模具熱處理常見(jiàn)變形原因及控制措施

房雲(yún)峰

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

關(guān)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(guò)鍛壓、冶煉、注塑、吹塑、擠出等方法成形為工件的基礎(chǔ)工藝裝備。工業(yè)生產(chǎn)中的許多工件都通過(guò)模具成形，它的生產(chǎn)制造水平已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平高低的重要指標(biāo)。模具產(chǎn)品的材料和熱處理工藝是影響模具使用壽命和質(zhì)量精度的重要因素[1][2]。在生產(chǎn)實(shí)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(chǎn)品在工作時(shí)極易報(bào)廢，甚至出現(xiàn)安全事故，帶來(lái)極大損失。

1 模具熱處理常見(jiàn)變形原因

模具的熱處理變形主要是由加熱和冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力、機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力所造成的。影響模具熱處理變形主要有以下幾個(gè)常見(jiàn)因素。

1.1 模具選材不適當(dāng)

造成模具熱處理變形的一個(gè)重要原因是模具工件材料的化學(xué)成分。模具在淬火時(shí)，組織將發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，由于馬氏體的密度低于奧氏體，所以組織轉(zhuǎn)變后模具體積會(huì)膨脹。在模具回火時(shí)，使馬氏體轉(zhuǎn)變成回火托氏體、回火索氏體，比體積減小，從而導(dǎo)致模具體積減小。所以對(duì)于普通鋼材來(lái)講，碳含量起著較為重要的作用，碳含量越高，形成馬氏體時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不佳

模具熱處理變形的另一個(gè)重要原因是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不佳，體現(xiàn)在模具形狀是否對(duì)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(huì)出現(xiàn)變形，本質(zhì)原因是模具結(jié)構(gòu)上存在有孔、槽類結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其截面積發(fā)生突變，或模具壁厚不均引起加熱時(shí)受熱不均勻等情況，使模具在淬火時(shí)各部位之間熱應(yīng)力和組織應(yīng)力不同，進(jìn)而各部位體積膨脹不均勻，所以最后表現(xiàn)為模具結(jié)構(gòu)的宏觀變化。除此之外，模具加工過(guò)程中因加工工藝問(wèn)題，對(duì)加工困難部位、形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)大多采用鑲件的手段完成，但也因此使模具結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力失衡，因此需要采取適當(dāng)?shù)臒峒庸すに囈?guī)程來(lái)消除內(nèi)部殘余應(yīng)力、減少變形[3]。

1.3 模具毛坯鍛造工藝不良

鍛造過(guò)程不充分或選擇了不恰當(dāng)?shù)腻懺毂葘?duì)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(shí)鍛造變形量小容易導(dǎo)致模具最終球化組織球化不良、粗大不均，組織中存在網(wǎng)狀偏析碳化物，這些碳化物將使模具在淬火后極易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生扭曲和開裂。

1.4 模具內(nèi)部殘余應(yīng)力

模具在鍛造和冷卻過(guò)程中、各種機(jī)械加工過(guò)程中所產(chǎn)生的加工應(yīng)力，以及模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形狀，如截面積突變、存在尖角等，將會(huì)使模具內(nèi)部殘余應(yīng)力在熱處理過(guò)程中得到釋放，產(chǎn)生變形[4]。例如機(jī)加工時(shí)，刀具對(duì)模具有擠壓作用，使模具內(nèi)各部分金屬產(chǎn)生了不均等的體積變化，進(jìn)而產(chǎn)生了機(jī)械加工應(yīng)力。

1.5 模具熱處理規(guī)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(huì)隨著溫度的升高而增大，降低模具力學(xué)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)使奧氏體晶粒過(guò)分長(zhǎng)大。更嚴(yán)重的是，模具內(nèi)晶粒大小不同時(shí)，會(huì)引起內(nèi)部受力不均勻，導(dǎo)致應(yīng)力集中，宏觀表現(xiàn)為模具的脆性斷裂。

1.5.2 淬火方法采用不當(dāng)

模具在淬火過(guò)程中，溫度升高太快或加熱不均勻，將造成模具內(nèi)部與環(huán)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(yīng)力分布不均而產(chǎn)生變形。

淬火后的冷卻過(guò)程也會(huì)對(duì)模具變形產(chǎn)生影響。冷卻方法不合適會(huì)造成模具內(nèi)各部分溫度下降速率不同，產(chǎn)生較大溫差，溫差導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，由于模具內(nèi)各部分之間的相互約束，使模具產(chǎn)生變形。

2 控制模具熱處理變形的措施

在生產(chǎn)實(shí)踐中，模具的熱處理變形不可避免。模具變形輕則導(dǎo)致制件加工精度不符合預(yù)期，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)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(jù)模具的具體應(yīng)用場(chǎng)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(fù)雜模具時(shí)，應(yīng)盡量采用碳化物偏析較小的微變形鋼[5]。

2.2 合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)的不合理，如存在尖角，壁厚差較大等將會(huì)使模具在加熱時(shí)受熱不均勻，冷卻時(shí)散熱不均勻，因此產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成模具變形。合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)是控制模具熱處理變形的重要措施之一。例如，對(duì)于模具中壁厚不均勻的地方，可以采用設(shè)置工藝孔的方法來(lái)降低因壁厚不均而造成模具熱處理時(shí)變形的問(wèn)題。對(duì)于模具中的尖角，要盡量改為圓角過(guò)渡，目的是減小應(yīng)力集中。

2.3 嚴(yán)格控制毛坯質(zhì)量

模具毛坯的質(zhì)量，對(duì)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(wǎng)狀碳化物，必須經(jīng)過(guò)充分鍛造來(lái)?yè)羲榫W(wǎng)狀碳化物并在鍛造后及時(shí)退火，保證模具壽命。毛坯應(yīng)避免存在偏析、脫碳、帶狀組織及碳化物分布不均等質(zhì)量缺陷。

2.4 正確的鍛造方式

模具毛坯在鍛造時(shí)應(yīng)保證一定的鍛造比。對(duì)模具毛坯進(jìn)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(nèi)偏析網(wǎng)狀碳化物，獲得均勻、細(xì)小、圓滑的碳化物，使模具在后續(xù)熱處理時(shí)產(chǎn)生較小的變形。

2.5 去除機(jī)械加工殘余應(yīng)力

模具淬火變形的控制還可以通過(guò)在切削加工后、淬火前進(jìn)行去應(yīng)力退火可來(lái)實(shí)現(xiàn)。在機(jī)械加工過(guò)程中，刀具擠入工件使工件產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生加工應(yīng)力，若不經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理消除，則會(huì)在后續(xù)工件工作過(guò)程中與總應(yīng)力疊加使模具變形，甚至開裂。在機(jī)械加工后進(jìn)行去應(yīng)力退火可以去除機(jī)械加工殘余應(yīng)力，并且退火溫度越高，應(yīng)力消除越徹底。

（下轉(zhuǎn)第124頁(yè)）2.6 制定合理的熱處理工藝規(guī)程

2.6.1 采用預(yù)熱、下限的淬火溫度加熱

對(duì)于一些形狀復(fù)雜的精密模具和大型模具，通常進(jìn)行預(yù)熱處理。例如對(duì)于尺寸較大的5CrNiMo模具鋼來(lái)說(shuō)，由于導(dǎo)熱性差，為了減少加熱時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，通常在進(jìn)行熱處理時(shí)先加熱到500～600℃預(yù)熱4h，可以減少淬火加熱時(shí)模具表層與心部的溫差，減小了熱應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到控制模具熱處理變形的目的。

其次，在確保模具質(zhì)量和使用性能的前提下，采用下限淬火溫度進(jìn)行淬火可以減少相變時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)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(xù)深冷至室溫以下的方法。冷處理可使奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，增加了模具鋼的尺寸穩(wěn)定性，減小變形。

2.6.3 多次回火

多次回火是使經(jīng)過(guò)淬火后的工件進(jìn)行多次、短時(shí)的回火。對(duì)于模具鋼而言，多次回火可以消除淬火應(yīng)力，消除殘余奧氏體或降低其含量，且使馬氏體更充分地轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。

3 結(jié)語(yǔ)

模具在熱處理過(guò)程中，變形是難以避免的，采取措施加以控制是減少經(jīng)濟(jì)損失和安全生產(chǎn)事故的重要途徑。模具在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)非常重要的地位，對(duì)于熱處理后已經(jīng)產(chǎn)生變形的模具，應(yīng)細(xì)致檢查其變形特點(diǎn)、分析產(chǎn)生原因，再結(jié)合模具本身狀況和工作環(huán)境等選用適當(dāng)?shù)目刂拼胧﹣?lái)加以減少或避免變形。

參考文獻(xiàn)：

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[3]胡光明.模具熱處理開裂產(chǎn)生原因及應(yīng)對(duì)措施分析[J].工程技術(shù)研究，2019，4（22）：144146.

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

[5]任睿.淺談精密模具的熱處理變形及預(yù)防技術(shù)[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2012（23）：167.