熱處理工藝在模具制造過程中的應用研究

吳博

摘要：在模具制造過程中，熱處理工藝有著重要的意義，本文從熱處理工藝進行深入研究，提出正確的熱處理工藝是延長模具使用年限、提高模具性能的重要因素，是保證模具質量的重要環(huán)節(jié)，對熱處理工藝進行了比較全面的介紹和分析。

關鍵詞：熱處理工藝；模具制造；應用；研究

引言：

模具制造包括各種復雜多樣的機械加工流程和熱加工工藝，在這一系列復雜的工序中，牽涉到很多熱處理工藝和熱處理環(huán)節(jié)，模具熱處理是確保模具性能的重要部分，在模具結構、材料、工作環(huán)境各有所需的情況下，應用熱處理工藝能夠充分發(fā)掘材料的潛力，延長模具的使用年限。

一、預備熱處理在模具制造中的應用

模具的熱處理包括預備熱處理、最終熱處理和表面強化處理。預備熱處理工藝對模具的最終熱處理有著重要影響，預備熱處理是模具熱處理的基礎。

1 球化退火

球化退火一般應用于共析鋼和過共析鋼，比如碳素工具鋼、軸承鋼等。這類鋼經(jīng)過軋制、鍛造后空冷，所得的組織是片層狀珠光體和網(wǎng)狀滲碳體，這種組織本身質地硬而脆，難以進行切割加工，同時在后期的淬火中也容易變形和開裂。經(jīng)過球化退火所得的球狀珠光體組織，相比于片狀珠光體，其質地硬度低，易于切割加工，在淬火過程中奧氏體晶粒也不容易長大，冷卻時工件變形和開裂傾向較小。

2 去應力退火

去應力退火是用于去除由于塑性形變加工、焊接等導致的以及鑄件內存在的殘留應力而進行的退火，一般用在消除鑄件、焊割件、冷沖壓件的殘留應力上，確保其穩(wěn)定性，避免淬火變形開裂。在大切削量的機器加工后，進行去應力退火，能夠有效去除機械加工的應力，減少最終熱處理的淬火變形量。在放電加工前后進行去應力退火，有助于去除電脈沖、線切割引起的熱應力、組織轉變應力，還能夠削弱放電白層的硬度，給鉗修創(chuàng)造良好的條件，有效降低開裂的傾向，同時還可以延長模具的使用年限，在模具使用一段時間后進行去應力退火，能夠去除模具的疲勞應力，也能延長模具的使用壽命。原則上來說去應力退火的溫度是越高越好，但經(jīng)調制處理，最后對模具進行氮化處理，實際溫度不能比調制時的回火溫度高，避免基體軟化的情況出現(xiàn)導致模具性能質量的下降。根據(jù)相關實驗結果來看，當模具形狀復雜、尺寸要求嚴格時，在粗加工之后，精加工之前應進行去應力退火。

3 正火

正火是把工件加熱到Ac3或者Acm以上30-50度，保溫一段時間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧冷卻的金屬熱處理工藝。正火工藝作為預備熱處理工藝一部分在模具的制造中主要有三個作用：其一是改善低碳模具鋼的切削加工性能，針對含碳量低于0.25%的碳素鋼和低合金結構鋼，如果采用退火來進行預備熱處理，結果會導致硬度偏低，切削加工的時候容易“粘刀”，而且其表面的粗糙度很差，而正火能夠有效的改善切削加工的性能；其二是去除中碳模具鋼熱加工的缺點，中碳結構鋼鑄件、鍛件等，在經(jīng)過熱加工后容易出現(xiàn)魏氏組織、晶粒粗大等過熱缺陷和帶狀組織，而正火能夠去除這些問題，達到細化晶粒、均勻組織、去除內應力的目標；其三是去除過共析模具鋼的網(wǎng)狀碳化物，如果過共析鋼中存在嚴重的網(wǎng)狀碳化物，球化退火就不能取得理想的結果，而正火能夠去除過共析鋼中的網(wǎng)狀碳化物，從而保證球化退火的效果。

4 調質

調質處理能夠獲得均勻細致的回火索氏體，給之后的表面淬火和滲碳時減少變形創(chuàng)造了良好的條件，所以調質有時也可以作為預備熱處理；除此以外，由于調質處理之后零件的綜合物理性能良好，對于部分硬度和耐磨性要求不高的但綜合物理性能要求很高的零件，也可以作為最終熱處理。

二、最終熱處理在模具制造中的應用

最終熱處理是確保模具工作零件性能的重要工序，一般在精加工階段的前后進行。

1 淬火

淬火是將模具鋼材加熱至一定的溫度后保溫一段時間，按照模具鋼種和模具零件的熱處理技術要求進行冷卻，從而獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的重點在于加熱的溫度、保溫的時間和冷卻介質，影響這些的要素是加熱設備、模具鋼種成分、淬透性和熱處理要求等。正確的選擇參數(shù)，能夠保證獲得所需的硬度和金相組織，另外還能有效避免零件的變形、扭曲、開裂等情況的出現(xiàn)。淬火之后材料的塑性和韌性會降低，且存在很大的內應力，組織結構不穩(wěn)定，表面可能會出現(xiàn)微裂紋，工件的尺寸可能會發(fā)生明顯的變化，因此淬火后有必要進行回火處理。

2 回火

回火是把淬火鋼加熱到奧氏體轉變溫度以下，保溫1-2小時后冷卻的工藝。回火一般是與淬火相結合的，同時也是熱處理的最后一步。經(jīng)過了回火，模具鋼的組織變得穩(wěn)定，脆性下降，韌性和塑性提升，去除或降低了淬火應力，穩(wěn)定了模具鋼的形狀和尺寸，避免了淬火零件變形和開裂的情況，另外高溫回火還能夠有效優(yōu)化切削加工的性能。模具鋼回火是模具鋼淬火后必不可少的關鍵工序，模具鋼回火溫度的選擇完全按照模具零件的要求和力學性能來確定。根據(jù)溫度的高低可以分為低溫、中溫和高溫回火。低溫回火一般在250度以下，目的在于保證高硬度的同時，有效去除或降低模具鋼的淬火應力，恢復一定的韌性使模具鋼不會太脆。中溫回火一般在300-500度，目的是讓淬火鋼在擁有一定的強度和彈性的同時也具有相應的韌性和塑性。高溫回火則在500-650度甚至更高的溫度，目的是調整模具鋼的強韌性從而確保其達到最理想的配合，也稱之為模具鋼調質處理。模具鋼預先熱處理時，也給后續(xù)工序的表面淬火、滲氮等創(chuàng)造了條件，提高了可加工性。

三、表面強化工藝在模具制造過程中的應用

經(jīng)過了表面處理，模具表層的成分和組織得到了改變，其內部柔韌、表面硬、耐磨、耐熱、耐腐蝕、抗疲勞抗粘接，對于改善模具的綜合性能、節(jié)約合金元素、降低生產成本、開發(fā)材料性能、充分應用模具特點非常有意義。同時還能夠有效的延長模具的使用年限，對于模具制造的成本而言，表面強化工藝的費用相對較低，對于模具壽命的延長有著事半功倍的效果。模具表面強化工藝多種多樣，不但有傳統(tǒng)的表面淬火技術、熱擴滲技術、熱噴涂技術等，還有近年來新提出的激光表面強化技術、離子注入技術等。

四、結束語

綜上所言，不同模具的工作環(huán)境各不相同，因此對模具的性能要求也各不相同，熱處理工藝能夠充分的利用模具的潛力，對于延長模具的使用年限，提高模具的綜合性能也有積極的作用。我們應該堅持可持續(xù)發(fā)展和綠色制造的觀念，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟模式，推動模具熱處理行業(yè)的不斷進步。

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