影响模具钢材热处理变形的因素-原始组织和应力状态

模具钢材工件淬火前的原始组织，例如，碳化物的形态、大小、数量分布，合金元素的偏析，锻造和轧制形成的纤维方向都对工件的热处理变形有一定影响。球状珠光体比片状珠光体比体积大，强度高，所以经过预先球化处理的模具钢材工件淬火变形相对要小。东莞市弘超模具科技有限公司实践证明，对于一些高碳合金工具钢，例如，9Mn2V、CrWMn和GCr15钢的球化等级对其热处理变形开裂和淬火后变形的校正有很大影响，通常以2.5～5级的球化组织为宜。调质处理不仅使模具钢材工件变形量的绝对值减小，并使工件的淬火变形更有规律，从而有利于对变形的控制。

东莞市弘超模具科技有限公司研究表明，条状碳化物分布对模具钢材工件的热处理变形有很大影响。淬火后平行于碳化物条带方向工件膨胀，与碳化物条带相垂直的方向则收缩，碳化物颗粒愈粗大，条带方向的膨胀愈大。对于Cr12类型钢和高速钢等莱氏体钢来说，碳化物的形态和分布对淬火变形的影响尤为显著。由于碳化物的热膨胀系数小，约为基体的70%。因而在加热时，http://www.hongchao-dg.cn沿条带状分布的碳化物方向上，膨胀较小的碳化抑制了基体的伸长，而冷却时，收缩较小的碳化物又会阻碍基体的收缩。由于奥氏体化加热温度较缓慢，碳化物对基体膨胀的抑制作用较弱，故条带状分布的碳化物对工件淬火加热变形的方向性影响较小；但在淬火冷却时，由于冷却速度快，碳化物对基体收缩的抑制作用增大，所以淬火后沿碳化物条带方向呈较大的伸长。

经过轧制和锻造的材料，沿不同的纤维方向表现出不同的热处理变形行为。根据碳的质量分数0.13%的碳素钢试样沿纤维方向（纵向）和垂直于纤维方向（横向）水淬后的尺寸变化涨可知。纤维方向不明显的正火态试样沿纵、横方向的尺寸变化差别较小；而退火态试样，有明显带状组织存在时，沿纤维方向和垂直于纤维方向的尺寸变化则显著不同。经不同锻造比锻造的Cr12型钢材，沿不同方向取样淬火处理后，测定的尺寸变化率随锻造比的变化。结果表明，锻造比较大，纤维方向明显时，沿纤维方向明显时，沿纤维方向的纵向试样尺寸变化率大于垂直于纤维方向的横向试样的尺寸变化率。

过共析钢存在网状碳化物时，在网状碳化物附近，碳和合金元素大量富集，在离网状碳化物较远的部位，碳和合金元素较低，结果增大了淬火组织应力，使淬火变形增大甚至开裂。因此，过共析钢的网状碳化物必须通过恰当的预先热处理予以消除。

另外，钢锭的宏观偏析常造成钢材横截面上的方形偏析，这种偏析往往造成圆盘状零件的不均匀淬火变形。总之，工件的原始组织愈均匀，热处理变形愈小，变形愈有规律，愈易于控制。

东莞弘超研发中心研究表明，淬火前工件本身的应力状态对变形有重要影响。特别是形状复杂，经过大进给量切削加工的工件，其残余应力若未经消除，对淬火变形有很大影响。用W18Cr4V钢制造的锥柄钻头，尺寸为φ50mm×350mm，淬火前经550～600℃×2h去应力退火处理，其淬火后变形降低到0.15～0.25mm。例如消除应力处理对渗氮镗杆变形的影响，镗杆尺寸为φ75mm×1930mm，一组镗杆进行两次消除应力处理，即第一次消除应力后进行精加工，然后再进行第二次消除应力处理；另一组镗杆切削加工后只进行一次消除应力处理应力处理，然后将两组镗杆渗氮，分别测量500mm长度内的变形量，结果如表1所示。

表1  消除应力处理对镗杆渗氮变形的影响
序号 消除应力次数 消除应力工艺参数 弯曲变形/mm
  设备 加热温度/℃ 加热时间/min 保温时间/h 冷却时间/h 头部 中间 尾部
1 1 盐浴炉 630 40～45 4 3～4 0.045 0.075 0.05
 2 盐浴炉 600 40～50 4 3～4  
2 1 盐浴炉 620 40～50 5 3～4 0.18 0.06 0.13
3 1 盐浴炉 620 40～50 8 3～4 0.08 0.07 0.11

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资料来源：东莞市弘超模具科技有限公司 研发中心
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