热处理对模具的影响

热处理对模具失效的影响及对策

材料工程系 朱三武

摘要 模具作为昂贵的机械加工装备，如何减少损耗，延长其使用寿命，成为技术人员普遍面临的课题。本文就热处理对模具的影响提出一些个人看法，仅供大家参考。

关键词 模具 失效 热处理

一、模具失效的形式、原因及对策

二、热处理对模具失效的影响因素

由于模具是在极其恶劣的条件下服役，故模具要有足够的强度、韧性、抗摩擦性及咬合性能等。而上述性能的获得除与原材料、工作状况有关外，更重要的是通过热处理工艺改变金属组织及含量、结构、最大限度地提高模具的综合性能。而热处理又是依加热----保温---冷却三大隐蔽过程完成的。故影响质量的因素复杂。

1预处理

即模具毛胚的退火，调质及应力处理等。其目的在于消除金属残存的组织缺陷、应力等，形成有利于热处理及淬火的良好条件。该工艺温度、时间、及冷却工艺的正确与否，都对模具失效及质量做出反应。例：

T8A 钢制冲头 经碳化物微细化预处理后再加低温淬火+回火，可以减少冲头崩裂，使模具提高寿命10倍。

Cr12MoV 钢冷冲模 经高温奥氏体化退火+等温退火的预处理后，不但细化晶粒，消

除碳化物不均匀性，并使模具服役寿命提高1倍。

9SiCr 钢滚丝模 按常规处理，其晶粒度为8—9级，后经超细化预热处理可以达13~14级，抗弯强度及断裂强度分别提高30%和40%。可有效地防止早期失效，寿命可提高1倍。

2、淬火

由于加热温度较高，稍有不慎，即会发现晶粒粗大、氧化脱碳、强度、钢性不佳等。淬火中的快速冷却会形成应力隐患，导致模具在服役中早期失效。例：

4Cr5MoSiV 钢制铝合金压铸模，在使用2000余次时发生疲劳开裂，经检测发现模具表面强度为HRC40~44。心部为HRC43~44，且裂纹处有0.1mm 的贫碳区，呈粗针马氏体，故判为淬火温度过高，保护不良，表面脱碳所为。

反之，淬火温度过低，易出现网状铁素体，形成沿铁素体的脆性断裂，如铬钢冲头在服役中断裂，镜分析呈马氏+铁素体组织，即加热不足所为。

3. 回火

回火在于消除因力，获得合理的硬度，均匀而正确的金相组织，而应力消除程度又与温度、时间成正比关系。见图1：

下图2所示拉深零件，由于工作条件恶劣。

图1 回火温度与应力关系 图2 材料 Q235A

原为Cr12MoV 钢经淬火+回火常规热处理，温度要求HRC57，仅能拉深1000件即早期失效，后改为T10A 钢采用淬火+中温回火后硬度为HRC55。平均寿命达4000件，而后又改为380~400℃回火，使其硬度在HRC48，则寿命可达6000~8000件。

而Cr12MoV 钢制冲头，冲厚2.5mm 的钢板，常规淬火+210℃回火硬度降至HRC58~62，寿命仅有1000件，后采用中温410℃回火，硬度降至HRC57~59。不但克服了模具的早期失效，且冲件达到10000件，寿命提高10倍。

由此可见，回火温度和所获硬度对寿命有巨大影响，而且对应力的消除程度、变形等作出反映。

4。软点

淬火加热中，因温度不均匀、保护不良、严重氧化或冷却介质中的污染等，均可造成硬度不均，而使模具强度受损，在模具使用中将出现塌角、变形、掉块等弊病，这对冷镦模、剪切模和中模尤为重要。

5。硬化层

磨损失效除与模具硬度过低，或淬硬层过浅有关外，还与化学热处理硬化层有关，若热处理工艺不当，尤其是淬火温度、时间以及冷却介质能力和钢材选择等因素，均可影响淬硬度层导致刃口发钝、抗压强度下降、局部塌陷、变形等早期失效。

模具在渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗化学热处理中由于工艺或配方不适，操作不当也会出现渗层、硬化层不均或过浅等弊端，出现刃口不锋利、咬合、啃刃口、粘模、塌陷、氧化腐蚀和硬化层脱落等失效，严重影响模具的寿命。

三、防止模具失效的热处理对策

1、 服役中的低温去应力回火

模具在长期服役中，尤其是热作模具在巨大的冲压力和和温度的双重应力作用下，将发生不均匀的塑性变形及金属组织的变化，从而产生可观的内应力，当这种潜在应力聚集到极限时，金属将会出现开裂、崩块、变形等失效。故小于500g 的铝压铸模在使用1万次在模具服役一段时间后，应增加低温去应力回火处理，以防止早期失效。如100g 的铝压铸模在使用2.5万次，大于500g 的铝压铸模在使用500次后，进行低温去应力回火与未去应力回火者有明显不同，前者较后者早期失效的下降25%。

2、 精化热处理工艺

如φ175mm ×233mm 的3Cr2W8V 钢热压模冲头，其被冲压坯料要在900℃中加热后，置于4000KN 水压机中热压成形。原冲头热处理工艺如图3所示，，平均寿命仅有1200件，即以开裂和磨损的形式失效，后改为图4所示热处理工艺，其平均寿命提高64%，以热疲劳失效。

图3 图4

还有W18Cr4V 钢的电池冲压拉深模，原采用常规热处理工艺，仅能拉深锌筒2万件，表面因拉伤和脆断而失效。后改为图5复合热处理工艺后，单头可拉深6万件，双头达10万件以上，节约制模材料、工时，具有明显经济效益。

图5

3、增加调质工序

调质在模具加工中不仅是获得良好力学性能，改善切削性能的手段，更重要的在于能改善金属内部组织，获得均匀细小颗粒的碳化物，减少网状和带状碳化物偏析及其它缺陷等，这为模具成形后减少变形、防止开裂、减少应力、防止模具在热处理中及服役中的失效有一定作用，一般调质工序在下料→锻造→退火→粗加工成形→调质→精加工成形→淬火回火→

磨刃口→装配流程中，调质后的高温回火，由于不要求索氏体组织及性能，故回火温度可高于常温回火温度，以顺利地精加工成形。实践证明，经上述工艺流程的模具其变形量较小，即模具的最大变形发生在粗加工后、精加工成形前的调质中。

4、 合理锻造

在锻造中依据材料选择加热温度，方式及加热时间和锻造次数、停锻温度等，并应采取反复横向锻拔、镦拔和多项镦拔、扁方锻造以及对角锻造等，使残余网状、带状碳化物消除，碳化物级别＜2级。经锻造后的钢材流线应合理分布，流线平行于型腔短轴或垂直于型腔端面，呈幅射状以最大限度减少应力和隐患，防止模具早期失效。

5、 采用新钢种

模具用钢对其寿命影响甚大，因此选用一些具有良好的抗拉、抗弯强度和有较好淬透性的新型钢种对延长模具寿命有明显提高。

6、 正确的电加工及磨削

该工序也是产生应力叠加造成失效的原因之一，故正确的电加工、磨削工艺是防止模具失效的又一途径。

7、 改进模具设计结构

为减少模具在机加工、热处理及使用中的应力，模具在设计时应尽可能采取型腔对称法，截面均匀法、边孔最少法、尖角避免法及圆弧多用法的模具设计院原则。