模具热处理变形与开裂的预防措施
摘要：模具由于品种规格较多、形状复杂和表面粗糙度值低，因此其制造难度较大。模具热处理后产生的变形将严重影响模具的质量和使用寿命，一旦在热处理中开裂将造成模具的报废，因此，减少和预防模具热处理变形及避免其开裂是广大模具热处理工作者的重要研究课题。本文就模具在热处理过程中常见的变形与开裂缺陷进行简要阐述，分析其产生的原因，并提出预防措施。
模具主要是根据使用要求而设计的，其结构有时往往不能做到完全合理和均匀对称。这就要求设计师在设计模具时，在不影响模具使用性能的前提下，采取一些有效的措施，尽量注意到制造的工艺性、结构的合理性及几何形状的对称性。
应避免厚薄悬殊的截面、薄边及尖角。在模具的厚薄交界处应平滑过渡。这样能有效地降低模具截面的温差，减小热应力，同时也可减小截面上组织转变的不同时性，减小组织应力。图1所示为模具采用过渡圆角与过渡圆锥。
图1
图2 凹模的合理壁厚
对于有些实在无法保证截面均匀及对称的模具，应在不影响使用性能的前提下，变不通孔为通孔，或者适当增加一些工艺孔。
图3a所示为一型腔狭窄的凹模，淬火后会产生如虚线所示的变形。如设计时能增加2个工艺孔（如图3b所示），则减小了淬火过程中截面的温差，降低了热应力，使变形情况有了明显的改善。图4所示也是增加工艺孔或变不通孔为通孔的实例，可减小因厚薄不均而增大的开裂敏感性。
图 4
模具形状为开口或不对称结构时，淬火后应力分布不均匀，极易变形。所以一般易变形的槽形模具，应尽量在淬火前留筋，淬火后再切除，图5所示的槽形工件，原来淬火后在R处发生变形，经加筋（图5中阴影线部分）后，能有效地防止淬火变形。
图 5
对于形状复杂、尺寸>400mm的大型凹模及厚度小、长度大的凸模，最好采用组合式结构，化繁为简，化大为小，变模具内表面为外表面，不仅便于冷热加工。而且能有效地减小变形与开裂。设计组合式结构时，一般应在不影响配合精度的情况下按下列原则进行分解：（1）调整厚度，使截面相差悬殊的模具在分解后截面基本均匀。（2）在容易产生应力集中的地方分解，分散其应力，防止开裂。（3）配合工艺孔，使结构对称。（4）便于冷、热加工，便于拼装。（5）最为重要的是必须确保使用性。
图6 大型凹模
如图6所示为一大型凹模，若采用整体式结构，不但热处理有困难，而且淬火后型腔各处收缩不一致，甚至会引起刃口凹凸和平面扭曲，且在以后的加工中难以补救，因此，可采用组合式结构。按图6中虚线分为四块，经热处理后再拼装成型并磨削再配合，这不仅使热处理简化，而且解决了变形问题。热处理变形、开裂与所用钢材及其质量密切相关，因此应根据模具的使用性能要求。综合考虑模具精度、结构和尺寸大小，以及加工对象的性质、数量和加工方式等因素合理选用。一般模具若无变形和精度要求，则从降低成本方面考虑，可采用碳素工具钢；对于易变形、开裂件，可选用强度较高、临界淬火冷却速度较慢的合金工具钢；图7所示为一电子元件冲模。原用T10A钢，水淬油冷变形较大且易开裂，碱浴淬火型腔又不易淬硬。现改用9Mn2V钢或CrWMn钢，淬火硬度和变形都能符合要求。
图7 电子元件冲模
由此可见，当用碳钢制造的模具变形达不到要求时，改用9Mn2V钢或CrWMn钢等合金钢，虽然材料成本稍高，但解决了变形、开裂问题，总体来说仍是合算的。在正确选材的同时，还要加强对原材料的检验和管理，防止因原材料缺陷而导致模具热处理开裂。合理制定技术条件（包括硬度要求）是防止淬火变形、开裂的一条重要途径。局部硬化或表面硬化就可以满足使用要求的，尽量不要整体淬火。对于整体淬火模具，局部可放宽要求的，尽量不要强求一致。对于成本高或结构复杂的模具，当热处理难以达到技术要求时，应更改技术条件，适当放宽那些对使用寿命影响不大的要求，以免因多次返修而造成报废。
对于所选用的钢种，不能以其所能达到的最高硬度作为设计时规定的技术条件。因为最高硬度往往是用尺寸有限的小试样测得的，与实际尺寸较大的模具所能达到的硬度相差很大。由于追求最高硬度往往需要提高淬火冷却速度，从而增大淬火变形与开裂倾向，所以用较高的硬度作为技术条件，即使尺寸较小的模具也会给热处理操作带来一定的困难。总之，设计者应根据使用性能和选定的钢种，合理地制定切实可行的技术条件。此外，在对所选定的钢种提出硬度要求时，还应避开产生回火脆性的硬度范围。
正确处理机械加工与热处理之间的关系，合理安排工艺流程，使冷、热加工密切配合是减小模具热处理变形的有效措施。有些模具的变形，单从热处理的角度来考虑是无法解决问题的，但如转换思维方式，从整个工艺流程着手，往往能收到意想不到的效果。图8所示是一半圆形模具，由于形状不对称，淬火时会产生显著的扭曲变形。如在淬火前加工成整体的圆环，等热处理后再用锯片砂轮将其切成两件，则不但降低成本，还可以减少变形。
图8 半圆形模具
热处理时难免会有变形，如能掌握其变形特点，合理地预留加工余量，不但可简化热处理操作，还能减少随后的机械加工，特别是磨削加工的工作量。图9所示为一个45钢的成型模，热处理后内孔会趋向胀大，故机械加工时，应预先留出负公差，使热处理后符合设计要求。对于那些事先无法预料变形大小和方向的模具，则可在型腔未加工到设计尺寸前，进行一次试淬，根据其变形特点，留出相应的机械加工余量。
图9 成型模
对于精密模具，因其切削加工或磨削加工产生的应力会引起变形与开裂，故如在工艺流程中增加去应力退火或时效处理，往往能显著减少变形并防止开裂。例如，对于细长轴类及形状复杂的模具，在粗加工成型后进行一次去应力退火，以消除切削加工应力，这对减少淬火变形十分有效。再如，对于一些需要精磨的模具，在热处理并粗磨后，可安排一道时效处理工序，用以消除磨削应力，稳定尺寸，防止发生变形及开裂。
钢中的带状组织和成分偏析往往会造成模具的不均匀变形，淬火前的基体组织状况也会影响模具淬火前后的比体积差。在一定条件下，钢中原始组织的好坏成为影响热处理变形的主要因素。为了减小淬火变形，除了在淬火过程中采取有效的措施外，还应适当控制淬火前钢中的组织。
实践证明，合理进行锻造是减小热处理变形，保证模具有较高寿命的关键。对合金钢（如CrWMn,Cr12和Cr12MoV钢）尤其重要。这类钢能实现低变形的前提是经充分锻造，使钢内部碳化物偏析程度达到最小，因此必须在以下5个环节中正确控制锻造过程：（1）锻造方法 需经多次锻造后成形，一般高合金钢不少于三次，以保证碳化物破碎并均匀分布。（2）锻造比 要有一定的锻造比，如高合金钢总锻造比一般为8-10.（3）加热速度 缓慢升温到800℃左右，而后再缓慢加热到1100-1150℃。在加热过程中，应将毛坯经常翻转，力求加热均匀、烧透。（4）控制终锻温度 终锻温度过高，晶粒易长大，性能变差(终锻温度过低，塑性降低，易形成带状组织，还易断裂。瑞典SSAB钢铁集团研发的预硬工具钢TOOLOX拓达钢具备全球领先的冶炼和热处理技术，超级纯净、均匀，预硬化无需再处理（全球最硬的预硬工具钢），极少的残留应力几乎不变形，尺寸稳定性高，瑞典皇家工学院堪称韧性与强度的完美结合，每一件钢材出厂都100%经过严谨的品质检验，是全球唯一一个把机械性能100%检测并标注于质保书的钢厂，并有独一无二的身份ID，加上总代理腾鸿杰公司的ERP系统，任意钢材到经销商、客户都可溯源、完整保障！模具变形与开裂不仅与淬火过程中产生的应力有关，而且与淬火前的原始组织和残余内应力有关。因此，必须对模具毛坯进行必要的预先热处理。一般来说，用T7和T8钢制造的尺寸较小的模具，在淬火时体积容易胀大，如预先进行调质处理，获得比体积较大的回火索氏体组织，则可减小淬火变形。而用高碳钢T10和T12钢等制造的尺寸较大的模具，淬火时体积容易收缩，则应采取球化退火，可取得比调质处理更好的效果。
对于低合金工具钢，在机械加工后安排一次调质处理，使合金碳化物均匀分布，对改善组织和消除锻造及原始组织的不良影响有着较好的效果。调质处理可得到分布均匀的碳化物和细粒状索氏体组织，增大了原始组织的比体积，既能提高钢的力学性能，又有利于减小变形。对于高合金工具钢（$如高铬钢）模具，经过调质后，淬火时将发生不同程度的收缩，所以如将调质中的高温回火改为退火处理，淬火后可获得较好的效果。合金结构钢采用预先调质处理能得到较高的硬度，且可减小淬火时的比体积变化，有利于减小淬火变形与开裂。采用低温退火消除模具的冷加工应力较调质处理简单，周期较短，氧化少，且不同材料可采用相同的工艺处理。为了消除因锻造不良而产生的网状碳化物，增加淬透层深度，可采用正火处理。综上所述，各种预先热处理都应按照模具的胀缩规律，预先调整原始组织和消除机械加工应力，以减少变形和开裂。
为减少及预防工件淬火变形，除了合理地设计工件、选材、制定热处理技术要求，以及对工件毛坯正确进行热加工（铸、锻、焊）和预先热处理外，更为重要的是在热处理方面必须注意以下问题：在保证淬硬的前提下，一般应尽量选择低一些的淬火温度。但对于一些高碳合金钢模具（如CrWMn，Cr12Mo钢），可通过适当提高淬火温度来降低Ms点，增大残余奥氏体量，以控制淬火变形。另外，对厚度较大的高碳钢模具，也可适当提高其淬火温度来防止产生淬火裂纹。对易变形、开裂的模具，在淬火前还应先进行去应力退火。应尽量做到均匀加热，减少加热时的热应力。对于大截面、形状复杂、变形要求高的高合金钢模具，一般都应经过预热或限制加热速度。尽可能选用预冷淬火、分级淬火和分级冷却方式。预冷淬火对细长或薄模具的减少变形有较好的效果，对于厚薄悬殊的模具，在一定程度上可以起到减小变形的作用。对于形状复杂、截面相差悬殊的模具，采用分级淬火较好。如高速钢采用580-620℃分级淬火，基本上避免了淬火变形和开裂。正确选择工件淬入介质的方式，保证模具得到最均匀的冷却并沿最小阻力方向进入冷却介质，将冷却最慢的面朝着液体运动。当模具冷却至Ms点以下时，应停止运动。例如，厚薄不均匀的模具，应使厚的部分先淬入；截面变化大的工件，可通过增加工艺孔、预留加强肋、孔中塞堵石棉等方法来减少热处理变形；对有凹凸面或有通孔的工件，应使凹面和孔向上淬入，以便排出通孔内的气泡。
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。说明：以上部份信息来源于网络，如有涉及侵权，我们深感歉意，并立即处理！
