论文部分内容阅读
【摘 要】介绍碳钢模具制造原热处理工艺过程和改进后的热处理工艺，对工具钢模具利用定型处理作为预备的热处理，控制了模具的变形和简化加工工序，缩短生产周期提高寿命进行了重点论述。
【关键词】碳钢模具；热处理变形；改进后的热处理工艺
1 概述
众所周知，碳钢模具热处理变形受诸多因素的影响。从原材料到模具成品各个环节都可能对最终的热处理变形造成一定的影响。诸如：工具钢材料，原始组织，预备热处理，结构设计，加工工艺，热处理工艺，装料方式，热处理设备及淬火介质等，因篇幅所限，在此仅谈一下碳素工具钢模具热处理变形的影响，其他因素在此暂不论述。
模具在使用过程中容易产生变形和开裂，使用期短，是影响生产的一个重要问题。通过这几年来的生产实践，我们初步掌握了模具使用寿命的好坏，直接同热处理工艺有关。我们对模具热处理进行研究攻关，找出了碳素工具钢模具在热处理过程中的变形规律及控制措施，基本上避免了热处理后严重变形和开裂的现象，有效保证了模具的使用性。
2 碳素工具钢模具的热处理变形
经实际观察，模具在热处理后的变形有以下现象：模具壁厚在10mm以下，淬火后型腔尺寸一般是胀大，模具壁厚在10mm以上，20mm以下，淬火后型腔尺寸一般是缩小。型腔尺寸与壁厚之间对变形有很大影响，型腔尺寸小于壁厚尺寸时，淬火后型腔缩小；型腔尺寸大于壁厚尺寸时，如果外形是园形，一般是胀大，若外形和型腔均为长方形，淬火后形腔尺寸缩小。若模具内孔在φ10mm以下，淬火后内孔胀大；若在φ10mm以上，则淬火后内孔缩小。此外，型腔的变形情况与型腔的形状有关，一般型腔长尺寸方向胀大，短尺寸方向是缩小。
3 碳素工具钢模具热处理工艺的改进
模具热处理变形和开裂与模具制造过程有着密切的关系，特别是热处理规范及操作的影响尤为重要。过去一般模具制造工艺过程如图1所示。
图1 一般模具制造热处理工艺过程
根据热处理的基本原理及生产实践，我们反复试验改进创新了模具热处理工艺，获得非常理想效果。如图2所示。
图2 碳素工具钢模具改进创新的热处理工艺过程
3.1 预备热处理
碳素工具钢模具坯料退火和机械加工成形之后，常带有一定的机械加工应力，其金相组织为片状珠光体，一般采用调质热处理为最后处理做准备。在实际生产中，我们采用定型处理代替调质处理，同样可以消除机械加工时的应力，并使退火后的片状珠光体部分球化，并且定型处理与调质处理对最后处理的变形影响相近。如外形尺寸60mm×82mm×12mm的模具，分别采用调质及定型处理之后，进行同样的淬火工艺，其型腔尺寸的变化如表1所示
注：淬火在水中冷却4S后油冷，硬度值为62-64HRC。
实践证明，对小型模具用定型处理取代调质处理是完全可行的，在保证同样的变形量的情况，简化了预备热处理工序。定型处理是在退火并经粗、精加工之后进行，对型腔简单或比较复杂的小型模具均可采用。定型处理是在缓慢加热及冷却条件下完成，有足够长的保温时间，可以消除机械加工应力，且不至于产生像调质处理中可能发生的变形和应力。
3.2 最后热处理
（1）淬火冷却工艺
模具在淬火过程中影响变形和开裂的主要原因是冷却，因此必须控制冷却速度及冷却时间。模具淬火多采用水淬油冷，用10%NaCl水溶液及2号锭子油为冷却介质。
由水到油的淬火操作是很难掌握的，稍有出入就会导致模具开裂或达不到硬度要求，所以应根据零件有效厚度控制在水中的冷却时间。我们是按每3.5～5mm在水中冷却1s计算（S表示冷却时间），表2是55mm×55mm×25mm的模具在盐水中冷却7s（3.5～4mm冷却1s）及5s（5mm冷却s）时，所得到的淬硬层和硬度基本一样；在盐水中冷却4s（6.2mm冷却1s），则淬硬层较浅，表层硬度稍高。
此外，在盐水中的冷却时间对模具的变形有很大影响。例如：φ75mm×φ17mm带中心孔的Y8A钢模具，在780℃淬入盐水中不同时间后，在油中冷却14s后取出空冷至室温，其变形情况见表3。在盐水中的冷却时间按每3.5mm-4mm冷却1s计算时，变形量最小，冷却时间过长或过短均导至较大变形。
（2）配模淬火冷却及回火
为了挖制形状复杂，要求严格的模具变形，可以在淬火油冷过程中，将凸模压入凹模之内，进行配模冷却，如厚15mm的模具，在水中冷却3s后转入油中冷却12s，即将凸凹模配合在一起再入油中继续冷却。
配模冷却出油后，在10min内及时进行回火，回火保温时间1～1.5h。回火时间太短不能完全消除应力，组织也不稳定，并且取出凸模后，凹模还会变形。回火后必须空冷到室温才能取出凸模。一些要求硬度较低的凸模，回火温度较高，型腔尺寸可能要胀大。配模冷却及回火不仅可以避免碳钢小型模具的变形和开裂，复杂的模具可控制变形量在±0.02mm范围内。
4 结语
（1）小型碳素工具钢模具采用定型处理作为预备的热处理，可简化加工工序，缩短生产周期，提高模具寿命。
（2）根据模具厚度控制在水中淬火冷却的时间，对于厚度小于20～30mm模具按每4～5mm在盐水中冷却1s计算，能够保证得到满意的淬硬层深度及表面硬度。
（3）采用配模淬火时，油冷及回火方法，能控制变形量在±0.02mm范围以内，对于型腔状复杂及简单的模具都容易掌握。
（4）近几年来，通过国内国外工程多项模具使用表明，采用新的热处理工艺制造的模具不变形不开裂而寿命长。比过去的使用寿命增长几倍到十几倍。为我厂提高了生产效率和经济效益，值得广泛推广。
【关键词】碳钢模具；热处理变形；改进后的热处理工艺
1 概述
众所周知，碳钢模具热处理变形受诸多因素的影响。从原材料到模具成品各个环节都可能对最终的热处理变形造成一定的影响。诸如：工具钢材料，原始组织，预备热处理，结构设计，加工工艺，热处理工艺，装料方式，热处理设备及淬火介质等，因篇幅所限，在此仅谈一下碳素工具钢模具热处理变形的影响，其他因素在此暂不论述。
模具在使用过程中容易产生变形和开裂，使用期短，是影响生产的一个重要问题。通过这几年来的生产实践，我们初步掌握了模具使用寿命的好坏，直接同热处理工艺有关。我们对模具热处理进行研究攻关，找出了碳素工具钢模具在热处理过程中的变形规律及控制措施，基本上避免了热处理后严重变形和开裂的现象，有效保证了模具的使用性。
2 碳素工具钢模具的热处理变形
经实际观察，模具在热处理后的变形有以下现象：模具壁厚在10mm以下，淬火后型腔尺寸一般是胀大，模具壁厚在10mm以上，20mm以下，淬火后型腔尺寸一般是缩小。型腔尺寸与壁厚之间对变形有很大影响，型腔尺寸小于壁厚尺寸时，淬火后型腔缩小；型腔尺寸大于壁厚尺寸时，如果外形是园形，一般是胀大，若外形和型腔均为长方形，淬火后形腔尺寸缩小。若模具内孔在φ10mm以下，淬火后内孔胀大；若在φ10mm以上，则淬火后内孔缩小。此外，型腔的变形情况与型腔的形状有关，一般型腔长尺寸方向胀大，短尺寸方向是缩小。
3 碳素工具钢模具热处理工艺的改进
模具热处理变形和开裂与模具制造过程有着密切的关系，特别是热处理规范及操作的影响尤为重要。过去一般模具制造工艺过程如图1所示。
图1 一般模具制造热处理工艺过程
根据热处理的基本原理及生产实践，我们反复试验改进创新了模具热处理工艺，获得非常理想效果。如图2所示。
图2 碳素工具钢模具改进创新的热处理工艺过程
3.1 预备热处理
碳素工具钢模具坯料退火和机械加工成形之后，常带有一定的机械加工应力，其金相组织为片状珠光体，一般采用调质热处理为最后处理做准备。在实际生产中，我们采用定型处理代替调质处理，同样可以消除机械加工时的应力，并使退火后的片状珠光体部分球化，并且定型处理与调质处理对最后处理的变形影响相近。如外形尺寸60mm×82mm×12mm的模具，分别采用调质及定型处理之后，进行同样的淬火工艺，其型腔尺寸的变化如表1所示
注：淬火在水中冷却4S后油冷，硬度值为62-64HRC。
实践证明，对小型模具用定型处理取代调质处理是完全可行的，在保证同样的变形量的情况，简化了预备热处理工序。定型处理是在退火并经粗、精加工之后进行，对型腔简单或比较复杂的小型模具均可采用。定型处理是在缓慢加热及冷却条件下完成，有足够长的保温时间，可以消除机械加工应力，且不至于产生像调质处理中可能发生的变形和应力。
3.2 最后热处理
（1）淬火冷却工艺
模具在淬火过程中影响变形和开裂的主要原因是冷却，因此必须控制冷却速度及冷却时间。模具淬火多采用水淬油冷，用10%NaCl水溶液及2号锭子油为冷却介质。
由水到油的淬火操作是很难掌握的，稍有出入就会导致模具开裂或达不到硬度要求，所以应根据零件有效厚度控制在水中的冷却时间。我们是按每3.5～5mm在水中冷却1s计算（S表示冷却时间），表2是55mm×55mm×25mm的模具在盐水中冷却7s（3.5～4mm冷却1s）及5s（5mm冷却s）时，所得到的淬硬层和硬度基本一样；在盐水中冷却4s（6.2mm冷却1s），则淬硬层较浅，表层硬度稍高。
此外，在盐水中的冷却时间对模具的变形有很大影响。例如：φ75mm×φ17mm带中心孔的Y8A钢模具，在780℃淬入盐水中不同时间后，在油中冷却14s后取出空冷至室温，其变形情况见表3。在盐水中的冷却时间按每3.5mm-4mm冷却1s计算时，变形量最小，冷却时间过长或过短均导至较大变形。
（2）配模淬火冷却及回火
为了挖制形状复杂，要求严格的模具变形，可以在淬火油冷过程中，将凸模压入凹模之内，进行配模冷却，如厚15mm的模具，在水中冷却3s后转入油中冷却12s，即将凸凹模配合在一起再入油中继续冷却。
配模冷却出油后，在10min内及时进行回火，回火保温时间1～1.5h。回火时间太短不能完全消除应力，组织也不稳定，并且取出凸模后，凹模还会变形。回火后必须空冷到室温才能取出凸模。一些要求硬度较低的凸模，回火温度较高，型腔尺寸可能要胀大。配模冷却及回火不仅可以避免碳钢小型模具的变形和开裂，复杂的模具可控制变形量在±0.02mm范围内。
4 结语
（1）小型碳素工具钢模具采用定型处理作为预备的热处理，可简化加工工序，缩短生产周期，提高模具寿命。
（2）根据模具厚度控制在水中淬火冷却的时间，对于厚度小于20～30mm模具按每4～5mm在盐水中冷却1s计算，能够保证得到满意的淬硬层深度及表面硬度。
（3）采用配模淬火时，油冷及回火方法，能控制变形量在±0.02mm范围以内，对于型腔状复杂及简单的模具都容易掌握。
（4）近几年来，通过国内国外工程多项模具使用表明，采用新的热处理工艺制造的模具不变形不开裂而寿命长。比过去的使用寿命增长几倍到十几倍。为我厂提高了生产效率和经济效益，值得广泛推广。