塑料模具零件的热处理工艺(共15页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上塑料模具零件的热处理工艺选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。 1.塑料模具的制造工艺路线 1.1低碳钢及低碳合金钢制模具 例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料锻造模坯退火机械粗加工冷挤压成形再结晶退火机械精加工渗碳淬火、回火研磨抛光装配。 1.2高合金渗碳钢制模具 例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料锻造模坯正火并高温回火机械粗加工高温回火精加工渗碳淬火、回火研磨抛光装配。

2、1.3调质钢制模具 例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料锻造模坯退火机械粗加工调质机械精加工修整、抛光装配。 1.4碳素工具钢及合金工具钢制模具 例如T7AT10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料锻成模坯球化退火机械粗加工去应力退火机械半精加工机械精加工淬火、回火研磨抛光装配。 1.5预硬钢制模具 例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料改锻球化退火刨或铣六面预硬处理（3442HRC）机械粗加工去应力退火机械精加工抛光装配。 2.塑料模

3、具的热处理特点 2.1渗碳钢塑料模的热处理特点 1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。 2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.81.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.31.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.81.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。 3.渗碳温度一般在900920，复杂型腔的小型模具可取840860中温碳氮共渗。渗碳保温时间为510h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶

4、段（900920）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820840）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。 4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。 2.2 淬硬钢塑料模的热处理 1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。 2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔

5、表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。 3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在4060min以上。 2.3 预硬钢塑料模的热处理 1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。 2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得

6、均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。 3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。 表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺 钢 号 加热温度/ 冷却方式 回火温度/ 预硬硬度HRC 3Cr2Mo 830840 油冷或160180硝盐分级 580650 2836 5NiSCa 880930 油冷 550680 3045 8Cr2MnWMoVS 860900 油或空冷

7、 550620 4248 P4410 830860 油冷或硝盐分级 550650 3541 SM1 830850 油冷 620660 3642 2.4 时效硬化钢塑料模的热处理 1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。 2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、22.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。 3.时效处理最好在真空炉中

8、进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照 如下：。钢 号 固溶处理工艺 时效处理工艺 时效硬度HRC 06Ni6CrMoVTiAl 800850油冷 510530（68）h 4348 PMS 800850空冷 510530（35）h 4143 25CrNi3MoAl 880水淬或空冷 520540（68）h 3942 SM2 9002h油冷+7002h 51010h 3940 PCR 1050固溶空冷 4604804h

9、4244 3塑料模的表面处理 为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。 3.1 镀铬塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500时其外观和硬度仍无明显变化。 3.2 渗氮渗氮具有处理温度低（一般为550570），模具变形甚微和渗层硬度高（可达10001200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨

10、性。 适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等4.模具热处理常见裂纹分析模具钢热处理中，淬火是常见工序。然而，因种种原因，有时难免会产生淬火裂纹，致使前功尽弃。分析裂纹产生原因，进而采取相应预防措施，具有显著的技术经济效益。常见淬火裂纹有以下10类型。 4.1纵向裂纹 裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体,产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。以下因素又加剧了纵向裂纹的产生： (1)钢中含有较多S、P、Sb、

11、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹； (2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸为25-40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。 预防措施： (1)严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产； (2)尽量选用真空冶炼，炉外精炼或电渣重熔模具钢材； (3)改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火；

12、(4)变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。 4.2横向裂纹 裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、PSb，Bi，Pb，Sn，As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。 预防措施： (1)模块应合理锻造，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在23之间，锻造采用双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使钢中碳化物和杂质呈细、小，匀分布于钢基

13、体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源； (2)选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的Ms点以上快冷，大于该钢临界淬火冷却速度，钢中过冷奥氏体产生的应力为热应力，表层为压应力，内层为张应力，相互抵消，有效防止热应力裂纹形成，在钢的MsMf之间缓冷，大幅度降低形成淬火马氏体时的组织应力。当钢中热应力与相应应力总和为正(张应力)时，则易淬裂，为负时，则不易淬裂。充分利用热应力，降低相变应力，控制应力总和为负，能有效避免横向淬火裂纹发生。CL-1有机淬火介质是较理想淬火剂，同时可减少和避免淬火模具畸变，还可控制硬化层合理分布。调正CL-1 淬火剂不同浓度配比，

14、可得到不同冷却速度，获得所需硬化层分布，满足不同模具钢需求。 4.3弧状裂纹 常发生在模具棱角角、缺口、孔穴、 凹模接线飞边等形状突变处。这是因为，淬火时棱角处产生的应力是平滑表面平均应力的10倍。另外， (1)钢中含碳(C)量和合金元素含量愈高，钢Ms点愈低，Ms点降低2，则淬裂倾向增加12倍，Ms点降低8，淬裂倾向则增加8倍； (2)钢中不同组织转变和相同组织转变不同时性，由于不同组织比容差，造成巨大组织应力，导致组织交界处形成弧状裂纹； (3)淬火后未及时回火，或回火不充分，钢中残余奥氏体未充分转变，保留在使用状态中，促进应力重新分布，或模具服役时残余奥氏体发生马氏体相变产生新的内应力，

15、当综合应力大于该钢强度极限时便形成弧状裂纹； (4)具有第二类回火脆性钢，淬火后高温回火缓冷，导致钢中P，s等有害杂质化合物沿晶界析出，大大降低晶界结合力和强韧性，增加脆性，服役时在外力作用下形成弧状裂纹。 预防措施： (1)改进设计，尽量使形状对称，减少形状突变，增加工艺孔与加强筋， 或采用组合装配； (2)圆角代直角及尖角锐边，贯穿孔代盲孔，提高加工精度和表面光洁度，减少应力集中源，对于无法避免直角、尖角锐边、盲孔等处一般硬度要求不高，可用铁丝、石棉绳、耐火泥等进行包扎或填塞，人为造成冷却屏障，使之缓慢冷却淬火，避免应力集中，防止淬火时弧状裂纹形成；(3)淬火钢应及时回火，消除部分淬火内应

16、力，防止淬火应力扩展； (4)较长时间回火，提高模具抗断裂韧性值； (5)充分回火，得到稳定组织性能；(6)多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力； (7)合理回火，提高钢件疲劳抗力和综合机械力学性能； (8)对于有第二类回火脆性模具钢高温回火后应快冷(水冷或油冷)，可消除二类回火脆性，防止和避免淬火时弧状裂纹形成。 4.4剥离裂纹 模具服役时在应力作用下，淬火硬化层一块块从钢基体中剥离。因模具表层组织和心部组织比容不同，淬火时表层形成轴向、切向淬火应力，径向产生拉应力，并向内部突变，在应力急剧变化范围较窄处产生剥离裂纹，常发生于经表层化学热处理模具冷却过程中，因表层化学改性与钢基体相变不

17、同时性引起内外层淬火马氏体膨胀不同时进行，产生大的相变应力，导致化学处理渗层从基体组织中剥离。如火焰表面淬硬层、高频表面淬硬层、渗碳层、碳氮共渗层、渗氮层、渗硼层、渗金属层等。化学渗层淬火后不宜快速回火，尤其是300C以下低温回火快速加热，会促使表层形成拉应力，而钢基体心部及过渡层形成压缩应力，当拉应力大于压缩应力时，导致化学渗层被拉裂剥离。 预防措施： (1)应使模具钢化学渗层浓度与硬度由表至内平缓降低，增强渗层与基体结合力，渗后进行扩散处理能使化学渗层与基体过渡均匀；(2)模具钢化学处理之前进行扩散退火、球化退火、调质处理，充分细化原始组织，能有效防止和避免剥离裂纹产生，确保产品质量。 4

18、.5网状裂纹 裂纹深度较浅，一般深约0.01-1.5mm，呈辐射状，别名龟裂。原因主要有： (1)原材料有较深脱碳层，冷切削加工未去除，或成品模具在氧化气氛炉中加热造成氧化脱碳； (2)模具脱碳表层金属组织与钢基体马氏体含碳量不同，比容不同，钢脱碳表层淬火时产生大的拉应力，因此，表层金属往往沿晶界被拉裂成网状； (3)原材料是粗晶粒钢，原始组织粗大，存在大块状铁素体，常规淬火无法消除，保留在淬火组织中，或控温不准，仪表失灵，发生组织过热，甚至过烧，晶粒粗化，失去晶界结合力，模具淬火冷却时钢的碳化物沿奥氏体晶界析出，晶界强度大大降低，韧性差，脆性大，在拉应力作用下沿晶界呈网状裂开。 预防措施：

19、(1)严格原材料化学成分金相组织和探伤检查，不合格原材料和粗晶粒钢不宜作模具材料； (2)选用细晶粒钢、真空电炉钢，投产前复查原材料脱碳层深度，冷切削加工余量必须大于脱碳层深度； (3)制订先进合理热处理工艺，选用微机控温仪表，控制精度达到1.5，定时现场校验仪表； (4)模具产品最终处理选用真空电炉、保护气氛炉和经充分脱氧盐浴炉加热模具产品等措施，有效防止和避免网状裂纹形成。 4.6冷处理裂纹 模具钢多为中，高碳合金钢，淬火后还有部分过冷奥氏体未转变成马氏体，保留在使用状态中成为残余奥氏体，影响使用性能。若置于零度以下继续冷却，能促使残余奥氏体发生马氏体转变，因此，冷处理的实质是淬火继续。室

20、温下淬火应力和零度下淬火应力叠加，当叠回应力超过该材料强度极限时便形成冷处理裂纹。 预防措施： (1)淬火后冷处理之前将模具置于沸水中煮3060min，可消除15-25淬火内应力并使残余奥氏体稳定化，再进行-60常规冷处理，或进行-120深冷处理，温度愈低，残余奥氏体转变成马氏体量愈多，但不可能全部转变完，实验表明，约有2-5残余奥氏体保留下来，按需要保留少量残余奥氏体可松驰应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧，能部分吸收马氏体化急剧膨胀能量，缓和相变应力； (2)冷处理完毕后取出模具投入热水中升温，可消除40-60冷处理应力，升温至室温后应及时回火，冷处理应力进一步消除，避免冷处理裂纹形成

21、，获得稳定组织性能，确保模具产品存放和使用中不发生畸变。 4.7磨削裂纹 常发生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工过程中，多数形成的微细裂纹与磨削方向垂直，深约0.051.0mm。 (1)原材料预处理不当，未能充分消除原材料块状、网状、带状碳化物和发生严重脱碳； (2)最终淬火加热温度过高，发生过热，晶粒粗大，生成较多残余奥氏体； (3)在磨削时发生应力诱发相变，使残余奥氏体转变为马氏体，组织应力大，加上因回火不充分，留有较多残余拉应力，与磨削组织应力叠加，或因磨削速度、进刀量大及冷却不当，导致金属表层磨削热急剧升温至淬火加热温度，随之磨削液冷却，造成磨削表层二次淬火，多种应力综合，超过该材料强

22、度极限，便引起表层金属磨削裂纹。 预防措施： (1)对原材料进行改锻，多次双十字形变向镦拔锻造，经四镦四拔，使锻造纤维组织围绕型腔或轴线呈波浪形对称分布，并利用最后一火高温余热进行淬火，接着高温回火，能充分消除块状、网状、带状和链状碳化物，使碳化物细化至2-3级； (2)制订先进的热处理工艺，控制最终淬火残余奥氏体含量不超标； (3)淬火后及时进行回火、消除淬火应力； (4)适当降低磨削速度、磨削量，磨削冷却速度，能有效防止和避免磨削裂纹形成。 4.8线切割裂纹 该裂纹出现在经过淬火、回火的模块在线切割加工过程中，此过程改变了金属表层、中间层和心部应力场分布状态，淬火残余内应力失去平衡变形，某

23、一区域出现大的拉应力，此拉应力大干该模具材料强度极限时导致炸裂，裂纹是弧尾状刚劲变质层裂纹。实验表明，线切割过程是局部高温放电和迅速冷却过程，使金属表层形成树枝状铸态组织凝固层，产生600-900MPa拉应力和厚约003mm的高应力二次淬火白亮层。裂纹产生原因： (1)原材料存在严重的碳化物偏析； (2)仪表失灵，淬火加热温度过高，晶粒粗大，降低材料强韧性，增加脆性； (3)淬火工件未及时回火和回火不充分，存在过大的残余内应力和线切割过程中形成的新内应力叠加导致线切割裂纹。 预防措施： (1)严格原材料入库前检查，确保原材料组织成分合格，对不合格原材料必须进行改锻，击碎碳化物，使化学成分、金相

24、组织等达到技术条件后方可投产。模块热处理前加工成品需留足一定磨量后淬火回火、线切割； (2)入炉前校验仪表，选用微机控温，控温精度1.5，真空炉、保护气氛炉加热，严防过热和氧化脱碳；(3)采用分级淬火、等温淬火和淬火后及时回火，多次回火，充分消除内应力，为线切割创造条件； (4)制订科学合理线切割工艺。 4.9疲劳断裂 模具服役时在交变应力反复作用下形成的显微疲劳裂纹缓慢扩展，导致突然疲劳断裂。 (1)原材料存在发纹、自点、孔隙、疏松、非金属夹杂、碳化物严重偏析、带状组织、块状游离铁素体冶金组织缺陷，破坏了基体组织连续性，形成不均匀应力集中。钢锭中112未排除，导致轧制时形成白点。钢中存在Sb

25、、Bi、 Pb、Sn、As和S、P等有害杂质，钢中的P易引起冷脆，而s易引起热脆，S，P有害杂质超标均易形成疲劳源； (2)化学渗层过厚、浓度过大、渗层过度、硬化层过浅、过渡区硬度低等都可导致材料疲劳强度急剧降低； (3)当模面加工粗糙、精度低、光洁度差，以及刀纹，刻字、划痕、碰伤、腐蚀麻面等也易引起应力集中导致疲劳断裂。 预防措施： (1)严格选材，确保材质，控制Pb、As、Sn等低熔点杂质与S、P非金属杂质含量不超标； (2)投产前进行材质检查，不合格原材料不投产； (3)选用具有纯洁度高、杂质少、化学成分均匀、晶粒细碳化物小、等向性能好，疲劳强度高等特点的电渣重熔精炼钢，对模具型面表面喷

26、丸强化和表面化学渗层改性强化处理，使金属表层为预压应力，抵消模具服役时产生的拉应力，提高模具型面疲劳强度； (4)提高模具型面加工精度和光洁度； (5)改善化学渗层和硬化层组织性能； (6)采用微机控制化学渗层厚度、浓度和硬化层厚度。 4.10应力腐蚀裂纹 该裂纹常发生在使用过程中。金属模具因化学反应或电化学反应过程，引起从表至内组织结构损坏腐蚀作用而产生开裂，这就是应力腐蚀裂纹。模具钢因热处理后组织不同，抗蚀性能也不同。最耐蚀组织为奥氏体(A)，最易腐蚀组织为屈氏体(T)，依次为铁素体(F)一马氏体(M)一珠光体(P)一索氏体(S)。因此，模具钢热处理不宜得到T组织。淬火钢虽经回火，但因回火不充分，淬火内应力或多或少依然存在，模具服役时在外力作用下也会产生新的应力，凡有应力存在于金属模具中就会有应力腐蚀裂纹发生。 预防措施： (1)模具钢淬火后应及时回火，充分回火，多次回火，以消除淬火内应力； (2)模具钢淬火后一般不宜在350-400C回火，因T组织常在此温度出现，发生有T组织模具应重新处理，模具应进行防锈处理，提高抗蚀性能； (3)热作模具服役前进行低温预热，冷作模具服役一个阶段后进行一次低温回火消除应力，不仅能防止和避免应力腐蚀裂纹发生，还可大幅度提高模具使用寿命，一举两得，有显著技术经济效益。专心-专注-专业