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模具钢硬度对照表,热处理过程中模具变形的分析及预防

发布日期:2021-12-07 11:35:20浏览次数:

  模具钢硬度对照表,热处理过程中模具变形的分析及预防

  

  模具钢硬度对照表,在模具的热处理过程中,特别是淬火过程中,模具截面各部分加热和冷却速度不一致造成的温差,以及结构转变的时间不相等,使模具截面各部分的体积膨胀和收缩不均匀,结构转变不均匀,从而引起“结构应力”和模具内外温差引起的热应力。当内应力超过模具的屈服极限时,会引起模具变形。

  

  通过研究精密复杂模具的变形状况和原因,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。

  

模具钢

  一、模具材料的影响

  

  1.模具材料选择

  

  考虑到选材和热处理的方便性,某机械厂选用T10A钢制造截面尺寸差异大、淬火后变形小的复杂模具,硬度56-60HRC。热处理后,模具硬度符合技术要求,但模具变形过大,无法使用,导致模具报废。后来工厂用的是微变形钢Cr12模具钢,热处理后的模具硬度和变形量符合要求。

  

  因此,为了制造要求小变形的精密复杂模具,应尽量选择微变形钢,如空气淬火钢。

  

  2.模具材料的影响

  

  Cr12MoV模具钢是一种圆孔小于60 mm的复杂模具,经热处理后,模具部分圆孔呈椭圆形,导致模具报废。

  

  一般来说,Cr12MoV模具钢为微变形钢,不应有大的变形。通过对变形严重的模具进行金相分析,发现模具钢中存在大量共晶碳化物,呈带状和块状分布。

  

  (1)模具椭圆度(变形)的原因这是因为模具钢中存在沿一定方向分布的不均匀碳化物。碳化物的膨胀系数比钢基体组织的膨胀系数小30%左右。加热时防止模具内孔膨胀,冷却时防止模具内孔收缩,造成模具内孔变形不均匀,模具圆孔椭圆。

  

  (2)注意事项①制造精密复杂模具时,尽量选择碳化物偏析小的模具钢,不要试图廉价,而要选择小钢厂生产的材质差的模具钢。②碳化物偏析严重的模具钢应合理锻造,使碳化物块破碎,降低碳化物分布不均匀的等级,消除性能的各向异性。③锻造模具钢应调质处理,获得碳化物均匀、细小、分散的索氏体组织,以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、棱角圆润,达到减少模具热处理变形的目的。

  

  二、模具结构设计的影响

  

  有些模具选材和钢料都很好,往往是因为模具结构设计不合理,如棱角薄、尖角、沟槽、台阶突兀、厚度悬殊等,导致模具热处理后变形大。

  

  1.变形原因

  

  由于模具各部位厚度不均匀或圆角尖锐,淬火时模具不同部位之间的热应力和结构应力不同,导致各部位体积膨胀不同,淬火后模具变形。

  

  2.预防措施

  

  在设计模具时,在满足实际生产需要的情况下,应尽量减少模具厚度的悬殊和结构的不对称。在模具厚度的交界处,应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,使模具不会因淬火后模具变形而报废。

  

  对于形状特别复杂的模具,可以采用送料结构,以保证淬火时冷却均匀。

  

  三、模具制造过程及残余应力的影响

  

  在工厂中,经常会发现一些形状复杂、精度要求高的模具在热处理后变形较大。经过仔细研究,发现模具在机械加工和最终热处理过程中没有经过任何预热处理。

  

  1.变形原因

  

  加工过程中的残余应力和淬火后的应力叠加增加了热处理后模具的变形。

  

  2.预防措施

  

  (1)粗加工后半精加工前,应进行一次应力消除退火,即将(630-680)℃×(3-4)h的炉冷却至500℃以下,出炉空冷,或可采用400℃×(2-3)h的应力消除处理。

  

  (2)降低淬火温度,降低淬火后的残余应力。

  

  (3)使用淬火油170?油风冷却(分级淬火)。

  

  (4)等温淬火可以降低淬火残余应力。

  

  以上措施可以降低模具淬火后的残余应力,减少模具变形。

  

  四、热处理和加热过程的影响

  

  1.加热速度的影响

  

  热处理后模具的变形一般认为是冷却造成的,这是不正确的。特别是对于复杂的模具,加工工艺的正确与否往往对模具的变形有很大的影响。对比一些模具加热技术,可以明显看出加热速度较快,往往会导致较大的变形。

  

  (1)变形的原因任何金属受热都会膨胀。由于模具钢在同一个模具中加热,各部分温度不均匀(即加热不均匀)必然会造成模具中各部分膨胀不一致,从而因加热不均匀而形成内应力。在模具钢转变点以下的温度下,不均匀加热主要产生热应力,而转变温度以上的不均匀加热也会产生结构转变的不同步,不仅产生结构应力。因此,加热速度越快,模具表面与型芯的温差越大,热处理后模具的应力越大,变形越大。

  

  (2)注意事项:当复杂模具加热到转变点以下时,应缓慢加热。一般来说,真空热处理的模具变形比盐浴炉小得多。?采用预热,一次性预热(550-620c);二次预热(550-620c 800-850c ).

  

  2.加热温度的影响

  

  一些厂家认为有必要提高淬火加热温度,以保证模具的高硬度。然而,生产实践表明这种方法是不合适的。对于复杂模具,加热和淬火也是在正常加热温度下进行,在允许上限温度下加热后的热处理变形远大于允许下限温度下的热处理变形。

  

  (1)变形的原因众所周知。淬火加热温度越高,模具钢的晶粒越大。因为较大的晶粒尺寸可以增加淬透性,所以淬火和冷却过程中产生的应力越大。此外,由于大多数复杂模具由中高合金钢制成,如果淬火温度高,显微组织中的残余奥氏体量会由于低Ms点而增加,这将增加模具在热处理后的变形。

  

  (2)注意事项:在保证模具技术条件的情况下,合理选择加热温度,尽量选择较低的淬火加热温度,以降低冷却时的应力,从而减少复杂的热处理变形。

  

  五、残余奥氏体的影响

  

  一些高合金模具钢,如Cr12MoV钢模具,经低温淬火回火后,长度、宽度、高度都有所减小,这是淬火后残余奥氏体过多造成的。

  

  1.变形原因

  

  由于合金钢(如Cr12MoV模具钢)淬火后含有大量的残余奥氏体,模具钢中的各种组织具有不同的比容,奥氏体的比容最小,这是高合金钢模具在低温淬火回火后体积减小的主要原因。模具钢各种组织的比容按以下顺序递减: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。如前所述,淬火加热温度越高,残余奥氏体越大,因此选择合适的淬火加热温度是降低模具收缩率的重要措施。一般在保证模具技术要求的情况下,应考虑模具的综合性能,适当降低模具的淬火加热温度。

  

  (2)有数据显示,Cr12MoV钢模具淬火后,500?c回火是200?c回火时残余奥氏体量不足一半,因此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500?c回火模具变形最小,但硬度下降不大(2~3HRC)。

  

  (3)淬火后的冷处理是减少残余奥氏体量的最佳工艺,也是稳定使用过程中减少模具变形和尺寸变化的最佳措施。因此,精密复杂的模具一般应采用深冷处理。

  

  六、冷却介质和冷却方式的影响

  

  模具的热处理变形往往表现在淬火冷却后,受上述因素的影响,但在冷却过程中的影响不可忽视。

  

  1.变形原因

  

  当模具冷却到Ms点以下时,钢会发生相变,这是除了冷却不一致引起的早期热应力之外的相变引起的。

  

  冷却速度越快,冷却越不均匀,模具受力越大,变形越大。

  

  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。对于碳钢和低合金模具钢,可以进行预冷,直到边角变黑(720~760?c ).珠光体转变区过冷奥氏体稳定的钢种可预冷至700?c左右。

  

  (2)分级冷却淬火可以显著降低模具淬火过程中的热应力和微观组织应力,是减少一些复杂模具变形的有效方法。

  

  (3)对于一些精密复杂的模具,等温淬火可以显著减少变形。

  

  七、改进热处理工艺,减少模具热处理变形。

  

  无论采用哪种方法,模具淬火后的变形都是不可避免的,但可以采用以下方法来控制精密复杂的模具,严格控制变形。

  

  1、采用调质热处理

  

  对于基体硬度低、表面硬度高的精密复杂模具,粗加工后可采用淬火回火热处理,低温渗氮处理(500~550?c)由于模具渗氮温度低,基体组织没有相变,另外,炉内冷却至室温时,冷却应力较小,模具变形较小。

  

  2.采用预热处理。

  

  对于精密复杂模具,如果对硬度要求不太高,可以采用预淬硬钢(如3Cr2Mo、3CrMnNiMo钢)进行预热处理,使其达到使用中的硬度(较低的硬度为25~35HRC,较高的硬度为40~50HRC),然后不经热处理进行模具加工成型,以保证精密复杂模具的精度。

  

  3.采用时效硬化模具钢。

  

  时效硬化钢可用于精密和复杂的模具,如PMS(1Ni3Mn2CuA1。Mo)钢,是一种新型时效硬化模具钢,870年开始使用?固溶淬火后,C的硬度在30HRC左右,便于机械加工,然后是500?c左右,可获得40~45HRC的高硬度,模具变形小,只需抛光处理。是精密复杂模具的理想钢材。

  

  八、结论

  

  复杂模具变形的原因往往比较复杂,但只要掌握变形规律,分析原因,就可以采用不同的方法来减少和控制模具的变形。一般来说,可以采取以下措施来防止精密复杂模具的热处理变形。

  

  (1)合理选材。精密复杂模具应选用材质较好的微变形模具钢(如空气淬火钢),碳化物偏析严重的模具钢应合理锻造和调质,尺寸较大且不可锻造的模具钢可进行固溶双细化热处理。

  

  (2)模具结构设计要合理,厚度不宜过宽,形状要对称。对于大变形模具,应掌握变形规律,预留加工余量。对于大型、精密、复杂的模具,可采用组合结构。

  

  (3)精密复杂模具应进行预热处理,以消除加工过程中产生的残余应力。

  

  (4)对于精密复杂的模具,可以采用合理选择加热温度和控制加热速度、缓慢加热、预热等平衡加热方式,减少模具在热处理过程中的变形。

  

  (5)在保证模具硬度的前提下,尽可能采用预冷、分级冷却淬火或温淬火工艺。

  

  (6)精密复杂模具尽量采用真空加热淬火和淬火后深冷处理。

  

  (7)预热处理、时效热处理、调质渗氮热处理可用于控制某些精密复杂模具的精度。

  

  此外,正确的热处理工艺操作(如堵孔、扎孔、机械固定、适当的加热方法、正确选择模具在冷却介质中的冷却方向和移动方向等。)和合理的回火热处理工艺也能有效减少热处理时模具的变形。


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