热处理工艺在模具制造过程中的应用

摘要：在模具制造过程中，需要使用热处理工艺保证模具的性能。热处理工艺可以影响模具的制造精度、性能、使用寿命及其制造成本。因此，为保证模具质量、稳定成本，本文对热处理工艺在五金模具制造过程中的应用进行了详细思考。关键词：热处理；模具；制造在模具制造过程中，往往需要对模具零件实施多样、复杂的机械加工或热处理工作，这些加工、制造工艺中影响模具整体质量最为主要的因素之一就是热处理工作，它贯穿了模具不同零件制造的整个实施过程。选择合适的模具材料、设计合理的模具结构等是为了保证模具的质量，而热处理工作则是保证模具零件的质量以及模具整体的工艺性能，所以说，使用合适的热处理工艺尤为重要。一、预备热处理在模具制造中的应用（一）球化退火该方式主要适合应用于合金工具钢或碳钢模具。这些钢材经轧制、锻造后空冷，其组织结构多为片层状珠光体和网状渗碳体，它有明显的脆硬性，故难以进行切削加工；如遇需淬火处理也容易产生变形和开裂。为改良其性能，可使用球化退火处理：将钢材加热到Ac1以上20~30摄氏度并保温一段时间后随炉缓冷至600~500后再空冷。经球化退火后组织会形成球状珠光体组织，此时渗碳体分散在铁素体的基体上起降低其脆硬性作用，以便进行机械加工。对于一些需要改善冷塑性变形的钢也可考虑采用球化退火方式。由于球化退火并不能完全消除网状碳化物，要解决问题，还需在球化退火前增加正火处理，将网状碳化物消除后才能维持正常运行[1]。笔者在实际应用中采用球化退火处理大型拉深模铸铁模架，一方面可以直接加工模架匹配其他零件，另一方面解决了在拉深传递压力时模架受压可能变形甚至开裂现象，排除了大型模架失效引致成本增加的风险。（二）去应力退火实际模具制造中常遇到一些容易塑性变形材料加工后零件留有残余应力，如焊接、电加工或铸造等，为了消除各种残余应力、改善机加工性能，笔者多采用应力退火处理，即将零件加温至400~550度2至4小时后空冷。它可以在不改变组织状态下去除内应力、减少零件开裂倾向，还可减低最终热处理时产生的变形量[2]，延长模具使用寿命。一般来说去应力退火处理温度越高越好，但对经过调质处理工作且需要实现氮化处理的模具温度则不应高于调质时的回火温度，否则会导致基体出现老化现象，反而降低模具使用寿命。实际应用中发现对模具零件退火时，应按模具形状的复杂程度、模具的尺寸设定不同参数，并安排粗加工或精加工后，以消除机械加工产生的内应力，减少热处理产生的淬火变形量，以保证延长模具的使用寿命[3]。（三）正火正火主要将工件加热到Ac3以上30~50摄氏度并保温一段时间，在炉中取出在空气中或喷水、吹风冷却的热处理工艺。它也是预备热处理，在模具制造工作中发挥重要作用。其一，它能改变低碳模具钢等的切削加工性能，尤其是一些低合金结构的材质，经退火处理到后期硬度会降低，切削加工容易粘刀，为解决这个问题一般需要采用正火，以改善切削加工性能。其二，它可消除碳模具钢热加工产生的缺陷，尤其是一些中碳结构的铸件、轧制件等，在加工后期，过热处理将产生魏氏组织等一些缺陷，此时需用正火对这些缺陷进行改良。正火处理不仅能达到晶粒细化工作，还能保证组织的均匀性。其三，它可消除共析模具钢的网状碳化物，提高球化退火质量。例如基于相关试验的分析，测定碳化物的成分、类型等各要素，采用正火工艺不仅改善了材料的使用性能，延长模具使用寿命，还有利于机械加工的完成，和笔者在实际应用所制模具效果相吻合。（四）调质调质处理就是淬火和高温回火的综合热处理，它能减少淬火的变形，稳定金相组织。在调质处理后，零件的综合性能比较好，对硬度、耐磨性要求不高的零件比较合适。例如对不锈钢制品切边模Crl2MoV失效零件进行组织、性能分析，并对其重新热处理，发现Crl2MoV钢因含碳量较高在球化退火时容易出现球化大小不一效果，预备热处理采用调质代替球化退火其优势更明显。采用调质处理不仅能改变碳化物的形态，还能提高模具的强韧性，经调质后材料的冲击韧度、抗弯强度都得到提高。笔者在实际应用中用45钢调质后制作不锈钢制品浅成型模具，使用效果理想。实施调质处理一般需要在粗加工后、半精加工前完成[4]。二、最终热处理在模具制造中的应用（一）淬火淬火是将模具钢等材料加热至Ac3或Ac1以上温度，保温一段时间，并根据模具的钢种或零件需求将其浸入对应介质实现快速冷却以提高其强度、硬度、耐磨性等的热处理工艺。模具钢淬火时需要分析加热温度、保温时间时间以及冷却的介质，这些要素与加热设备、模具钢成分以及热处理的要求存在较大关系，选择正确的参数，可保证其硬度和金相组织达到要求，进而减少零件变形、产生缺陷等。例如实际应用时，制作加工硬化明显的不锈钢制品的冲孔模，可采用低温淬火工艺以得到较强的耐磨性，有利于提高模具使用寿命。一般淬火后期由于材料的塑性和韧性也逐渐下降，受内应力大、组织不稳定等问题的影响，可能会导致表面产生裂纹，影响工件尺寸准确度，因此，淬火后还可增加回火处理[5]。（二）回火回火主要是将淬火处理后的零件重新加热到Ac1温度以下1到2个小时后再冷却至室温的热处理工艺。回火与淬火互相配合通常都是热处理的最后一个环节。模具零件回火加工后其组织结构不仅更稳定、韧性与塑性得到提高，还可以减少或消除淬火产生的应力，这有利于保持模具形状、尺寸的稳定性，减少因淬火产生的变形与开裂现象。若采用高温回火则适合应用于受力结构件，有利于切削加工性能的稳定。回火多是淬火完成后的紧接工序，对模具钢的回火参数是根据模具的零件要求、性能决定的。随着温度的不断变化，实现低温、中温、高温。对于低温回火，温度在250摄氏度以下，在保持高硬度条件下，能将降低淬火应力，提高模具的耐磨性。对于中温回火，其回火的温度在300摄氏度到500摄氏度之间，能够提高淬火钢的强度和弹性，在冲孔模冲针零件中使用较多。对于高温回火，其温度在600摄氏度以上，能够令模具钢得到较高的强度、韧性，调整最佳参数配合能够保证模具钢调质处理工作的有效完成[6]。（三）表面强化工艺在模具制造中的应用表面强化处理是为了改变模具表层的组织成分，低成本地提高其表面硬度，延长模具使用寿命，也改善模具整体性能，充分发挥材料利用潜力，有效扩展其使用范围。表面强化的方法多种多样，最常见有金属表面淬火、化学渗碳渗氮、表面覆层强化等。笔者经验：不锈钢水槽加工尺寸精度不算高，可选取价格较低的45钢用作拉深凸模、成型凸凹模，为防止不锈钢塑性变形时容易对模具表面造成磨损，遂分别采用表面镀Cr、渗碳工艺解决了关键零件容易磨损问题。在近几年，激光表面强化技术和物理气相沉积技术也相继应用起来。这些技术实现表面强化十分重要，不仅能提高涂层的硬度，减少摩擦系数，还能与基体更好融合，促进化学稳定性、耐磨性能的良好发展，更适合应用到尺寸精度要求高的不锈钢制品、小家电以及灯饰制品中，对现代化工业制造发展具有重要作用。总结：不同模具使用时的工作条件不同，对模具的材料、性能要求也不同。使用热处理工艺能将模具的作用充分发挥出来，延长模具使用寿