模具热处理常见变形原因及控制措施

房雲峰

摘要：主要分析模具热处理常见变形原因，从而为有需求的企业提供参考，同时提出控制模具热处理变形的具体措施，有利于企业完成模具的质量和成本控制工作。

关键词：模具;热处理变形;控制措施

模具是将金属、塑料、玻璃等原料通过锻压、冶炼、注塑、吹塑、挤出等方法成形为工件的基础工艺装备。工业生产中的许多工件都通过模具成形，它的生产制造水平已经成为评价一个国家制造业水平高低的重要指标。模具产品的材料和热处理工艺是影响模具使用寿命和质量精度的重要因素[1][2]。在生产实践中，模具的热处理变形普遍存在，影响模具的几何精度及模具工件间的配合精度。精度上的不匹配使模具产品在工作时极易报废，甚至出现安全事故，带来极大损失。

1 模具热处理常见变形原因

模具的热处理变形主要是由加热和冷却时产生的热应力、机械加工时产生的残余应力、组织转变时产生的组织应力所造成的。影响模具热处理变形主要有以下几个常见因素。

1.1 模具选材不适当

造成模具热处理变形的一个重要原因是模具工件材料的化学成分。模具在淬火时，组织将发生奥氏体向马氏体的转变，由于马氏体的密度低于奥氏体，所以组织转变后模具体积会膨胀。在模具回火时，使马氏体转变成回火托氏体、回火索氏体，比体积减小，从而导致模具体积减小。所以对于普通钢材来讲，碳含量起着较为重要的作用，碳含量越高，形成马氏体时的体积变化越大，热处理后模具的变形也就越大。比如，碳素工具钢比合金工具钢的热处理变形大。

1.2 模具结构设计不佳

模具热处理变形的另一个重要原因是模具结构设计不佳，体现在模具形状是否对称、模具的刚度以及模具的壁厚是否均匀等。例如，模具在热处理后由于其材料、形状和热处理工艺的影响会出现变形，本质原因是模具结构上存在有孔、槽类结构导致其截面积发生突变，或模具壁厚不均引起加热时受热不均匀等情况，使模具在淬火时各部位之间热应力和组织应力不同，进而各部位体积膨胀不均匀，所以最后表现为模具结构的宏观变化。除此之外，模具加工过程中因加工工艺问题，对加工困难部位、形状复杂结构大多采用镶件的手段完成，但也因此使模具结构发生了改变，导致内部残余应力失衡，因此需要采取适当的热加工工艺规程来消除内部残余应力、减少变形[3]。

1.3 模具毛坯锻造工艺不良

锻造過程不充分或选择了不恰当的锻造比对改善碳化物偏析和毛坯组织纤维流线的合理排列不利。例如，模具锻造时锻造变形量小容易导致模具最终球化组织球化不良、粗大不均，组织中存在网状偏析碳化物，这些碳化物将使模具在淬火后极易产生变形，严重时还会发生扭曲和开裂。

1.4 模具内部残余应力

模具在锻造和冷却过程中、各种机械加工过程中所产生的加工应力，以及模具的结构设计形状，如截面积突变、存在尖角等，将会使模具内部残余应力在热处理过程中得到释放，产生变形[4]。例如机加工时，刀具对模具有挤压作用，使模具内各部分金属产生了不均等的体积变化，进而产生了机械加工应力。

1.5 模具热处理规程

1.5.1 加热温度的影响

虽然提高淬火加热温度可以提高模具淬火后硬度，但奥氏体晶粒也会随着温度的升高而增大，降低模具力学性能，增加脆性，从而增加模具变形和开裂倾向。此外，淬火保温时间过长，也会使奥氏体晶粒过分长大。更严重的是，模具内晶粒大小不同时，会引起内部受力不均匀，导致应力集中，宏观表现为模具的脆性断裂。

1.5.2 淬火方法采用不当

模具在淬火过程中，温度升高太快或加热不均匀，将造成模具内部与环境存在较大温差，模具各部分热膨胀体积不同，使模具各部分的应力分布不均而产生变形。

淬火后的冷却过程也会对模具变形产生影响。冷却方法不合适会造成模具内各部分温度下降速率不同，产生较大温差，温差导致热应力的产生，由于模具内各部分之间的相互约束，使模具产生变形。

2 控制模具热处理变形的措施

在生产实践中，模具的热处理变形不可避免。模具变形轻则导致制件加工精度不符合预期，严重时甚至产生安全事故，因此模具的热处理变形一定要减少和控制。

2.1 模具合理选材

根据模具的具体应用场合，选择合适的材料。例如，选择淬透性较好的材料制造模具，可以得到较高的硬度和耐磨性，在比较缓和的冷却条件下就能满足硬度要求，且热处理变形小。此外，制造精密复杂模具时，应尽量采用碳化物偏析较小的微变形钢[5]。

2.2 合理设计模具结构

模具结构的不合理，如存在尖角，壁厚差较大等将会使模具在加热时受热不均匀，冷却时散热不均匀，因此产生内应力，造成模具变形。合理设计模具结构是控制模具热处理变形的重要措施之一。例如，对于模具中壁厚不均匀的地方，可以采用设置工艺孔的方法来降低因壁厚不均而造成模具热处理时变形的问题。对于模具中的尖角，要尽量改为圆角过渡，目的是减小应力集中。

2.3 严格控制毛坯质量

模具毛坯的质量，对于模具使用寿命和模具加工精度都有很大影响。例如模具工作部分零件，为了获得良好的硬度和耐磨性，大量使用高碳高铬钢，但其基体组织存在大量共晶网状碳化物，必须经过充分锻造来击碎网状碳化物并在锻造后及时退火，保证模具寿命。毛坯应避免存在偏析、脱碳、带状组织及碳化物分布不均等质量缺陷。

2.4 正确的锻造方式

模具毛坯在锻造时应保证一定的锻造比。对模具毛坯进行充分的锻造，并配合正火或球化退火等热处理工艺，可以消除模具组织内偏析网状碳化物，获得均匀、细小、圆滑的碳化物，使模具在后续热处理时产生较小的变形。

2.5 去除机械加工残余应力

模具淬火变形的控制还可以通过在切削加工后、淬火前进行去应力退火可来实现。在机械加工过程中，刀具挤入工件使工件产生塑性变形，进而产生加工应力，若不经过适当处理消除，则会在后续工件工作过程中与总应力叠加使模具变形，甚至开裂。在机械加工后进行去应力退火可以去除机械加工残余应力，并且退火温度越高，应力消除越彻底。

（下转第124页）2.6 制定合理的热处理工艺规程

2.6.1 采用预热、下限的淬火温度加热

对于一些形状复杂的精密模具和大型模具，通常进行预热处理。例如对于尺寸较大的5CrNiMo模具钢来说，由于导热性差，为了减少加热时产生的热应力，通常在进行热处理时先加热到500～600℃预热4h，可以减少淬火加热时模具表层与心部的温差，减小了热应力，进而达到控制模具热处理变形的目的。

其次，在确保模具质量和使用性能的前提下，采用下限淬火温度进行淬火可以减少相变时产生的残余应力，以减小模具的热处理变形。

2.6.2 冷处理

冷处理就是将淬火后的钢继续深冷至室温以下的方法。冷处理可使奥氏体进一步转变为马氏体，增加了模具钢的尺寸稳定性，减小变形。

2.6.3 多次回火

多次回火是使经过淬火后的工件进行多次、短时的回火。对于模具钢而言，多次回火可以消除淬火应力，消除残余奥氏体或降低其含量，且使马氏体更充分地转变为回火马氏体。

3 结语

模具在热处理过程中，变形是难以避免的，采取措施加以控制是减少经济损失和安全生产事故的重要途径。模具在工业生产中占据非常重要的地位，对于热处理后已经产生变形的模具，应细致检查其变形特点、分析產生原因，再结合模具本身状况和工作环境等选用适当的控制措施来加以减少或避免变形。

参考文献：

[1]Nesluan，Miroslav & Mrkvica，Ivan & Konderla，Ryszard & Cˇep，Robert & Kozak，Draan.（2011）.Deformations after heat treatment and their influence on cutting process.Tehnicki Vjesnik.18.

[2]Y.Toshioka.Heat treatment deformation of steel products[J].Y.Toshioka，2013，1（10）.

[3]胡光明.模具热处理开裂产生原因及应对措施分析[J].工程技术研究，2019，4（22）：144146.

[4]杨光龙.影响模具热处理变形因素及预防措施的研究[J].机械研究与应用，2016，29（01）：191192.

[5]任睿.浅谈精密模具的热处理变形及预防技术[J].科技创业家，2012（23）：167.