热处理变形原因的分析与变形控制技术措施

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　　摘 要:模具在热处理中的变形可导致模具超差报废,因而探讨其变形规律在生产中具有重要意义。
　　关键词:模具 热处理 变形分析 控制措施
　　
　　1 热处理变形原因的分析
　　模具零件淬火时由于热应力与组织应力的综合作用引起尺寸和形状的偏差。由于零件的几何形状、截面尺寸不同,在淬火加热与冷却过程中因加热与冷却速度的差异,就会引起了零件体积膨胀、收缩及变形等。
　　影响淬火变形的原因是多方面的,主要与钢的化学成分和原始组织、零件的几何形状、尺寸大小及热处理工艺等因素有关。然而,采取有效的预防措施,改善与优化热处理工艺,致力将模具热处理变形严格控制在最小限度之内。
　　
　　2 热处理变形的类型及特征
　　2.1 类型
　　热处理变形有尺寸变化和形状变化两大类。尺寸变化是因淬火时发生膨胀或收缩使尺寸改变。形状变化即本身发生的形状改变,因应力而发生变形,如弯曲、扭转等变形。在生产实践中,尺寸变化与形状变化常常重叠出现。
　　2.1.1 尺寸变化
　　是因热处理过程中组织发生变化而引起的膨胀、收缩的结果。淬火时组织转变为马氏体则膨胀,若残余奥氏体量多则变为收缩。冷处理时因残余奥氏体转变成马氏体又引起膨胀。
　　马氏体引起的体积膨胀随钢中碳含量增加而变大;其尺寸变化量亦随着增大。淬火钢回火时马氏体发生分解,而引起收缩;收缩量随马氏体中C%的增多而增大,但若以淬火前的状态为基准,淬火回火后尺寸变化的总合,其结果仍是膨胀。
　　2.1.2 形状变化
　　是因淬火钢内部的应力及加于外部的力量而引起的。内部应力是因温度分布不均或因组织转变而引起的。而外部的力主要是因自重而导致“下垂”。加热温度越高、保温时间越长,这种因本身重量而引起的“下垂”变形更易发生。工件加热时,因机械加工或常温加工所产生的残余应力,将发生形状变化。
　　即使是均匀加热,因钢的屈服点随温度上升而降低之故,此时只要有少许应力存在即发生变形。因残余应力于外部周围较强。当温度上升自外部进行时,变形于外部周围特别显著。工件在加热时由于加热不均和加热过程中组织变化将产生热应力和组织应力,这是造成变形的主要原因。
　　若工件在加热时、工件各部位同时、同样发生奥氏体转变将不产生组织应力,因此,工件热处理慢慢加热是必要的。
　　淬火冷却不均、工件外表面与心部冷速不同,有一定的温差,都将产生热应力。淬火时发生马氏体转变,体积膨胀,产生组织应力,这种热应力在组织应力的重叠作用,将使变形更加复杂。而仍有部分残余应力存在。因此,对淬火钢件必须立即进行回火,以免导致放置变形。
　　2.2 特征
　　从变形特征看,热应力所引起的变形,往往使钢件趋向“腰鼓”形状,即直径变大、长度缩小,变形趋于球形化。组织应力所引起的变形总的趋势是体积膨胀,立方体形件,各面倾向于凹入变形,长的圆柱件,直径缩小、长度伸长;圆盘形件直径增大、厚度减小。对于小型的碳钢模具,热处理变形有如下规律:
　　2.2.1 型腔的变形与其形状有关,一般表现为型腔长尺寸方向是胀大的短尺寸方向是缩小。
　　2.2.2 模具内孔在φ10mm以下,一般淬火后内孔要胀大,如果内孔在φ10mm以上,则淬火后内孔缩小。
　　2.2.3 模具壁厚较薄时(一般不超过10mm),淬火后型孔尺寸都要胀大。若壁厚在10～20mm之间,淬火后型腔尺寸就缩小。
　　2.2.4 型腔尺寸小于壁厚时,淬火后型腔缩小;若型腔尺寸大于壁厚时,如果模具的外形是圆的,淬火后型腔要膨大;若型腔和模具外形都是长方型,则淬火后型腔要缩小。
　　
　　3 热处理变形控制措施
　　影响钢件热处理变形的因素很多,如钢材的化学成分;淬火前的基体组织和应力状态;工件的几何形状;热处理工艺参数等。若上述诸因素中,只考虑热处理工艺参数,其余因素已经确定,视为常量,油淬时碳素钢工件皆为“热应力”型变形。合金钢淬透性好,在淬得正常硬度和一定深度的情况下可获“组织应力”型变形。
　　3.1 控制尺寸变化的措施
　　尺寸变化是随着淬火或者回火使组织变化而引起的,可采取较合理的处理方法使变化减轻。
　　3.1.1 膨胀是因马氏体,收缩是因奥氏体而发生的,若使马氏体量与被固溶于马氏体中的碳量减少,或者增加残余奥氏体量皆可减轻膨胀变形。但残余奥氏体量若过多,又将引起体积收缩或引起放置变形。
　　3.1.2 增加未固溶碳化物,减小马氏体正方度,可适当降低淬火温度或减少温度时间。
　　3.1.3 增加马氏体以外的组织,如利用等温热处理,使其获得50%马氏体+50%贝氏体,可减少尺寸变化。
　　3.2 正确选择模具钢材
　　钢材的冶金质量事关重要。正确选择模具钢材，是减少冲模热处理变形的关键因素之一。选材的主要依据是模具零件的工作条件、生产批量及材料的工艺性，尤其是热处理工艺性良好，并兼顾经济性。对于形状复杂、厚薄悬殊的冲模工件零件，
　　应选用高淬透性的合金工具钢。通常，合金工具钢（C r12）比碳素工具钢(T10A) 热处理变形量小得多。此外，应使模具的主应力方向和钢材中碳化物的纤维方向垂直，可减少热处理变形。
　　3.3 防止形状变化的措施
　　形状变化是由组织应力与热应力综合作用所产生的,要防止发生形状变化,最重要的是应尽量减少应力的存在。
　　3.3.1 淬火前予先除去加工应力,于450～600℃去应力退火。
　　3.3.2 为防止“自重下垂”,应注意工件在炉内的放置方法,最好于盐炉中作垂直挂吊式加热,若水平放置时,其支持台之间间隔须在工件直径的三倍以内,即L≤3d。
　　3.3.3 实施压力淬火或压模淬火。
　　3.3.4 使工件各部均匀,如在有孔工件钻孔或填孔,在较薄部位涂上石棉或粘土使工件均匀化。
　　
　　4 操作实例
　　在热处理工艺方面,可采用控制钢的基体组织、控制淬火温度与冷却速度,或采用冷处理控制马氏体与残余奥氏体相对量,使之趋向“临界状态”,从而尽可能减少热处理变形量。下面介绍我们为控制模具变形所采取的工艺措施。
　　4.1 CrWMn钢制凹模,要求硬度HRC58～62
　　锻件球化退火,使其获得碳化物均匀分布的球状珠光体。淬火前于600℃去应力退火2小时,淬火加热温度830℃,分别淬入25℃机油,150℃硝盐中等温,其变形情况如表1。由表1可知,硝盐等温淬火可有效地减小变形。
　　4.2 碳素工具钢(T8A)制凹模(160×42×30),要求硬度HRC46～50
　　锻件经等温退火,获得球状珠光体组织,淬火前于500℃去应力退火1.5小时,于780℃加热作碱浴160℃等温淬火,变形情况见表2。由表2可知,硝盐等温淬火与淬油相比可有效的减小变形。
　　
　　5 结论
　　热处理是模具制造过程中不可缺少的加工工艺之一，它对模具的质量和成本有很大的影响，是提高模具使用寿命的重要措施之一。变形与开裂是模具热处理中的两大难题，其产生的原因是复杂的，但是只要掌握其规律，对其进行认真的分析和研究，对症下药，模具的变形是可以减少，且其开裂也是可以控制的。
　　
　　参考文献
　　[1]朱三武.模具热处理技术的现状及走势[J].模具技术,2005,(10).

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