2013，1（10）.

[3]胡光明.模具熱處理開裂產生原因及應對措施分析[J].工程技術研究，2019，4（22）：144146.

[4]楊光龍.影響模具熱處理變形因素及預防措施的研究[J].機械研究與應用，2016，29（01）：191192.

[5]任睿.淺談精密模具的熱處理變形及預防技術[J].科技創業家，2012（23）：167.