塑料模具零件的热处理工艺

1、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t机械粗加工t冷挤压成形t再结晶退火t机械精加工t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

2、配。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T7A T10A 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t改锻t球化退 火-刨或铣六面-预硬处理(3442HRCt机械粗加工t去

3、应力退 火t机械精加工t抛光t装配。2. 塑料模具的热处理特点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。 假设采用碳、氮共渗，那么耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。3. 渗碳温度一般在900920C，复杂型腔的小型模具可取 840 860 C中温碳氮共渗。渗碳保温时间为 510h，具体应

4、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，即高温阶段900920 C以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段820840 C 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. 形状比拟复杂的模具，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 0.0

5、5%。2. 塑料模型腔外表要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保 型腔外表不氧化、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，假设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，冷却时应选择比拟缓和的冷 却介质，控制冷却速度，以防止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

6、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，多数米用调质处理，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为局部预硬钢的预硬处理工艺，供参考。表3-27局部预硬钢的预硬处理工艺钢号加热温度/C冷却方式回火温度/C预硬硬度HRC3Cr2Mo 830840油冷或160180 C硝盐分级580650 28365NiSCa 880930 油冷

7、550 680 30 458Cr2MnWMoVS 860900 油或空冷 550 620 42 48P4410 830860油冷或硝盐分级 550650 3541SM1 83850 油冷 620 660 36 422.4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根本工序。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，利用时效强化到达最 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

8、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进行，假设在箱式炉中进行，为防模腔 外表氧化，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 那么难以到达时效效果。局部时效硬化型塑料模具钢的热处理标准可参 照如下：。钢号固溶处理工艺时效处理工艺时效硬度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. 塑料模的外表处理为了提高塑料模外表耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的外表 处理。3.1镀铬塑料模镀铬是一种应用最多的外表处理方法， 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 生化学反响。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 C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550570C,模具变形甚微和渗层硬度高可达10

10、001200HV等优点，因而也非常适合塑料模 的外表处理。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性。适于塑料模的外表处理方法还有：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

11、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 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存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

12、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 改良热处理工艺，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；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 局部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、P. Sb, 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。

13、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Ms-Mf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，那么易淬裂， 为负时，那么不易淬裂。充分利用热应力，降低相变

14、应力，控制应力总 和为负，能有效防止横向淬火裂纹发生。CL-1有机淬火介质是较理想淬火剂，同时可减少和防止淬火模具畸变， 还可控制硬化层合理分 布。调正CL-1淬火剂不同浓度配比，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外表平均应力的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2C,那么淬裂倾向增加1. 2倍，Ms点降低8C,淬裂倾向 那么增加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

15、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，钢中剩余奥氏体未充分转变， 保存在使用状态中，促进应力重新分布，或模具服役时剩余奥氏体发 生马氏体相变产生新的内应力，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改良设计，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，提高加工精度和外表光洁度，减少应力集中源，对于 无法防止直角、尖角锐边、盲孔等处一

16、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，防止应力集中，防止淬火时弧状裂纹形成；3淬火钢应及时回火，消除局部淬火内应力，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 屡次回火使剩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 防止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

17、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。 如火焰外表淬硬层、高频外表淬硬层、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

18、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，能有效防止和防止剥离裂纹产生，确保产 品质量。4.5网状裂纹裂纹深度较浅，一般深约，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

19、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：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 到达士 1.5 C,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 止和防止网状裂纹形成。4.6冷处理裂纹模具钢多为中，高碳合金钢，淬火后还有局部过冷奥氏体未转变成 马氏体，保存在使用

20、状态中成为剩余奥氏体，影响使用性能。假设置于 零度以下继续冷却，能促使剩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 %淬火内应力并使剩余奥氏体稳定化，再进行 -60 C 常规冷处理，或进行-120 C深冷处理，温度愈低，剩余奥氏体转变成 马氏体量愈多，但不可能全部转变完，实验说明，约有2% -5 %剩余奥氏体保存下来，按需要保存少量剩余奥氏体可松驰应力，起缓冲作 用，因剩余奥氏体又软又韧，能局部吸收马氏体化急剧膨

21、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，防止冷处理裂纹形成，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 0.05 1.0mm 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，生成较多剩余奥 氏体；3在磨削时发生应力诱发相变，使剩余奥氏体转变为马氏体， 组织应力大，加上因回火不充分，留有较多剩余拉应力，与

22、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，屡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，控制最终淬火剩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； 适当降低磨削速度、磨削量，磨削冷 却速度，能有效防止和防止磨削裂纹形成。4.

23、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，淬火剩余内应力 失去平衡变形，某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，裂纹是弧尾状刚毅变质层裂纹。实验说明，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0. 03mm1 勺高应力二 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， 存在过大的剩余内 应力和线切割过程中

24、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、金相组织 等到达技术条件前方可投产。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 精度士 1.5 C,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，屡次回火，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 Bi、Pb、Sn As和S、 P等有害杂质，钢中