精密模具热处理变形原因及预防措施

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精密模具热处理变形原因及预防措施

就精密复杂模具变形状况、变形原因作研究，来探讨减少和控制精密复杂模具变形的措施，以提高模具产品的质量和使用寿命。
一．模具材料的影响
1．模具的选材
某模具企业从选材和热处理简便考虑，选择T10A钢制造截面尺寸相差悬殊、要求淬火后变形较小的较复杂模具，硬度要求56-60HRC。热处理后模具硬度符合技术要求，但模具变形较大，无法使用，造成模具报废。后来该企业采用微变形钢Cr12钢制造，模具热处理后硬度和变形量都符合要求。预防措施：制造精密复杂、要求变形较小的模具，要尽量选用微变形钢，如空淬钢等。
2．模具材质的影响
某厂送来一批Cr12MoV钢，制造较复杂模具，模具都带有Φ60mm圆孔，模具热处理后，部分模具圆孔出现椭圆，造成模具报废。一般来说，Cr12MoV钢是微变形钢，不应该出现较大变形。我们对变形严重的模具进行金相分析发现，模具钢中含有大量的共晶碳化物，且呈带状和块状分布。
（1）模具椭圆（变形）产生的原因
这是因为模具钢中呈一定方向分布的不均匀碳化物的存在，碳化物的膨胀系数比钢的基体组织小30%左右，加热时它阻止模具内孔膨胀，冷却时又阻止模具内孔收缩，使模具内孔发生不均匀的变形，从而使模具的圆孔出现椭圆。
（2）预防措施
① 在制造精密复杂模具时，要尽量选择碳化物偏析较小的模具钢，不要图便宜，选用小钢厂生产的材质较差的钢材。
② 对存在碳化物严重偏析的模具钢，要进行合理锻造来打碎碳化物晶块，降低碳化物不均匀分布的等级，消除性能的各向异性。
③ 对锻造后的模具钢要进行调质热处理，使之获得碳化物分布均匀、细小和弥散的索氏体组织、从而减少精密复杂模具热处理后的变形。
④ 对于尺寸较大或无法锻造的模具，可采用固溶双细化处理，使碳化物细化、分布均匀，棱角圆整化，可达到减少模具热处理变形的目的。

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二．模具结构设计的影响
有些模具选材和钢的材质都很好，往往因为模具结构设计不合理，如薄边、尖角、沟槽、突变的台阶、厚薄悬殊等，造成模具热处理后变形较大。
1．变形的原因
由于模具各处厚薄不均或存在尖锐圆角，因此在淬火时引起模具各部位之间的热应力和组织应力的不同，从而导致各部位体积膨胀的不同，使模具淬火后产生变形。
2．预防措施
设计模具时，在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少模具厚薄悬殊、结构不对称，在模具的厚薄交界处，尽可能采用平滑过渡等结构设计。根据模具的变形规律预留加工余量，在淬火后不致于因为模具变形而使模具报废。对形状特别复杂的模具，为使淬火时冷却均匀，可采用组合结构。

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三．模具制造工序及残余应力的影响
在工厂经常发现，一些形状复杂、精度要求高的模具，在热处理后变形较大，经认真调查后发现，模具在机械加工和最后热处理阶段未进行任何预先热处理。
1．变形原因
机械加工过程中的残余应力和淬火后的应力叠加，增大了模具热处理后的变形。
2．预防措施
（1）粗加工后、半精加工前应进行一次去应力退火，即（630-680）℃×（3-4）h炉冷至500℃以下出炉空冷，也可采用400℃×（2-3）h去应力处理。
（2）降低淬火温度，减少淬火后的残余应力。
（3）采用淬油170oC出油空冷（分级淬火）。
（4）采用等温淬火工艺可减少淬火残余应力。
采用以上措施可使模具淬火后残余应力减少，模具变形较小。

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四．热处理加热工艺的影响
加热速度的影响
模具热处理后的变形一般都认为是冷却造成的，这是不正确的。模具特别是复杂模具，加工工艺的正确与否对模具的变形往往产生较大的影响，对一些模具加热工艺的对比可明显看出，加热速度较快，往往产生较大的变形。
（1）变形原因
任何金属加热时都要膨胀，由于钢在加热时，同一个模具内，各部分的温度不均（即加热的不均匀）就必然会造成模具内各部分的膨胀的不一致性，从而形成因加热不均的内应力。在钢的相变点以下温度，不均匀的加热主要产生热应力，超过相变温度加热不均匀，还会产生组织转变的不等时性，既产生组织应力。因此加热速度越快，模具表面与中心部的温度差别越大，应力也越大，模具热处理后产生的变形也越大。
（2）预防措施
对复杂模具在相变点以下加热时应缓慢加热。一般来说，模具真空热处理变形要比盐浴炉加热淬火小得多。采用预热，对于低合金钢模具可采用一次预热（550-620oC）；对于高合金钢模具应采用二次预热（550-620oC和800-850oC）。