模具鋼硬度對照表，熱處理過程中模具變形的分析及預防

　　模具鋼硬度對照表，在模具的熱處理過程中，特別是淬火過程中，模具截面各部分加熱和冷卻速度不一致造成的溫差，以及結構轉變的時間不相等，使模具截面各部分的體積膨脹和收縮不均勻，結構轉變不均勻，從而引起“結構應力”和模具內外溫差引起的熱應力。當內應力超過模具的屈服極限時，會引起模具變形。

　　通過研究精密復雜模具的變形狀況和原因，探討減少和控制精密復雜模具變形的措施，以提高模具產品的質量和使用壽命。

　　一、模具材料的影響

　　1.模具材料選擇

　　考慮到選材和熱處理的方便性，某機械廠選用T10A鋼制造截面尺寸差異大、淬火后變形小的復雜模具，硬度56-60HRC。熱處理后，模具硬度符合技術要求，但模具變形過大，無法使用，導致模具報廢。后來工廠用的是微變形鋼Cr12模具鋼，熱處理后的模具硬度和變形量符合要求。

　　因此，為了制造要求小變形的精密復雜模具，應盡量選擇微變形鋼，如空氣淬火鋼。

　　2.模具材料的影響

　　Cr12MoV模具鋼是一種圓孔小于60 mm的復雜模具，經熱處理后，模具部分圓孔呈橢圓形，導致模具報廢。

　　一般來說，Cr12MoV模具鋼為微變形鋼，不應有大的變形。通過對變形嚴重的模具進行金相分析，發現模具鋼中存在大量共晶碳化物，呈帶狀和塊狀分布。

　　(1)模具橢圓度(變形)的原因這是因為模具鋼中存在沿一定方向分布的不均勻碳化物。碳化物的膨脹系數比鋼基體組織的膨脹系數小30%左右。加熱時防止模具內孔膨脹，冷卻時防止模具內孔收縮，造成模具內孔變形不均勻，模具圓孔橢圓。

　　(2)注意事項①制造精密復雜模具時，盡量選擇碳化物偏析小的模具鋼，不要試圖廉價，而要選擇小鋼廠生產的材質差的模具鋼。②碳化物偏析嚴重的模具鋼應合理鍛造，使碳化物塊破碎，降低碳化物分布不均勻的等級，消除性能的各向異性。③鍛造模具鋼應調質處理，獲得碳化物均勻、細小、分散的索氏體組織，以減少精密復雜模具熱處理后的變形。④對于尺寸較大或無法鍛造的模具，可采用固溶雙細化處理，使碳化物細化、分布均勻、棱角圓潤，達到減少模具熱處理變形的目的。

　　二、模具結構設計的影響

　　有些模具選材和鋼料都很好，往往是因為模具結構設計不合理，如棱角薄、尖角、溝槽、臺階突兀、厚度懸殊等，導致模具熱處理后變形大。

　　1.變形原因

　　由于模具各部位厚度不均勻或圓角尖銳，淬火時模具不同部位之間的熱應力和結構應力不同，導致各部位體積膨脹不同，淬火后模具變形。

　　2.預防措施

　　在設計模具時，在滿足實際生產需要的情況下，應盡量減少模具厚度的懸殊和結構的不對稱。在模具厚度的交界處，應盡可能采用平滑過渡等結構設計。根據模具的變形規律，預留加工余量，使模具不會因淬火后模具變形而報廢。

　　對于形狀特別復雜的模具，可以采用送料結構，以保證淬火時冷卻均勻。

　　三、模具制造過程及殘余應力的影響

　　在工廠中，經常會發現一些形狀復雜、精度要求高的模具在熱處理后變形較大。經過仔細研究，發現模具在機械加工和最終熱處理過程中沒有經過任何預熱處理。

　　1.變形原因

　　加工過程中的殘余應力和淬火后的應力疊加增加了熱處理后模具的變形。

　　2.預防措施

　　(1)粗加工后半精加工前，應進行一次應力消除退火，即將(630-680)℃×(3-4)h的爐冷卻至500℃以下，出爐空冷，或可采用400℃×(2-3)h的應力消除處理。

　　(2)降低淬火溫度，降低淬火后的殘余應力。

　　(3)使用淬火油170？油風冷卻(分級淬火)。

　　(4)等溫淬火可以降低淬火殘余應力。

　　以上措施可以降低模具淬火后的殘余應力，減少模具變形。

　　四、熱處理和加熱過程的影響

　　1.加熱速度的影響

　　熱處理后模具的變形一般認為是冷卻造成的，這是不正確的。特別是對于復雜的模具，加工工藝的正確與否往往對模具的變形有很大的影響。對比一些模具加熱技術，可以明顯看出加熱速度較快，往往會導致較大的變形。

　　(1)變形的原因任何金屬受熱都會膨脹。由于模具鋼在同一個模具中加熱，各部分溫度不均勻(即加熱不均勻)必然會造成模具中各部分膨脹不一致，從而因加熱不均勻而形成內應力。在模具鋼轉變點以下的溫度下，不均勻加熱主要產生熱應力，而轉變溫度以上的不均勻加熱也會產生結構轉變的不同步，不僅產生結構應力。因此，加熱速度越快，模具表面與型芯的溫差越大，熱處理后模具的應力越大，變形越大。

　　(2)注意事項:當復雜模具加熱到轉變點以下時，應緩慢加熱。一般來說，真空熱處理的模具變形比鹽浴爐小得多。？采用預熱，一次性預熱(550-620c)；二次預熱(550-620c 800-850c ).

　　2.加熱溫度的影響

　　一些廠家認為有必要提高淬火加熱溫度，以保證模具的高硬度。然而，生產實踐表明這種方法是不合適的。對于復雜模具，加熱和淬火也是在正常加熱溫度下進行，在允許上限溫度下加熱后的熱處理變形遠大于允許下限溫度下的熱處理變形。

　　(1)變形的原因眾所周知。淬火加熱溫度越高，模具鋼的晶粒越大。因為較大的晶粒尺寸可以增加淬透性，所以淬火和冷卻過程中產生的應力越大。此外，由于大多數復雜模具由中高合金鋼制成，如果淬火溫度高，顯微組織中的殘余奧氏體量會由于低Ms點而增加，這將增加模具在熱處理后的變形。

　　(2)注意事項:在保證模具技術條件的情況下，合理選擇加熱溫度，盡量選擇較低的淬火加熱溫度，以降低冷卻時的應力，從而減少復雜的熱處理變形。

　　五、殘余奧氏體的影響

　　一些高合金模具鋼，如Cr12MoV鋼模具，經低溫淬火回火后，長度、寬度、高度都有所減小，這是淬火后殘余奧氏體過多造成的。

　　1.變形原因

　　由于合金鋼(如Cr12MoV模具鋼)淬火后含有大量的殘余奧氏體，模具鋼中的各種組織具有不同的比容，奧氏體的比容最小，這是高合金鋼模具在低溫淬火回火后體積減小的主要原因。模具鋼各種組織的比容按以下順序遞減:馬氏體回火索氏體珠光體奧氏體。

　　2.預防措施

　　(1)適當降低淬火溫度。如前所述，淬火加熱溫度越高，殘余奧氏體越大，因此選擇合適的淬火加熱溫度是降低模具收縮率的重要措施。一般在保證模具技術要求的情況下，應考慮模具的綜合性能，適當降低模具的淬火加熱溫度。

　　(2)有數據顯示，Cr12MoV鋼模具淬火后，500？c回火是200？c回火時殘余奧氏體量不足一半，因此在保證模具技術要求的前提下，應適當提高回火溫度。生產實踐表明，Cr12MoV鋼模500？c回火模具變形最小，但硬度下降不大(2~3HRC)。

　　(3)淬火后的冷處理是減少殘余奧氏體量的最佳工藝，也是穩定使用過程中減少模具變形和尺寸變化的最佳措施。因此，精密復雜的模具一般應采用深冷處理。

　　六、冷卻介質和冷卻方式的影響

　　模具的熱處理變形往往表現在淬火冷卻后，受上述因素的影響，但在冷卻過程中的影響不可忽視。

　　1.變形原因

　　當模具冷卻到Ms點以下時，鋼會發生相變，這是除了冷卻不一致引起的早期熱應力之外的相變引起的。

　　冷卻速度越快，冷卻越不均勻，模具受力越大，變形越大。

　　2.預防措施

　　(1)在保證模具硬度要求的前提下，盡量采用預冷。對于碳鋼和低合金模具鋼，可以進行預冷，直到邊角變黑(720~760？c ).珠光體轉變區過冷奧氏體穩定的鋼種可預冷至700？c左右。

　　(2)分級冷卻淬火可以顯著降低模具淬火過程中的熱應力和微觀組織應力，是減少一些復雜模具變形的有效方法。

　　(3)對于一些精密復雜的模具，等溫淬火可以顯著減少變形。

　　七、改進熱處理工藝，減少模具熱處理變形。

　　無論采用哪種方法，模具淬火后的變形都是不可避免的，但可以采用以下方法來控制精密復雜的模具，嚴格控制變形。

　　1、采用調質熱處理

　　對于基體硬度低、表面硬度高的精密復雜模具，粗加工后可采用淬火回火熱處理，低溫滲氮處理(500~550？c)由于模具滲氮溫度低，基體組織沒有相變，另外，爐內冷卻至室溫時，冷卻應力較小，模具變形較小。

　　2.采用預熱處理。

　　對于精密復雜模具，如果對硬度要求不太高，可以采用預淬硬鋼(如3Cr2Mo、3CrMnNiMo鋼)進行預熱處理，使其達到使用中的硬度(較低的硬度為25~35HRC，較高的硬度為40~50HRC)，然后不經熱處理進行模具加工成型，以保證精密復雜模具的精度。

　　3.采用時效硬化模具鋼。

　　時效硬化鋼可用于精密和復雜的模具，如PMS(1Ni3Mn2CuA1。Mo)鋼，是一種新型時效硬化模具鋼，870年開始使用？固溶淬火后，C的硬度在30HRC左右，便于機械加工，然后是500？c左右，可獲得40~45HRC的高硬度，模具變形小，只需拋光處理。是精密復雜模具的理想鋼材。

　　八、結論

　　復雜模具變形的原因往往比較復雜，但只要掌握變形規律，分析原因，就可以采用不同的方法來減少和控制模具的變形。一般來說，可以采取以下措施來防止精密復雜模具的熱處理變形。

　　(1)合理選材。精密復雜模具應選用材質較好的微變形模具鋼(如空氣淬火鋼)，碳化物偏析嚴重的模具鋼應合理鍛造和調質，尺寸較大且不可鍛造的模具鋼可進行固溶雙細化熱處理。

　　(2)模具結構設計要合理，厚度不宜過寬，形狀要對稱。對于大變形模具，應掌握變形規律，預留加工余量。對于大型、精密、復雜的模具，可采用組合結構。

　　(3)精密復雜模具應進行預熱處理，以消除加工過程中產生的殘余應力。

　　(4)對于精密復雜的模具，可以采用合理選擇加熱溫度和控制加熱速度、緩慢加熱、預熱等平衡加熱方式，減少模具在熱處理過程中的變形。

　　(5)在保證模具硬度的前提下，盡可能采用預冷、分級冷卻淬火或溫淬火工藝。

　　(6)精密復雜模具盡量采用真空加熱淬火和淬火后深冷處理。

　　(7)預熱處理、時效熱處理、調質滲氮熱處理可用于控制某些精密復雜模具的精度。

　　此外，正確的熱處理工藝操作(如堵孔、扎孔、機械固定、適當的加熱方法、正確選擇模具在冷卻介質中的冷卻方向和移動方向等。)和合理的回火熱處理工藝也能有效減少熱處理時模具的變形。