精密模具熱處理變形及預(yù)防

??一、模具材料的影響
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??1.模具的選材
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??某機(jī)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(fù)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。因此制造精密復(fù)雜、要求變形較小的模具，要盡量選用微變形鋼，如Toolox工具鋼。其尺寸穩(wěn)定性好，幾乎無應(yīng)力不變形。
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??2.模具材質(zhì)的影響
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??某廠用Cr12MoV鋼制造較復(fù)雜模具，模具都帶有￠60m m圓孔，模具熱處理后，部分模具圓孔出現(xiàn)橢圓，造成模具報廢。
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??一般來說Cr12MoV鋼是微變形鋼，不應(yīng)該出現(xiàn)較大變形。我們對變形嚴(yán)重的模具進(jìn)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。
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??Toolox材料的晶粒非常細(xì)小，碳化物析出非常小，幾乎無應(yīng)力不變形。如圖是Toolox44的金相組織圖。
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??(1)模具橢圓(變形)產(chǎn)生的原因
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??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。
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??(2)預(yù)防措施
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??①在制造精密復(fù)雜模具時，不要圖便宜，選用小鋼廠生產(chǎn)的材質(zhì)較差鋼材。要盡量選擇碳化物偏析較小的模具鋼，Toolox材料純凈度極高，晶粒非常細(xì)小，組織均勻，碳化物析出極少，S含量低于0.003、P含量低于0.010。
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??②對存在碳化物嚴(yán)重偏析的模具鋼要進(jìn)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。
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??③對鍛后的模具鋼要進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，使之獲得碳化物分布均勻、細(xì)小和彌散的索氏體組織、從而減少精密復(fù)雜模具熱處理后的變形。
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??④對于尺寸較大或無法鍛造的模具，可采用固溶雙細(xì)化處理，使碳化物細(xì)化、分布均勻，棱角圓整化，可達(dá)到減少模具熱處理變形的目的。
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??二、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響
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??有些模具選材和鋼的材質(zhì)都很好，往往因為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，如薄邊、尖角、溝槽、突變的臺階、厚薄懸殊等，造成模具熱處理后變形較大。
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??1、變形的原因
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??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(yīng)力和組織應(yīng)力的不同，導(dǎo)致各部位體積膨脹的不同，使模具淬火后產(chǎn)生變形。
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??2、預(yù)防措施
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??設(shè)計模具時，在滿足實際生產(chǎn)需要的情況下，應(yīng)盡量減少模具厚薄懸殊，結(jié)構(gòu)不對稱，在模具的厚薄交界處，盡可能采用平滑過渡等結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)模具的變形規(guī)律，預(yù)留加工余量，在淬火后不致于因為模具變形而使模具報廢。
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??對形狀特別復(fù)雜的模具，為使淬火時冷卻均勻，可采用給合結(jié)構(gòu)。
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??三、模具制造工序及殘余應(yīng)力的影響
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??在工廠經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，一些形狀復(fù)雜、精度要求高的模具，在熱處理后變形較大，經(jīng)認(rèn)真調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，模具在機(jī)械加工和最后熱處理未進(jìn)行任何預(yù)先熱處理。
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??1、變形原因
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??在機(jī)械加工過程中的殘余應(yīng)力和淬火后的應(yīng)力疊加，增大了模具熱處理后的變形。
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??2、預(yù)防措施
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??(1)粗加工后、半精加工前應(yīng)進(jìn)行一次去應(yīng)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(yīng)力處理。
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??(2)降低淬火溫度，減少淬火后的殘余應(yīng)力。
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??(3) 采用淬油170oC出油空冷(分級淬火)。
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??(4)采用等溫淬火工藝可減少淬火殘余應(yīng)力。
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??采用以上措施可使模具淬火后殘余應(yīng)力減少，模具變形較小。
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??四、熱處理加熱工藝的影響
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??1、加熱速度的影響
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??模具熱處理后的變形一般都認(rèn)為是冷卻造成的，這是不正確的。模具特別是復(fù)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。
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??(1)變形的原因
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??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(yīng)力。在鋼的相變點(diǎn)以下溫度，不均勻的加熱主要產(chǎn)生熱應(yīng)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(yīng)力。因此加熱速度越快，模具表面與心部的溫度差別越大，應(yīng)力也越大，模具熱處理后產(chǎn)生的變形也越大。
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??(2)預(yù)防措施
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??對復(fù)雜模具在相變點(diǎn)以下加熱時應(yīng)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(yù)熱，對于低合金鋼模具可采用一次預(yù)熱(550-620oC);對于高合金剛模具應(yīng)采用二次預(yù)熱(550-620oC和800-850oC)。
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??2、加熱溫度的影響
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??一些廠家為了保證模具達(dá)到較高硬度，認(rèn)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(dāng)?shù)?，對于?fù)雜模具，同樣是采用正常的加熱溫度下進(jìn)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。
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??(1)變形原因
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??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(yīng)力越大。再之，由于復(fù)雜模具大多由中高合金鋼制造，如果淬火溫度高，則因Ms點(diǎn)低，組織中殘留奧氏體量增多，加大模具熱處理后變形。
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??(2)預(yù)防措施
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??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(yīng)力，從而減少復(fù)雜的熱處理變形。
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??五、殘留奧氏體的影響
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??一些高合金模具鋼，如Cr12MoV鋼模具在淬火和低溫回火后，模具的長、寬、高皆發(fā)生縮小現(xiàn)象，這是因為模具淬火后殘留奧氏體量過多而引起的。
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??1、變形原因
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??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，奧氏體的比體積最小，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。
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??2、預(yù)防措施
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??(1)適當(dāng)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(dāng)?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(dāng)降低模具的淬火加熱溫度。
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??(2)一些數(shù)據(jù)表明，Cr12MoV鋼模具淬火后，500oC回火較200oC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(yīng)適當(dāng)提高回火溫度。
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??(3)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(wěn)定使用時發(fā)生尺寸變化的最佳措施，因此精密復(fù)雜模具一般應(yīng)采用深冷處理。
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??六、冷卻介質(zhì)和冷卻方法的影響
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??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。
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??1、變形產(chǎn)生的原因
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??當(dāng)模具冷卻到Ms點(diǎn)以下時，鋼即發(fā)生相變，除因冷卻不一致所早成的熱應(yīng)力外，還有因相變的不等時性而產(chǎn)生的組織應(yīng)力，冷卻速度越快，冷卻越不均勻，產(chǎn)生的應(yīng)力越大，模具的變形也越大。
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??2、預(yù)防措施
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??(1)在保證模具硬度要求的前提下，盡量采用預(yù)冷，對于碳素鋼和低合金模具鋼可預(yù)冷至棱角部位發(fā)黑(720~760oC)。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(yù)冷至700oC左右。
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??(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(yīng)力和組織應(yīng)力，是減少一些復(fù)雜模具變形的有效方法。
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??(3)對一些精密復(fù)雜模具，采用等溫淬火能顯著減少變形。
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??七、改進(jìn)熱處理工藝、減少模具熱處理變形
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??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(yán)格控制變形量的精密復(fù)雜模具可采取以下方法進(jìn)行控制。
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??1、采用調(diào)質(zhì)熱處理
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??對基體硬度要求不高，而表面硬度要求較高的精密復(fù)雜模具，可采取模具粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，精加工后進(jìn)行低溫氮化處理(500~550oC)，由于模具氮化溫度低，不存在基體組織相變，另外爐冷至室溫出爐，冷卻應(yīng)力也較少，模具變形較小。
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??2、采用預(yù)先熱處理
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??對精密復(fù)雜模具，如其硬度要求不太高，可采用預(yù)先熱處理的預(yù)硬鋼，對模具鋼進(jìn)行預(yù)先熱處理，使之到達(dá)使用時的硬度，然后把模具加工成型不再進(jìn)行熱處理，從而保證精密復(fù)雜模具的精度。Toolox預(yù)硬工具鋼，是由SSAB瑞典鋼廠直接預(yù)硬的淬火調(diào)質(zhì)鋼，不再需要熱處理，大大減少熱處理周期和降低成本。
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??八、結(jié)語
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??精密復(fù)雜模具的變形原因往往是復(fù)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(jìn)行預(yù)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(fù)雜模具的熱處理變形可采取一下方法預(yù)防。
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??(1)合理選材。對精密復(fù)雜模應(yīng)選擇材質(zhì)好的微變形模具鋼，對碳化物偏析嚴(yán)重的模具鋼應(yīng)進(jìn)行合理鍛造并進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，對較大和無法鍛造模具鋼可進(jìn)行固溶雙細(xì)化熱處理。
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??(2)模具結(jié)構(gòu)設(shè)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(yù)留加工余量，對于大型、精密復(fù)雜模具可采用組合結(jié)構(gòu)。
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??(3)精密復(fù)雜模具要進(jìn)行預(yù)先熱處理，消除機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
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??(4)合理選擇加熱溫度，控制加熱速度，對于精密復(fù)雜模具可采取緩慢加熱、預(yù)熱和其他均衡加熱的方法來減少模具熱處理變形。
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??(5)在保證模具硬度的前提下，盡量采用預(yù)冷、分級冷卻淬火或溫淬火工藝。
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??(6)對精密復(fù)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。
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??(7)對一些精密復(fù)雜的模具可采用預(yù)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。
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??另外，正確的熱處理工藝操作(如堵孔、綁孔、機(jī)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(yùn)動方向等)和合理的回火熱處理工藝也是減少精密復(fù)雜模具變形的有效措施。