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TD模具热处理

众所周知,TD其实就是一个完整的金属热处理过程。所谓金属热处理就是在把金属加热到一定的温度、保温一定的时间,以不同的冷却速度来使金属材料达到某种使用潜能。金属热处理包含了几个基本因素:温度、时间、冷却介质、冷却速度。

     TD最直意的理解就是对金属基体渗入耐磨金属原子,即渗金属(相对于渗碳、渗硼、渗氮只是渗非金属)。其原理是利用碳在高温下扩散。在一定的处理温度下,将有一定碳含量的金属工件置入有钒、铌、钛、铬等金属原子的硼砂熔盐中,让硼砂熔盐中的金属原子与工件中的碳原子产生化学反应,从而扩散在工件表面形成一层碳化层。这个过程就叫TD,所形成的碳化层就叫TD层。

     TD渗金属的最佳的渗入温度在920~950℃。如果材料是Cr12MoV、SKD-11,其实这个温度已经相当于给它们的基体已经退火。这时模具实际上是处于鸡蛋壳的状态——外壳很硬(TD层的硬度达到3000HV以上),芯部很软(金属工件的基体硬度在35—52HRC)。在生产过程中,为了得到较高的基体硬度来支撑表面TD层的刚性,就必须将工件随炉升温到1010—1030℃重新淬火、回火,使金属工件的基体硬度达到58—62HRC之间。

这里我们一定要清楚地认识到不存在模具做完TD后,还要去单独进行一次淬火、回火处理。要么就是TD厂家想多收取一次淬火的费用,要么就是TD厂家确实在工艺上还没有开窍。

     金属无论是升温,还是降温,都会产生相变,其宏观、微观组织也都会随着发生改变。其变形也就在所难免,一切都在情理当中。这是金属材料学学科所不能,永远也无法规避的现象。当然,追求最小的变形,这是每个厂家、每一种热处理方式、每一种表面强化方式苦心孤诣的终极目标。

我们只要在理论上明白了,就会知道:金属在热处理工程中不变形是不可能的。从金属材料学的学科特点并结合我们多年的TD生产实践证明,影响TD处理的主要因素有:

一、模具的设计

模具的形状、壁厚、长径比。这是决定模具变形大小的基因。通常情况下,形状越简单、长径比越小,其变形量也就越小。

二、材料

1.化学成分

(1)关键元素Cr、Mo、V的含量。从热处理工艺学上看,金属Cr的含量决定了金属材料的淬透度,淬透度越高,金属基体变形越小,淬透度越低,变形也就越大。Mo、V的含量决定了可选择的冷却介质的种类,不同的冷却介质决定其不同的冷却速度,冷却速度越慢,其变形越小。如果模具材料的化学成分达不到国家或行业/企业标准,其变形量就会偏大。

(2)金属材料的C含量偏析。越均匀,偏析越小,变形越小。

2.材料的交货状态:棒材、板材、锻件三种状态的交货时的热处理方式不同、材质的纤维方向不同,其热处理过程中的变形也各有不同。

三、TD前的热处理方式

组织应力和热应力的消除情况是决定TD过程中模具变形的又一大诱因。残余应力越多,变形越大。我们推荐使用高淬高回的工艺,可适当降低模具在TD处理过程中的变形。Cr12MoV、SKD-11材料使用1080—1020℃淬火,气淬或空冷,用510—520℃回火。根据模具大小每次回2—4小时,回三次。

四、TD过程

1.装夹

根据模具的形状、几何尺寸、长径比、壁厚等因素选择正确的装夹方式是控制模具变形的第一步。

2.预热温度

合理的预热温度既能保证模具的变形也能充分保证模具在TD处理过程中不开裂。本公司去年处理的大小一万三千多模具没有发生一例因为TD原因所致的模具开裂。因此在我们看来TD过程导致模具开裂实在不该,而应该是趋近于零的小概率事件。

3.出、入炉姿态

出、入炉的姿态控制可以减少模具在坩埚中与盐浴的阻力,阻力越小,变形越小。

4.炉中搅拌

TD的中途搅拌频次和方法也对模具的变形也有一定的影响。

5.冷却方式和速度

这点也是比较关键的。冷却速度越慢其变形也就越小,冷却速度与冷却介质的选择和模具的变形量有着明显的因果关系。

五、模具在TD过程中变形最小的方法

由于涉及到公司的核心技术机密,或者用户只关心结果,不关心过程。因此,其具体工艺控制过程不予、也不肖赘述。既然我们已知模具由于在高温环境中其变形在所难免。同时,我们也可以通过一些技术和沟通来力争使模具在TD过程中变形最小。主要的方法有:

1.模具的设计

从形状、尺寸、长径比、壁厚和镶块模具的分段尽可能兼顾到模具在TD过程中的变形。

2.材料

国产的Cr12MoV材料要符合GB/T 1299-2000标准。其他进口材料要符合其行业或企业标准。如果是锻件,要求等温球化退火,并出具二级探伤报告。

3.热处理

选择高淬高回,冷却介质最好选择气淬或空冷;

4.通过工艺试验预留尺寸

      少数公差要求严格的模具可以对同一炉次的模具材料进行TD 处理的工艺试验的方法,总结和试验出模具变形的规律和变形量,再根据其变形量来在上一道加工工艺中通过预留尺寸的方法来补偿模具的变形,让其能无限接近或满足其使用要求。

      尽管人们一直都在探索,尽可能地把模具的变形控制到一个精确值。事实上,TD处理过程中,由于模具变形的诱因很多,有的工序是TD厂家完全没有参与,实际上不受控的工序。TD厂家只能充其量保证模具在TD生产中过程受控。

      也鉴于此,模具在TD过程中的变形量事实上很难精准到丝米(0.01mm)级。我们通过多年的实验和生产实践证明,针对每一种金属材料并没有一个通用的、精确的计算公式,也未能建立起数学模型来指导我们的生产和实践,这既是金属材料学学科的特点,也是人类社会劳动的细分所致。我们在短期内,甚至在相当长的一段时期内都不敢给用户一个明确的承诺,保证模具在TD过程中变形控制的一个精确值,至少不能承诺到(0.01mm)丝米级。十年以来,我们对国产的Cr12MoV(宝钢集团特钢公司、冶钢股份、抚顺特钢、攀钢集团长城特钢产品)摸索出的平均的变形量约为≤0.05‰,如果只针对于同一炉次的材料我们通过工艺试验,可以把模具的变形控制到更低。

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