塑料模具零件的熱處理工藝

1、塑料模具零件的熱處理工藝選用不同品種鋼材作塑料模具，其化學成分和力學性能各不相 同，因此制造工藝路線不同；同樣，不同類型塑料模具鋼采用的熱處 理工藝也是不同的。本節(jié)主要介紹塑料模具的制造工藝路線和熱處理 工藝的特點。1. 塑料模具的制造工藝路線1.1低碳鋼及低碳合金鋼制模具例如，20, 20Cr, 20CrMnTi等鋼的工藝路線為：下料-鍛造模坯- 退火t機械粗加工t冷擠壓成形t再結晶退火t機械精加工t滲碳 -淬火、回火-研磨拋光-裝配。1.2高合金滲碳鋼制模具例如12CrNi3A, 12CrNi4A鋼的工藝路線為：下料鍛造模坯正火 并高溫回火機械粗加工高溫回火精加工滲碳淬火、回火研磨拋光-裝

2、配。1.3調(diào)質(zhì)鋼制模具例如，45, 40Cr等鋼的工藝路線為：下料-鍛造模坯-退火-機械 粗加工調(diào)質(zhì)機械精加工修整、拋光裝配。1.4碳素工具鋼及合金工具鋼制模具例如T7A T10A CrWMn 9SiCr等鋼的工藝路線為：下料鍛成模坯 球化退火機械粗加工去應力退火機械半精加工機械精加 工-淬火、回火-研磨拋光-裝配。1.5預硬鋼制模具 例如5NiSiCa , 3Cr2Mo (P20)等鋼。對于直接使用棒料加工的，因 供貨狀態(tài)已進行了預硬化處理，可直接加工成形后拋光、裝配。對于 要改鍛成坯料后再加工成形的，其工藝路線為：下料t改鍛t球化退 火-刨或銑六面-預硬處理(3442HRCt機械粗加工t去

3、應力退 火t機械精加工t拋光t裝配。2. 塑料模具的熱處理特點2.1滲碳鋼塑料模的熱處理特點1. 對于有高硬度、高耐磨性和高韌性要求的塑料模具，要選用滲 碳鋼來制造，并把滲碳、淬火和低溫回火作為最終熱處理。2. 對滲碳層的要求，一般滲碳層的厚度為 0.81.5mm當壓制含 硬質(zhì)填料的塑料時模具滲碳層厚度要求為 1.31.5mm壓制軟性塑 料時滲碳層厚度為0.81.2mm滲碳層的含碳量為0.7%1.0%為佳。 假設采用碳、氮共滲，那么耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化、防粘性就更好。3. 滲碳溫度一般在900920C，復雜型腔的小型模具可取 840 860 C中溫碳氮共滲。滲碳保溫時間為 510h，具體應

4、根據(jù)對滲層厚 度的要求來選擇。滲碳工藝以采用分級滲碳工藝為宜，即高溫階段900920 C以快速將碳滲入零件表層為主；中溫階段820840 C 以增加滲碳層厚度為主，這樣在滲碳層內(nèi)建立均勻合理的碳 濃度梯度分布，便于直接淬火。4. 滲碳后的淬火工藝按鋼種不同，滲碳后可分別采用：重新加熱 淬火；分級滲碳后直接淬火如合金滲碳鋼；中溫碳氮共滲后直接 淬火如用工業(yè)純鐵或低碳鋼冷擠壓成形的小型精密模具 ；滲碳后 空冷淬火如高合金滲碳鋼制造的大、中型模具。2.2淬硬鋼塑料模的熱處理1. 形狀比擬復雜的模具，在粗加工以后即進行熱處理，然后進行 精加工，才能保證熱處理時變形最小，對于精密模具，變形應小于 0.0

5、5%。2. 塑料模型腔外表要求十分嚴格，因此在淬火加熱過程中要確保 型腔外表不氧化、不脫碳、不侵蝕、不過熱等。應在保護氣氛爐中或 在嚴格脫氧后的鹽浴爐中加熱，假設采用普通箱式電阻爐加熱，應在模 腔面上涂保護劑，同時要控制加熱速度，冷卻時應選擇比擬緩和的冷 卻介質(zhì)，控制冷卻速度，以防止在淬火過程中產(chǎn)生變形、開裂而報廢。 一般以熱浴淬火為佳，也可采用預冷淬火的方式。3. 淬火后應及時回火，回火溫度要高于模具的工作溫度，回火時間應充分，長短視模具材料和斷面尺寸而定，但至少要在4060min以上。2.3預硬鋼塑料模的熱處理1. 預硬鋼是以預硬態(tài)供貨的，一般不需熱處理，但有時需進行改 鍛，改鍛后的模坯必

6、須進行熱處理。2. 預硬鋼的預先熱處理通常采用球化退火，目的是消除鍛造應 力，獲得均勻的球狀珠光體組織，降低硬度，提高塑性，改善模坯的 切削加工性能或冷擠壓成形性能。3. 預硬鋼的預硬處理工藝簡單，多數(shù)米用調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后獲得 回火索氏體組織。高溫回火的溫度范圍很寬能夠滿足模具的各種工作硬度要求。由于這類鋼淬透性良好，淬火時可采用油冷、空冷或硝鹽分級淬火。表3-27為局部預硬鋼的預硬處理工藝，供參考。表3-27局部預硬鋼的預硬處理工藝鋼號加熱溫度/C冷卻方式回火溫度/C預硬硬度HRC3Cr2Mo 830840油冷或160180 C硝鹽分級580650 28365NiSCa 880930 油冷

7、550 680 30 458Cr2MnWMoVS 860900 油或空冷 550 620 42 48P4410 830860油冷或硝鹽分級 550650 3541SM1 83850 油冷 620 660 36 422.4時效硬化鋼塑料模的熱處理1. 時效硬化鋼的熱處理工藝分兩步根本工序。首先進行固溶處 理，即把鋼加熱到高溫，使各種合金元素溶入奧氏體中，完成奧氏體 后淬火獲得馬氏體組織。第二步進行時效處理，利用時效強化到達最 后要求的力學性能。2. 固溶處理加熱一般在鹽浴爐、箱式爐中進行，加熱時間分別可 ?。?min/mm 22.5min/mm,淬火采用油冷，淬透性好的鋼種也可 空冷。如果鍛造模

8、坯時能準確控制終鍛溫度， 鍛造后可直接進行固溶 淬火。3. 時效處理最好在真空爐中進行，假設在箱式爐中進行，為防模腔 外表氧化，爐內(nèi)須通入保護氣氛，或者用氧化鋁粉、石墨粉、鑄鐵屑， 在裝箱保護條件下進行時效。裝箱保護加熱要適當延長保溫時間， 否 那么難以到達時效效果。局部時效硬化型塑料模具鋼的熱處理標準可參 照如下：。鋼號固溶處理工藝時效處理工藝時效硬度HRC06Ni6CrMoVTiAI 800 850C油冷 510 530Cx 68 h 43 48PMS 80850 C 空冷 510 530Cx 35 h 41 4325CrNi3MoAI 880 C水淬或空冷 520 540Cx 68 h

9、39 42SM2 900CX 2h 油冷 +700Cx 2h 510 Cx 10h 39 40PCR 1050C 固溶空冷 460 480CX 4h 42 443. 塑料模的外表處理為了提高塑料模外表耐磨性和耐蝕性，常對其進行適當?shù)耐獗?處理。3.1鍍鉻塑料模鍍鉻是一種應用最多的外表處理方法， 鍍鉻層在大氣中具 有強烈的鈍化能力，能長久保持金屬光澤，在多種酸性介質(zhì)中均不發(fā) 生化學反響。鍍層硬度達 1000HV因而具有優(yōu)良的耐磨性。鍍鉻層 還具有較高的耐熱性，在空氣中加熱到 500 C時其外觀和硬度仍無明 顯變化。3.2滲氮滲氮具有處理溫度低一般為550570C,模具變形甚微和滲層硬度高可達10

10、001200HV等優(yōu)點，因而也非常適合塑料模 的外表處理。含有鉻、鉬、鋁、釩和鈦等合金元素的鋼種比碳鋼有更 好的滲氮性能，用作塑料模時進行滲氮處理可大大提高耐磨性。適于塑料模的外表處理方法還有：氮碳共滲、化學鍍鎳、離子鍍 氮化鈦、碳化鈦或碳氮化鈦，PVD CVD法沉積硬質(zhì)膜或超硬膜等4. 模具熱處理常見裂紋分析 模具鋼熱處理中，淬火是常見工序。然而，因種種原因，有時難免會 產(chǎn)生淬火裂紋，致使前功盡棄。分析裂紋產(chǎn)生原因，進而采取相應預 防措施，具有顯著的技術經(jīng)濟效益。常見淬火裂紋有以下10類型。4.1縱向裂紋裂紋呈軸向，形狀細而長。當模具完全淬透即無心淬火時，心部 轉變?yōu)楸热葑畲蟮拇慊瘃R氏體，產(chǎn)

11、生切向拉應力，模具鋼的含碳量愈 高，產(chǎn)生的切向拉應力愈大，當拉應力大于該鋼強度極限時導致縱向 裂紋形成。以下因素又加劇了縱向裂紋的產(chǎn)生：1鋼中含有較多S、 P、Sb Bi、Pb Sn As等低熔點有害雜質(zhì)，鋼錠軋制時沿軋制方向 呈縱向嚴重偏析分布，易產(chǎn)生應力集中形成縱向淬火裂紋， 或原材料 軋制后快冷形成的縱向裂紋未加工掉保存在產(chǎn)品中導致最終淬火裂 紋擴大形成縱向裂紋；2模具尺寸在鋼的淬裂敏感尺寸范圍內(nèi)碳 工具鋼淬裂危險尺寸為8-15mm中低合金鋼危險尺寸為25-40mm或 選擇的淬火冷卻介質(zhì)大大超過該鋼的臨界淬火冷卻速度時均易形成 縱向裂紋。預防措施：1嚴格原材料入庫檢查，對有害雜質(zhì)含量超標

12、鋼材 不投產(chǎn)；2盡量選用真空冶煉，爐外精煉或電渣重熔模具鋼材；3 改良熱處理工藝，采用真空加熱、保護氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加 熱及分級淬火、等溫淬火；4變無心淬火為有心淬火即不完全淬透， 獲得強韌性高的下貝氏體組織等措施， 大幅度降低拉應力，能有效避 免模具縱向開裂和淬火畸變。4.2橫向裂紋裂紋特征是垂直于軸向。未淬透模具，在淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)過渡 局部存在大的拉應力峰值，大型模具快速冷卻時易形成大的拉應力峰 值，因形成的軸向應力大于切向應力，導致產(chǎn)生橫向裂紋。鍛造模塊 中S、P. Sb, Bi，Pb, Sn, As等低熔點有害雜質(zhì)的橫向偏析或模塊 存在橫向顯微裂紋，淬火后經(jīng)擴展形成橫向裂紋。

13、預防措施：1模塊應合理鍛造，原材料長度與直徑之比即鍛造比 最好選在23之間，鍛造采用雙十字形變向鍛造，經(jīng)五鐓五拔多火 鍛造，使鋼中碳化物和雜質(zhì)呈細、小，勻分布于鋼基體，鍛造纖維組 織圍繞型腔無定向分布，大幅度提高模塊橫向力學性能，減少和消除 應力源；2選擇理想的冷卻速度和冷卻介質(zhì)：在鋼的 Ms點以上快 冷，大于該鋼臨界淬火冷卻速度，鋼中過冷奧氏體產(chǎn)生的應力為熱應 力，表層為壓應力，內(nèi)層為張應力，相互抵消，有效防止熱應力裂紋 形成，在鋼的Ms-Mf之間緩冷，大幅度降低形成淬火馬氏體時的組 織應力。當鋼中熱應力與相應應力總和為正張應力時，那么易淬裂， 為負時，那么不易淬裂。充分利用熱應力，降低相變

14、應力，控制應力總 和為負，能有效防止橫向淬火裂紋發(fā)生。CL-1有機淬火介質(zhì)是較理想淬火劑，同時可減少和防止淬火模具畸變， 還可控制硬化層合理分 布。調(diào)正CL-1淬火劑不同濃度配比，可得到不同冷卻速度，獲得所 需硬化層分布，滿足不同模具鋼需求。4.3弧狀裂紋常發(fā)生在模具棱角角、缺口、孔穴、凹模接線飛邊等形狀突變處。這是因為，淬火時棱角處產(chǎn)生的應力是平滑外表平均應力的10倍。另外，1鋼中含碳C量和合金元素含量愈高，鋼 Ms點愈低， Ms點降低2C,那么淬裂傾向增加1. 2倍，Ms點降低8C,淬裂傾向 那么增加8倍；2鋼中不同組織轉變和相同組織轉變不同時性，由于不同組織比容差，造成巨大組織應力，導致

15、組織交界處形成弧狀裂紋； 3淬火后未及時回火，或回火不充分，鋼中剩余奧氏體未充分轉變， 保存在使用狀態(tài)中，促進應力重新分布，或模具服役時剩余奧氏體發(fā) 生馬氏體相變產(chǎn)生新的內(nèi)應力，當綜合應力大于該鋼強度極限時便形 成弧狀裂紋；4具有第二類回火脆性鋼，淬火后高溫回火緩冷，導 致鋼中P, s等有害雜質(zhì)化合物沿晶界析出，大大降低晶界結合力和 強韌性，增加脆性，服役時在外力作用下形成弧狀裂紋。預防措施：1改良設計，盡量使形狀對稱，減少形狀突變，增加 工藝孔與加強筋， 或采用組合裝配；2圓角代直角及尖角銳邊， 貫穿孔代盲孔，提高加工精度和外表光潔度，減少應力集中源，對于 無法防止直角、尖角銳邊、盲孔等處一

16、般硬度要求不高，可用鐵絲、 石棉繩、耐火泥等進行包扎或填塞，人為造成冷卻屏障，使之緩慢冷 卻淬火，防止應力集中，防止淬火時弧狀裂紋形成；3淬火鋼應及時回火，消除局部淬火內(nèi)應力，防止淬火應力擴展；4較長時間回火，提高模具抗斷裂韌性值；5充分回火，得到穩(wěn)定組織性能；6 屢次回火使剩余奧氏體轉變充分和消除新的應力；7合理回火，提高鋼件疲勞抗力和綜合機械力學性能；8對于有第二類回火脆性模 具鋼高溫回火后應快冷水冷或油冷，可消除二類回火脆性，防止和 防止淬火時弧狀裂紋形成。4.4剝離裂紋模具服役時在應力作用下，淬火硬化層一塊塊從鋼基體中剝離。因模具表層組織和心部組織比容不同，淬火時表層形成軸向、切向淬

17、火應力，徑向產(chǎn)生拉應力，并向內(nèi)部突變，在應力急劇變化范圍較窄 處產(chǎn)生剝離裂紋，常發(fā)生于經(jīng)表層化學熱處理模具冷卻過程中，因表 層化學改性與鋼基體相變不同時性引起內(nèi)外層淬火馬氏體膨脹不同 時進行，產(chǎn)生大的相變應力，導致化學處理滲層從基體組織中剝離。 如火焰外表淬硬層、高頻外表淬硬層、滲碳層、碳氮共滲層、滲氮層、 滲硼層、滲金屬層等?；瘜W滲層淬火后不宜快速回火，尤其是300C以下低溫回火快速加熱，會促使表層形成拉應力，而鋼基體心部及過 渡層形成壓縮應力，當拉應力大于壓縮應力時，導致化學滲層被拉裂 剝離。預防措施：1應使模具鋼化學滲層濃度與硬度由表至內(nèi)平緩降 低，增強滲層與基體結合力，滲后進行擴散處理

18、能使化學滲層與基體 過渡均勻；2模具鋼化學處理之前進行擴散退火、球化退火、調(diào)質(zhì) 處理，充分細化原始組織，能有效防止和防止剝離裂紋產(chǎn)生，確保產(chǎn) 品質(zhì)量。4.5網(wǎng)狀裂紋裂紋深度較淺，一般深約，呈輻射狀，別名龜裂。 原因主要有：1原材料有較深脫碳層，冷切削加工未去除，或成品 模具在氧化氣氛爐中加熱造成氧化脫碳；2模具脫碳表層金屬組織 與鋼基體馬氏體含碳量不同，比容不同，鋼脫碳表層淬火時產(chǎn)生大的 拉應力，因此，表層金屬往往沿晶界被拉裂成網(wǎng)狀；3原材料是粗 晶粒鋼，原始組織粗大，存在大塊狀鐵素體，常規(guī)淬火無法消除，保 留在淬火組織中，或控溫不準，儀表失靈，發(fā)生組織過熱，甚至過燒, 晶粒粗化，失去晶界結合

19、力，模具淬火冷卻時鋼的碳化物沿奧氏體晶 界析出，晶界強度大大降低，韌性差，脆性大，在拉應力作用下沿晶 界呈網(wǎng)狀裂開。預防措施：1嚴格原材料化學成分.金相組織和探傷檢查，不合 格原材料和粗晶粒鋼不宜作模具材料；2選用細晶粒鋼、真空電爐 鋼，投產(chǎn)前復查原材料脫碳層深度，冷切削加工余量必須大于脫碳層 深度；3制訂先進合理熱處理工藝，選用微機控溫儀表，控制精度 到達士 1.5 C,定時現(xiàn)場校驗儀表；4模具產(chǎn)品最終處理選用真空 電爐、保護氣氛爐和經(jīng)充分脫氧鹽浴爐加熱模具產(chǎn)品等措施，有效防 止和防止網(wǎng)狀裂紋形成。4.6冷處理裂紋模具鋼多為中，高碳合金鋼，淬火后還有局部過冷奧氏體未轉變成 馬氏體，保存在使用

20、狀態(tài)中成為剩余奧氏體，影響使用性能。假設置于 零度以下繼續(xù)冷卻，能促使剩余奧氏體發(fā)生馬氏體轉變，因此，冷處 理的實質(zhì)是淬火繼續(xù)。室溫下淬火應力和零度下淬火應力疊加，當疊 回應力超過該材料強度極限時便形成冷處理裂紋。預防措施：1淬火后冷處理之前將模具置于沸水中煮 3060min, 可消除15%-25 %淬火內(nèi)應力并使剩余奧氏體穩(wěn)定化，再進行 -60 C 常規(guī)冷處理，或進行-120 C深冷處理，溫度愈低，剩余奧氏體轉變成 馬氏體量愈多，但不可能全部轉變完，實驗說明，約有2% -5 %剩余奧氏體保存下來，按需要保存少量剩余奧氏體可松馳應力，起緩沖作 用，因剩余奧氏體又軟又韌，能局部吸收馬氏體化急劇膨

21、脹能量，緩 和相變應力；2冷處理完畢后取出模具投入熱水中升溫，可消除 40%-60 %冷處理應力，升溫至室溫后應及時回火，冷處理應力進一 步消除，防止冷處理裂紋形成，獲得穩(wěn)定組織性能，確保模具產(chǎn)品存 放和使用中不發(fā)生畸變。4.7磨削裂紋常發(fā)生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工過程中，多數(shù)形成的 微細裂紋與磨削方向垂直，深約 0.05 1.0mm 1原材料預處理不 當，未能充分消除原材料塊狀、網(wǎng)狀、帶狀碳化物和發(fā)生嚴重脫碳； 2最終淬火加熱溫度過高，發(fā)生過熱，晶粒粗大，生成較多剩余奧 氏體；3在磨削時發(fā)生應力誘發(fā)相變，使剩余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體， 組織應力大，加上因回火不充分，留有較多剩余拉應力，與

22、磨削組織 應力疊加，或因磨削速度、進刀量大及冷卻不當，導致金屬表層磨削 熱急劇升溫至淬火加熱溫度，隨之磨削液冷卻，造成磨削表層二次淬 火，多種應力綜合，超過該材料強度極限，便引起表層金屬磨削裂紋。預防措施：1對原材料進行改鍛，屢次雙十字形變向鐓拔鍛造， 經(jīng)四鐓四拔，使鍛造纖維組織圍繞型腔或軸線呈波浪形對稱分布，并利用最后一火高溫余熱進行淬火，接著高溫回火，能充分消除塊狀、 網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀碳化物，使碳化物細化至2-3級；2制訂先進的 熱處理工藝，控制最終淬火剩余奧氏體含量不超標；3淬火后及時 進行回火、消除淬火應力； 適當降低磨削速度、磨削量，磨削冷 卻速度，能有效防止和防止磨削裂紋形成。4.

23、8線切割裂紋該裂紋出現(xiàn)在經(jīng)過淬火、回火的模塊在線切割加工過程中，此過 程改變了金屬表層、中間層和心部應力場分布狀態(tài)，淬火剩余內(nèi)應力 失去平衡變形，某一區(qū)域出現(xiàn)大的拉應力，此拉應力大干該模具材料 強度極限時導致炸裂，裂紋是弧尾狀剛毅變質(zhì)層裂紋。實驗說明，線 切割過程是局部高溫放電和迅速冷卻過程， 使金屬表層形成樹枝狀鑄 態(tài)組織凝固層，產(chǎn)生600-900MPa拉應力和厚約0. 03mm1 勺高應力二 次淬火白亮層。裂紋產(chǎn)生原因：1原材料存在嚴重的碳化物偏析； 2儀表失靈，淬火加熱溫度過高，晶粒粗大，降低材料強韌性，增 加脆性；3淬火工件未及時回火和回火不充分， 存在過大的剩余內(nèi) 應力和線切割過程中

24、形成的新內(nèi)應力疊加導致線切割裂紋。預防措施：1嚴格原材料入庫前檢查，確保原材料組織成分合格， 對不合格原材料必須進行改鍛，擊碎碳化物，使化學成分、金相組織 等到達技術條件前方可投產(chǎn)。模塊熱處理前加工成品需留足一定磨量 后淬火.回火、線切割；2入爐前校驗儀表，選用微機控溫，控溫 精度士 1.5 C,真空爐、保護氣氛爐加熱，嚴防過熱和氧化脫碳；3 采用分級淬火、等溫淬火和淬火后及時回火，屢次回火，充分消除內(nèi) 應力，為線切割創(chuàng)造條件；4制訂科學合理線切割工藝。4.9疲勞斷裂模具服役時在交變應力反復作用下形成的顯微疲勞裂紋緩慢擴 展，導致突然疲勞斷裂。1原材料存在發(fā)紋、自點、孔隙、疏松、 非金屬夾雜、碳化物嚴重偏析、帶狀組織、塊狀游離鐵素體冶金組織 缺陷，破壞了基體組織連續(xù)性，形成不均勻應力集中。鋼錠中112未排除，導致軋制時形成白點。鋼中存在 Sb Bi、Pb、Sn As和S、 P等有害雜質(zhì)，鋼中