精密模具热处理变形及预防

spy2000xxxx

模具热处理变形是模具处理过程的主要缺陷之一，对一些精密复杂模具，常因热处理变形而报废，因此控制精密复杂模具的变形一直成为热处理生产中的关键问题。
  众所周知，模具在热处理时，特别是在淬火过程中，由于模具截面各部分加热和冷却速度的不一致而引起的温度差，加之组织转变的不等时性等原因，使得模具截面各部分体积胀缩不均匀，组织转变的不均匀，从而引起“组织应力”和模具内外温差所引起的热应力。当其内应力超过模具的屈服极限时,就会引起模具的变形。
    因此，减少和控制精密复杂模具变形乃是广大热处理工作者的一项重要的研究课题。
    本文试就精密复杂模具变形状况、变形原因的研究，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
  某机械厂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。后来该厂采用微变形钢Cr12钢制造，模具热处理后硬度和变形量都符合要求。
    因此制造精密复杂、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钢较复杂模具，模具都带有￠60m m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，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。
  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，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，可采用给合结构。
  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未进行任何预先热处理。
1、 变形原因
在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170?C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。
四、热处理加热工艺的影响
1、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）变形的原因 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（550-620?C）；对于高合金刚模具应采用二次预热（550-620?C和800-850?C）。
2、加热温度的影响
一些厂家为了保证模具达到较高硬度，认为需提高淬火加热温度。但是生产实践表明，这种做法是不恰当的，对于复杂模具，同样是采用正常的加热温度下进行加热淬火，在允许的上限温度加热后的热处理变形要比在允许的下限温度加热的热处理变形大得多。
（1）变形原因   众所周知，淬火加热温度越高，钢的晶粒越趋长大，由于较大晶粒能使淬透性增加，则使淬火冷却时产生的应力越大。再之，由于复杂模具大多由中高合金钢制造，如果淬火温度高，则因Ms点低，组织中残留奥氏体量增多，加大模具热处理后变形。
（2）预防措施   在保证模具的技术条件的情况下合理选择加热温度，尽量选用下限淬火加热温度，以减少冷却时的应力，从而减少复杂的热处理变形。
五、残留奥氏体的影响
一些高合金模具钢，如Cr12MoV钢模具在淬火和低温回火后，模具的长、宽、高皆发生缩小现象，这是因为模具淬火后残留奥氏体量过多而引起的。
1、变形原因
因合金钢（如Cr12MoV钢)淬火后含有大量残留奥氏体，钢中各种组织有不同的比体积，奥氏体的比体积最小，这是高合金钢模具淬火低温回火后体积发生缩小的主要原因。钢的各种组织的比体积按下列顺序递减：马氏体-回火索氏体-珠光体-奥氏体
2、预防措施
（1）适当降低淬火温度。正如前面叙述过的淬火加热温度越高，残留奥氏体量越大，因此选择适当的淬火加热温度是减少模具缩小的重要措施。一般在保证模具技术要求的情况下，要考虑模具的综合性能，适当降低模具的淬火加热温度。
（2）一些数据表明，Cr12MoV钢模具淬火后，500?C回火较200?C回火的残留奥氏体量少了一半，所以在保证模具技术要求的前提下，应适当提高回火温度。生产实践表明：Cr12MoV钢模具500?C回火模具变形量最小，而硬度降低不多（2~3HRC）。
（3）模具淬火后采取冷处理是减少残留奥氏体量的最佳工艺，也是减少模具变形、稳定使用时发生尺寸变化的最佳措施，因此精密复杂模具一般应采用深冷处理。

spy2000xxxx

六、冷却介质和冷却方法的影响
模具热处理变形往往是在淬火冷却后所表现出来的，这虽然有以上各种因素的影响，但冷却过程中的影响也是不可忽视的。
    1、 变形产生的原因
当模具冷却到Ms点以下时，钢即发生相变，除因冷却不一致所早成的热应力外，还有因相变的不等时性而产生的组织应力，冷却速度越快，冷却越不均匀，产生的应力越大，模具的变形也越大。
    2、 预防措施
（1）在保证模具硬度要求的前提下，尽量采用预冷，对于碳素钢和低合金模具钢可预冷至棱角部位发黑（720~760?C）。对于在珠光体转变区过冷奥氏体较稳定的钢种可预冷至700?C左右。
（2）采用分级冷却淬火能显著减少模具淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些复杂模具变形的有效方法。
（3）对一些精密复杂模具，采用等温淬火能显著减少变形。
七、改进热处理工艺、减少模具热处理变形
模具在淬火后的变形，不论采取什么方法，变形都是无法避免的，但是对于要严格控制变形量的精密复杂模具可采取以下方法进行控制。
    1、 采用调质热处理
对基体硬度要求不高，而表面硬度要求较高的精密复杂模具，可采取模具粗加工后进行调质热处理，精加工后进行低温氮化处理（500~550?C），由于模具氮化温度低，不存在基体组织相变，另外炉冷至室温出炉，冷却应力也较少，模具变形较小。
    2 、 采用预先热处理
对精密复杂模具，如其硬度要求不太高，可采用预先热处理的预硬钢，对模具钢（如3Cr2Mo, 3CrMnNiMo钢）进行预先热处理，使之到达使用时的硬度（较低硬度为25~35HRC，较高硬度为40~50HRC），然后把模具加工成型不再进行热处理，从而保证精密复杂模具的精度。
    3、 采用时效硬化型模具钢
对精密复杂模具可采用时效硬化钢，如PMS(1Ni3Mn2CuA1.Mo)钢是一种新型时效模具钢，在870?C固溶淬火后的硬度在30HRC左右，便于机械加工，模具加工成型后再进行500?C左右的时效热处理，即可获得40~45HRC的较高硬度，模具变形较小，只需要进行抛光处理，是理想的精密复杂模具用钢。
  八、结语
精密复杂模具的变形原因往往是复杂的，但是我们只要掌握其变形规律，分析其产生的原因，采用不同的方法进行预防模具的变形是能够减少的，也是能够控制的。一般来说，对精密复杂模具的热处理变形可采取一下方法预防。
（1）合理选材。对精密复杂模应选择材质好的微变形模具钢（如空淬钢），对碳化物偏析严重的模具钢应进行合理锻造并进行调质热处理，对较大和无法锻造模具钢可进行固溶双细化热处理。
（2）模具结构设计要合理，厚薄不要太悬殊，形状要对称，对于变形较大模具要掌握变形规律，预留加工余量，对于大型、精密复杂模具可采用组合结构。
（3）精密复杂模具要进行预先热处理，消除机械加工过程中产生的残余应力。
（4）合理选择加热温度，控制加热速度，对于精密复杂模具可采取缓慢加热、预热和其他均衡加热的方法来减少模具热处理变形。
（5）在保证模具硬度的前提下，尽量采用预冷、分级冷却淬火或温淬火工艺。
（6）对精密复杂模具，在条件许可的情况下，尽量采用真空加热淬火和淬火后的深冷处理。
（7）对一些精密复杂的模具可采用预先热处理、时效热处理、调质氮化热处理来控制模具的精度。
另外，正确的热处理工艺操作（如堵孔、绑孔、机械固定、适宜的加热方法、正确选择模具的冷却方向和在冷却介质中的运动方向等）和合理的回火热处理工艺也是减少精密复杂模具变形的

daiwulin

我公司对模具的变形影响很小。特别是Cr12MoV等材料@

激光淬火

关于楼主的精密模具变形思路和阐述,非常好,实在是一篇难得的佳作,很简明的说明了精密模具现在的状况和技术问题;
为了全面,作为新的技术,我加个激光淬火法也进来讨论一下.

1 关于材质,上文提到T10A模具变形大,而采用好材料Cr12,成本高.
   如果不用改材料,用激光表面淬火,几乎不变形.也是一个思路.
    Cr12MoV钢的模具,分析非常好!学习了!
2  关于模具的结构和残余应力问题,应该是针对整体淬火的.采用激光淬火呢,就基本不存在这个问题,因为激光淬火的热应力变形几乎可以忽略.所以,对于结构方面无法避免应力集中,可以考虑激光淬火进行局部淬火;
3  关于热处理工艺加热和冷却方面,这应该指整体淬火吧.激光表面淬火用扫描完成,不用考虑热应力的.谈不上不均匀问题,所以就没有这些说法了.
4  关于残余奥氏体的问题,整体热处理应该有优势,考虑冷处理也许能解决
5  关于预先热处理,上面论述很全面,作为表淬,要求就低些了;
6  激光淬火作为一种技术方法,如果在设计时,从材料选择和制造工艺上考虑,避免不适合的材料,可以大大降低费用和工期.

耿建亭

一些厂家为了保证模具达到较高硬度，认为需提高淬火加热温度。但是生产实践表明，这种做法是不恰当的，对于复杂模具，同样是采用正常的加热温度下进行加热淬火，在允许的上限温度加热后的热处理变形要比在允许的下限温度加热的热处理变形大得多。


这种做法有时没有什么不恰当的,例如对有的碳素工具钢类模具,模具只要求表面有一定的硬度,就采用高温短时加热的方法,加热温度可达900---920度,最后的结果是变形小.其基理是快速加热,让表面浅层奥氏体化,稍内层的温度还没有达到其AC1点,这样在表层发生了组织转变,而内部没有组织转变一说,其变形量相当于正常加热水淬的1/5,对其热应力产生的应力对工件的变形当属不大.也可通过冷却特性来减小.
其它类,近年来在5CRNIMO热锻模采用比普通的淬火更高的奥氏化化温度,其使用寿命比原寿命高出2--3倍,但其变形量也没有过大增多.此工艺在军工产品已推广.详见<<模具材料手册>>陈再枝主编,2003年第二版(出版日期有可能记错)
后面还有论说,因为我只看到这一点

耿建亭

在保证模具硬度要求的前提下，尽量采用预冷，对于碳素钢和低合金模具钢可预冷至棱角部位发黑（720~760?C）。对于在珠光体转变区过冷奥氏体较稳定的钢种可预冷至700?C左右。


对有些模具来讲,其边角就是模具刃口所在,你难道还要预冷到发黑吗??????????
再说模具边角发黑,其温度从火色来讲已低于500摄氏度,那基本温度呢?如果此工件只有200*20*20mm,即使模具刃口不在边角,你岂不是要模具报第一次淬火不合格吗?
有关此类碳钢的微变形淬火工艺,国内已有比较成熟经验,象你说的压低一下淬火温度只能算其一,还有比如硝盐淬火.三硝水淬.碱浴,等等不一列举.可能比较新颖的算是我的<<碳素工具钢微变形淬火工艺>>请详见<<金属热处理>>2000年第十期.

耿建亭

机械厂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。后来该厂采用微变形钢Cr12钢制造，模具热处理后硬度和变形量都符合

如果此钢用T10A都可满足模具的使用要求,那为什么要换成CR12呢,CR12虽然从书上介绍属于微变形钢,但是在规格,原材料.锻造方面没有任何缺陷的前提下,通过控制淬火后的残余奥氏体量来控制的,少量的残奥对增加耐磨性是有好处的,但量多呢?如果模具在使用过程中发生残粤向马氏体转变引起经年变寸(此为日本叫法,国内一般称为尺寸变形,)那将如何?特别是新生成的马氏体虽然硬度较高,但其脆性较大,在有些模具方面是不适宜的.
CR12钢因含碳含CR量较高,其碳化物分布是极其不均匀的,如果碳化物带不均匀分布,那其最终的变形甚至超过T10的微变形淬火.
本人认为既然此模具用T10A都可以满足使用需求,那不为什么不选CRWMN,9MN2V等低合金钢呢,其最终的变形量也很小,况且从成本来,比CR12便宜.

耿建亭

。?采用预热，对于低合金钢模具可采用一次预热（550-620?C）；对于高合金刚模具应采用二次预热（550-620?C和800-850?C）。

这些温度都是谁规定的?是有关资料的介绍,道理何在?
一般来讲采用两次预热其目的从原理来讲是不同的
550左右预热,是因为要将在热处理前面工序中应力消除部分.大家知道,应力的消除必然伴随着工件的变形,那在此温度左右预热,是因为此温度是大多数钢种的弹性变形范围内,应力可通过弹性变形加以消除.而不致于在工件的塑性变形范围内产生变形而保留到最终增加了工件的最终变形量.
在820左右预热,其目的是在此类钢的AC1点略下方进行预热,以便增加其在AC1点以上因发生组织转变,即力求让工件的内外层同时发生转变,这样可减小因组织转变的不同时性而增加工件的变形.
至于温度,是在实践中求得的,其影响因素如下:不同的材料与设备,最终奥氏化化温度,前道工序的应力状态,工件的装炉方式,等等,岂能给一个死数?还是那样的绝对（550-620?C）；（550-620?C和800-850?C）。有时对于H13的材料第一次预热,有的资料介绍用550,而有的资料用650,照你的说法岂不是650的超范围了?????况且工件的有效厚度?等因素还没有考虑进去

耿建亭

、预防措施
（1）适当降低淬火温度。正如前面叙述过的淬火加热温度越高，残留奥氏体量越大，因此选择适当的淬火加热温度是减少模具缩小的重要措施。一般在保证模具技术要求的情况下，要考虑模具的综合性能，适当降低模具的淬火加热温度。
（2）一些数据表明，Cr12MoV钢模具淬火后，500?C回火较200?C回火的残留奥氏体量少了一半，所以在保证模具技术要求的前提下，应适当提高回火温度。生产实践表明：Cr12MoV钢模具500?C回火模具变形量最小，而硬度降低不多（2~3HRC）。
（3）模具淬火后采取冷处理是减少残留奥氏体量的最佳工艺，也是减少模具变形、稳定使用时发生尺寸变化的最佳措施，因此精密复杂模具一般应采用深冷处理。

500度回火,为什么残奥量为少一半,你不讲清
是因为在500度回火时,是CR12MOV的奥氏体反稳定化状态,其基理类同高速钢的高温回火,产生二次硬化.
在此温度回火后的模具,还会保留一部分残奥,并且这部分残奥是不稳定状态,在使用过程中极容易变形.即使在回火前进行深冷处理,也不能解决.因为深冷的目的在于减小残余奥运会氏体的量,而不是稳定未转变的残奥,
要想稳定残奥,可通过在其热稳定化区进行回火来达到.最佳温度就是其MC点,也就是我在网上求D2(国内为CR12MO1V1)的MC点的原因,而据我所知,日本/美国的材料材料供应商根本就提供不出其MC点,我不排除他们做出了数据,但是公开资料没有,别说此钢了,别的钢的MC点提供出来的有几个,当然MC点是一个变数,那也可以象CCT曲线一样啊,做一个范围或温度参考也好,至于我们是怎样做的此类,因技术保密,我如果泄露了,我就要被罚款上十几万,所以虽然工艺是我试验成功的,但我也不能在这里公开,请原谅.
总的来讲,本文章写的不错,在大面上是篇好文章,不过有些细节没处理好,
本文章较适宜于中级偏下水平学习.如果在深入研究,那可能一个钢种要做好几年的功课了

全文完

耿建亭

更正我9楼

在820左右预热,其目的是在此类钢的AC1点略下方进行预热,以便增加其在AC1点以上因发生组织转变,即力求让工件的内外层同时发生转变,这样可减小因组织转变的不同时性而增加工件的变形.


在820预热泪盈眶,其目的在此钢的AC1点略下方进行预热,以便增加其在AC1点以上发生组织转变所需的能量,力求////////////////////////////

linjun

非常好,实在是一篇难得的佳作,很简明的说明了精密模具现在的状况和技术问题;
一篇实用的好文章，学习，学习，在学习！！