模具鋼材工件幾何形狀對熱處理變形的影響
模具鋼材工件幾何形狀對熱處理變形的影響
幾何形狀復雜，截面形狀不對稱的模具鋼材工件，例如帶有鍵槽的軸，鍵槽拉刀、塔形工件等，淬火冷卻時，一個面散熱快，冷卻速度大；另一面散熱慢，冷卻速度小，也就是說截面形狀不對稱的工件淬火冷卻是一種不均勻的冷卻。這種不均勻淬火冷卻對變形的影響可以用一個形狀簡單的長板形工件橫向入油淬火為例加以說明。假設一板狀工件因淬火操作不當橫向入油淬火，由于平板下表面化先入油，故下表面比上表面冷卻快，根據其上下表面及心部溫度隨冷卻時間的變化，則為不同冷卻時刻截面溫度的分布。τ1表示冷卻開始時，上下表面都比心部冷卻快，溫度比心部低，但是心表溫差引起的瞬時熱應力尚未達到材料的屈服強度；隨著冷卻繼續進行，溫度的降低，瞬時熱應力和材料的屈服強度都在升高，但由于下表面冷卻快，其屈服強度高于上表面的屈服強度。于τ2時刻，心部和上表面的瞬時熱應力達到材料的屈服強度時，上表面在拉應力作用下伸長，心部在壓應力作用下被壓縮，結果使板向上拱，即冷卻快的下表面成為凹面。進一步冷卻至τ3和τ4時刻時，隨著心部溫度的降低和收縮，熱應力減小并發生應力反向，但由于材料的屈服強度升高，熱應力不再引起塑性變形，即熱應力造成的變形是使工件向冷卻慢的一面凸起。冷卻到Ms點以下發生馬氏體轉變時，其應力與變形疊加的結果。如果在Ms點以上的不均勻冷卻引起的變形占優勢，則冷卻快的一面為凸面，工件向冷卻慢的一面彎曲。
表1為形狀不對稱的Cr12MoV鋼制零件實測的熱處理變形情況。淬火加熱溫度為1020℃，等溫溫度為220～250℃，等溫后空冷。結果表明，Ms點以下的不均勻冷卻引起的殘余奧氏體更加穩定，減小空冷后的馬氏體轉變量，可使工件的變形量顯著減小。
表1 Cr12MoV鋼制不對稱工件熱處理變形情況
序號 等溫時間/h 由等溫槽取出后的彎曲/mm 冷卻終了時的彎曲變形/mm
1 0 薄刃面凹≈0.5 薄刃面凸≈1.5
2 2 薄刃面凹≈0.3 薄刃面凸≈0.5
3 18 0 薄刃面凸0.08
分析工件受不均勻冷卻的變形時，準確判斷哪一個面冷卻快是很重要的，否則會得出相反的結論。實踐表明，工件形狀愈不對稱，或冷卻的不均勻性愈大，淬火后的變形也愈明顯。
