如何减少模具热处理变形

目前，在模具制造中，已开始应用电火花加工、成型磨削、线切割等新工艺，较好地解决了复杂模具的加工和热处理变形问题。然而，这些新工艺由于受到各种条件的限制，尚未能普遍应用。因此，如何减少模具的热处理变形，目前仍是一个很重要的问题。

    一般模具要求精度较高，经热处理以后，又不便于甚至不可能再进行加工和校正，因此，在热处理后，即使组织性能已达到要求，但如变形超差，仍然因无法挽救而报废，这样不仅影响生产，而且还造成经济上的损失。

    有关热处理变形的一般规律，这里不作讨论，以下针对影响模具变形的一些因素作简要的分析。

    一、模具材料对热处理变形的影响

    材料对热处理变形的影响，包括钢的化学成分及原始组织两方面的影响。

    从材料本身来看，主要通过成分对淬透性、Ms点等的影响而影响热处理变形。

    碳素工具钢在正常淬火温度进行水-油双液淬火时，在Ms点以上产生很大的热应力;当冷到Ms点以下时，奥氏体向马氏体转变，产生组织应力，但由于碳素工具钢淬透性差，所以组织应力的数值不大。加上其Ms点不高，在发生马氏体组织转变时，钢的塑性已经很差，不易发生塑性变形，因此，就保留了热应力作用所造成的变形特征，模具型腔趋向收缩。但若淬火温度提高(>850℃)，也可能因组织应力起主导作用，而使型腔趋向于胀大。

    在用9Mn2V，9SiCr，CrWMn，GCr15钢等低合金工具钢制作模具时，其淬火变形规律与碳素工具钢相似，但变形量要比碳素工具钢要小。

    对于一些高合金钢，如Cr12MoV钢等，由于其碳及合金元素含量较高，Ms点较低，因而淬火后有较多的残余奥氏体，它对由于马氏体而致的体积膨胀有抵消作用，因此，淬火后的变形就相当小，一般用空冷、风冷、硝盐浴淬火时，模具型腔趋于微量胀大;若淬火温度过高，则残余奥氏体量增加，型腔也可能缩小。

    若用碳素结构钢(如45钢)或某些合金结构钢(如40Cr)制作模具，则因其Ms点较高，当表面开始马氏体转变时，心部温度尚较高，屈服强度较低，有一定的塑性，表面对心部的瞬时拉伸组织应力，易于超过心部的屈服强度而使型腔趋向胀大。

    钢的原始组织对淬火变形也有一定的影响。这里所指的“钢的原始组织”，包括钢中夹杂物的级别、带状组织级别、成份的偏析程度、游离碳化物分布的方向性等，以及由于不同的预先热处理而得到的不同组织(如珠光体、回火索氏体、回火屈氏体等)。对模具钢来说，主要考虑的是碳化物偏析、碳化物的形状和分布形态。

    高碳高合金钢(如Cr12型钢)中碳化物偏析对淬火变形的影响特别明显。由于碳化物偏析造成钢加热至奥氏体状态后的成分不均匀性，因而，不同区域的Ms点就会有高有低。在同样冷却条件下，奥氏体向马氏体转变就有先有后，转变后的马氏体就因含碳量不同而比容有大有小，甚至有一些低碳、低合金区域可能根本得不到马氏体(而得到贝氏体、屈氏体等)，所有这些都会造成零件淬火后的不均匀变形。

    不同的碳化物分布形态(呈颗粒状或纤维状分布)，对基体胀缩的影响也不同，因而也会影响热处理后的变形，一般是顺着碳化物纤维方向型腔胀大，且较显著;而垂直于纤维方向则缩小，但不显著，有些厂为此特作了规定，型腔所在面应与碳化物纤维方向垂直，以减小型腔的变形，当碳化物呈颗粒状均匀分布时，则型腔表现为均匀的胀缩。

    此外，最终热处理之前的组织状态对变形也有一定的影响，例如，原始组织为球状珠光体的就比片状珠光体的在淬火后变形倾向要小。所以变形要求严格的模具，常在粗加工后先进行一次调质处理，然后再进行精加工及最终热处理。

    二、模具几何形状对变形的影响

    模具几何形状对热处理变形的影响，实际上仍是通过热应力、组织应力来起作用的。由于模具的形状是多种多样的，要从中总结出确切的变形规律，目前还很困难。

    对于对称型的模具，可根据型腔尺寸、外形尺寸及高度来考虑型腔的变形倾向。当模具的壁薄、高度小时，则较易于淬透，这时有可能是组织应力起主导作用，因此，型腔常趋向胀大。反之，壁厚、高度大，则不易淬透，此时可能是热应力起主导作用，因此，型腔常趋向缩小。这里所说的是一般趋势，在生产实践中，还须结合零件的具体形状，所采用的钢种及热处理工艺等来加以考虑，通过实践不断总结出经验来。由于实际生产中，模具的外形尺寸往往不是主要的工作尺寸，且变形后还可通过磨加工等加以校正，所以上面分析的主要是型腔的变形趋势。

    对于不对称的模具的变形，同样也是热应力、组织应力综合作用的结果。例如，对薄壁薄边的模具，由于模壁薄，淬火时内外温差小，因而热应力小;但容易淬透，组织应力较大，所以变形趋向于型腔胀大。

    为了减小模具的变形，热处理部门应与模具设计部门共同研究，改善模具设计，如尽可能避免截面大小相差悬殊的模具结构、模具形状力求对称、复杂模具用拼合结构等。

    当不能改变模具形状时，为了减小变形，还可以采取一些其它的措施。这些措施总的考虑是改善冷却条件，使各部分得以均匀冷却;此外，也可以辅助以各种强制措施，以限制零件的淬火变形。例如，增加工艺孔，就是使各部分均匀冷却的一个措施，即在模具某些部分开孔，使模具各个部分得以均匀地冷却以减小变形。也可在淬火后容易胀大的模具外围用石棉包住，以增大内孔与外层的冷却差异，使型腔收缩。在模具上留筋或加筋是减少变形的又一种强制措施，它特别适用于型腔胀大的凹模，及槽口易胀大或缩小的模具。

    三、热处理工艺对模具变形的影响

    1、加热速度的影响

    一般来说，淬火加热时，加热速度越快，则模具中产生的热应力越大，易于造成模具的变形开裂，尤其对于合金钢及高合金钢，因其导热性差，尤需注意进行预热，对于一些形状复杂的高合金模具，还需采取多次分级预热。但在个别情况下，采用快速加热有时反而可以减少变形，这时仅加热模具的表面，而中心还保持“冷态”，所以相应地减少了组织应力和热应力，且心部变形抗力较大，从而减少了淬火变形，根据一些工厂经验，用于解决孔距变形方面有一定效果。

    2、加热温度的影响

    淬火加热温度的高低影响材料的淬透性，同时对奥氏体的成分与晶粒大小起作用。

    (1)从淬透性方面看，加热温度高，将使热应力增大，但同时使淬透性增高，因此组织应力也增大，并逐渐占主导地位。例如。碳素工具钢T8、T10、T12等，在一般淬火温度淬火时，内径表现为缩的倾向，但若提高淬火温度到≥850℃时，则由于淬透性增大，组织应力逐渐占主导地位，因而内径可能表现为胀的倾向。

    (2)从奥氏体成分看，淬火温度提高使奥氏体含碳量增加，淬火后马氏体的正方度增大(比容增大)，从而使淬火后体积增大。

    (3)从对Ms点影响细看，淬火温度高，则奥氏体晶粒粗大，将使零件的变形开裂倾向增大。

    综合上述，对所有的钢种，尤其是某些高碳的中、高合金钢，淬火温度的高低会明显影响模具的淬火变形，因此，正确选择淬火加热温度是很重要的。

    一般来说，选择过高的淬火加热温度对变形是没有好处的。在不影响使用性能的前提下，总是采用较低的加热温度。但对一些淬火后有较多残余奥氏体的钢号(如Cr12MoV等)，也可通过调整加热温度，改变残余奥氏体量，以调节模具的变形。

    3、淬火冷却速度的影响

    总的来说，在Ms点以上增大冷速，会使热应力显著增加，结果使热应力引起的变形趋向增大;在Ms点以下增大冷速则主要使组织应力引起的变形趋向增大。

    对于不同的钢种，由于Ms点的高低不同，因而在采用同一淬火介质时，有不同的变形趋向。同一钢种如采用不同的淬火介质，由于它们的冷却能力不同，因而也有不同的变形趋向。

    例如，碳素工具钢的在Ms点比较低，因而采用水冷时，热应力的影响往往占上风;而采用由冷时，则可能是组织应力占上风。

    在实际生产中，模具常采用分级或分级-等温淬火时，通常均未完全淬透，故往往以热应力的作用为主，使型腔趋于收缩，不过由于这时热应力不是很大，因此总的变形量是比较小的。若采用水-油双液淬火或油淬时，引起的热应力较大，型腔收缩量将增大。

    4、回火温度的影响

    回火温度对变形的影响，主要是由于回火过程中的组织转变所引起的。若在回火过程中产生“二次淬火”现象，残余奥氏体转变为马氏体，由于生成的马氏体的比容比残余奥氏体的大，将引起模具型腔的胀大;对一些高合金工具钢如Cr12MoV等，当以要求红硬性为主而采用高温淬火，多次回火时，每回一次火，体积就胀大一次。

    若在其他温度区域回火，由于淬火马氏体向回火马氏体(或回火索氏体、回火屈氏体等)转变，比容减小，因而，型腔趋向于收缩。

    另外，回火时，模具中的残余应力的松弛，对变形也有影响。模具淬火后，若表面处于拉应力状态，回火后尺寸将增大;反之，若表面处于压应力状态，则产生收缩。但组织转变及应力松弛两项影响中，前者是主要的。