模具热处理质量检验

来源:金属热处理工艺学作者:袁凤松

摘要:概述了模具热处理质量检验的内容和方法,介绍了冷作模具热处理、热作模具热处理、模具渗氮及软氮化、模具渗硼等工艺的质量检查要点,重点阐述了模具热处理的硬度检查。

关键词:模具热处理  质量检验  硬度测试

1、模具热处理质量的检查内容和方法

模具热处理质量检查内容包括模具材料检查、外观检查、变形检查、硬度检查、金相检验以及其他力学性能检验等内容。

1.1模具材料检查

模具材料检查属热处理生产现场检查。检查材料成分与图纸标定材料牌号是否相符,常采用火花鉴别辅之以点滴试验法,若发现异常,应进一步进行化学成份分析或作光谱分析以确定其真实成份。火花鉴别模具材料时应注意:磨削部位不影响模块外观、光洁度、精度及使用为原则。点滴试验比较成熟可靠的有Mn、Mo、Cr、Ni四种合金元素。占滴试验的测试面必须打磨光并清除油污保持清洁,若工作环境温度较低(如寒冷的冬季)则试件、试剂、吸水纸等均应加温或延长反应时间。

1.2模具热处理后的外观检查

一般热处理工件均用肉眼或低倍放大镜观察表面有无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。重要工件检查裂纹可用磁力、渗透、超声等探伤方法。对表面允许喷砂的工件可浸油后喷砂直接观察。

1.3变形检查

(1)模孔、槽尺寸使用千分尺、卡尺、内径千分表等检查,以比较淬火前后的相关尺寸确定其变形量,对于小型精密模具,用工具显微镜或投影仪进行检查。

(2)薄板类工件用塞尺在平板上检查其翘曲量。

(3)长杆类、芯杆类工件(如冲头、顶杆、定位轴、导住、复位杆等)用顶尖或V型铁支持两端,使用百发有测量其振摆量,细小杆件可用塞尺在平板上测量弯曲量。

1.4硬度检查

所有热处理工件,均应根据图纸要求或工艺规定进行硬度检查。

一般正火退火、调质零件的硬度检查用布氏试验机检查,淬火工件用洛氏硬度法检查,表面硬化工件硬化层硬度的测试,则用维氏硬度或显微硬度法检查,大型工件硬度测试,则可用锤击式布氏、肖氏或里氏硬度测试法检查。

1.5金相检查

在以下情况下进行金相抽检或检验。

(1)工艺规定必须进行金相检验时。

(2)当对某批或某工件的内在组织提出怀疑时。

(3)当变更工艺后由试生产转入正式生产前。

1.6其他力学性能检测

凡设计要求热处理后必须保证其某一力学性能指标(如冲击韧度、断裂韧度等)的工件,应先选取与模块牌号相同的材料做成标准试样,并与模块进行相同的热处理后送检。

2、冷作模具热处理质量检验

2.1外观检验

(1)模具表面不得有磕碰、划伤、烧毁及严重的氧化、脱碳、麻点、腐蚀及锈蚀现象。

(2)表面不得有各种裂纹,必要时用磁力,渗透等探伤手段检查。

(3)淬火、回火后模具必须清洗干净、孔、槽不得有各种盐溃、油腻等附着物。

(4)火焰淬火模具表面应无烧熔、氧化、裂纹等缺陷。

2.2变形检查

(1)凸凹模具零件热处理后变形量不得超过规定磨量的2/3。

(2)模具热处理后允许变形范围及中心孔距允许变形范围可参考表1。

表1  模具允许变形量

 

工件单位名义尺寸(mm)   允许变形量(mm)  
碳素工具钢   低合金工具钢   高合金工具钢  
≤50   -0.05   ±0.03   ±0.02  
50-120   -0.10   ±0.006   +0.02

-0.04

 
121-200   -0.15   +0.05

-0.15

  +0.03

-0.06

 
210-300   -0.02   +0.06

-0.15

  +0.04

-0.08

 
模具各种孔中心距变形率(%)   ±0.10   ±0.06   ±0.04  

2.3硬度检查

(1)模具毛坯退火后硬度要求:碳素工具钢180-207HB;低合金工具钢207-241HB;中高合金工具钢217-255HB。

(2)凸凹模具零件淬火后应100%进行硬度检查,批量大者应40%硬度检查,60%用锉刀检查。

(3)冲裁类冷冲模具在离刃口5mm以内硬度必须达到设计要求,不得有软点;冷镦、冷挤、拉伸及压弯类模具,主要受力工作面及R处硬度必须达到设计要求。

(4)碳素工具钢小凸模尾部固定部分应控制在30-40HRC,其余部分淬硬必须达到设计要求。

(5)火焰表面淬火的大型模具,工作面硬度应不低于规定值上限,一般不允许有回火带及低硬区。可用里氏硬度仪对大型火焰淬火模面进行硬度分布差异测定。结构及形状复杂者允许有≤20mm低硬度区,但硬度值不低于10HRC。

2.4金相组织检验

(1)模具毛坯退火后其金相组织要求如表2。

表2  模具毛坯退火组织要求

钢号   珠光体等级   网状碳化物等级   带状碳化物等级  
碳素工具钢   4-6   ≤3   -  
低合金工具钢   2-4   ≤2   ≤4  
高合金工具钢   1-3   ≤2   ≤3  

碳素工具钢退火后的珠光体组织按GB1298-77第一级别图(2)评定;网状碳化物按GB1298-77第二级别图(2)评定。

合金工具钢退火后的珠光体组织按GB1299-77第二级别图(3)评定。

轴承钢退火后的珠光体组织为2-5级(按YB9-68第六级别图(4)评定),网状碳化物应≤3级(按YB9-68第六级别图(4)评定)。

高速工具钢和Cr12型钢退火后应检查共晶碳化物不均匀度(可根据锻件标准图片企业标准或上海工具厂标准评定)。

(2)淬火后马氏体等级按《JB2406-79,工具钢热处理金相检验标准》第十、第九级别图评定,要求碳素工具钢≤3级,高碳合金工具钢≤2级,中合金工具钢≤4级。

3、热作模具热处理质量检验

热作模具热处理后质量检验包括硬度、变形、外观检查等。

3.1外观检查

模具表面不应有肉眼可见的裂纹,尤其是工作面不应有明显磕碰伤痕。

3.2变形检查

模面变形是指模面的平面度,用平尺观测模面平面度,并用塞尺测量。锤锻模及压力机模面允许变形量如表3、表4。

表3  锤锻模模面允许变形量

模具类型   小型   中型   大型   特大型  
变形量(mm)   ≤0.25   ≤0.30   ≤0.50   ≤0.50  

表4  压力机模具允许变形蛳

模块长度   ≤500   >500-600   ≥600  
变形量(mm)   0.5-0.6   0.6-0.8   1.0-1.20  

压铸模平面允许变形量≤0.15mm。

3.3硬度检验

首先将检验部位磨光或抛光,一般用面氏或洛氏硬度计检查,根据情况亦可用肖氏或里氏硬度检查,模面硬度的检验部位应在型腔附近的平面上,当采用里氏硬度检查时,可测试型腔的内表面硬度。

4、渗氮(氮化)及氮碳共渗软氮化模具的质量检查

4.1外观检查

氮化或软氮化模具表面应为均匀一致的颜色,无花斑、无锈透、无碰伤。

4.2变形检查

工件弯曲、翘曲、扭曲变形,圆度及胀缩均应符合技术要求。

4.3硬度检查

使用小负荷维氏硬度或显微硬度检测同炉试样的渗层硬度,小模块可直接上机测试,其硬度符合表5要求。

4.4渗层组织检查

渗氮扩散层中,氮化物形状以符合氮化物形状级别图五级标准中的1-3级为合格(按GB11354-89钢铁零件渗氮层深度和金相组织检验标准评定)。

表5  模具气体软氮化渗层深度及硬度

模具材料   预处理状态   表面硬度HV0.1   化合物层深(μm)   扩散层深(mm)  
45     ≥550   10-20   0.30-0.50  
40Cr     ≥650   7-15   0.15-0.20  
Cr12MoV   二次硬化58-62HRC   ≥850   6-10   0.05-0.15  
38CrMoAl   调质26-32HRC   ≥900   10-15   0.10-0.20  
3Cr2W8V   调质28-32HRC

淬火42-46HRC

  650-750          
W18Cr4V

QT600-2

  62-64HRC   ≥900

≥650

  3-10

5-12

  0.03-0.05

0.10-0.20

 

渗氮层组织不应有网状氮化物和鱼骨状氮化物,允许有少量脉状组织。

渗氮后一般不再进行磨削加工,其化合物厚度一般应不大于0.03mm。

4.5抗蚀性检验

抗蚀渗氮(用于腐蚀性较强的塑料成型模具)应做抗蚀性检验。

抗蚀渗氮的工件应检验化合物层厚度及抗蚀性能。渗层厚度测量按JB2849-80《钢铁零件渗氮层金相检验标准》执行。对于合金结构和工具钢,在试样腐蚀后,可使用100倍显微镜测量其渗层深度,对于渗层深度难以显示的材料,可采用显微硬度梯度法确定。抗蚀性能检验可将工件或试样浸入6%-10%(质量比)的硫酸铜水溶液中保持1-2min,检验表面有无铜的沉积,如无沉积则为合格。也可将工件或试样浸入每升溶有10g赤血盐和10g氯化钠的蒸馏水中1-2min,表面若无蓝色印迹即为合格。检验后须立即用水清洗。

5、渗硼模具质量检验

渗硼件质量检验遵循JB4215-86硼砂熔盐渗硼标准中第5条规定。

本文补充另一种浸蚀剂的配方及操作要点:

苦味酸5g,NaOH25g,H2O100g。制备好的试样保存在不锈钢封闭容器内,浸蚀温度为35-40℃,时间30s左右。FeB着成浅蓝色,Fe2B着成黄色,当浸蚀时间缩短时,FeB呈棕色,Fe2B呈浅黄色。

若需同时显示渗硼层组织与基体显微组织时,经三钾试剂浸蚀后(或经苦味酸试剂浸蚀后),再用3%(质量比)硝酸酒精溶液腐蚀即可显示基体组织。

浸蚀操作时,试样在浸蚀前后的水洗及酒精冲洗工作一定要严格操作,试样的腐蚀往往不是一次就能成功,而需反复抛光、浸蚀,有时达数次方可取得满意效果。

6、模具的硬度检验

硬度检验是模具热处理最通用的检验方法,这不仅因为硬度检查具有直观、方便、经济、实用等特点,更重要的是因为模具设计对热处理除了变形量要求外,往往仅限于硬度指标。除此之外,硬度与强度还有一定的对应换算关系,而强度测试却比硬度测试复杂得多。例如有的标准件(螺栓40Cr?12.9级)热处理就是根据其硬度与强度的对应关系在热处理后测试其硬度,而很少测试其强度。

6.1硬度及测试方法概述

硬度是固体材料抵抗弹、塑性变形或破坏的能力。它不是一个单纯的物理或力学量,它是代表着弹、塑性、塑性形变强化率、强度和韧度等一系列不同物理量组合起来的一种综合性指标。从理论上讲,用不同测试方法所得的硬度之间并无简单准确的相互关系作为换算的基础。文献上所列的换算公式和对照表,仅仅是根据对同类金属材料在相同状态下和一定硬度范围内进行比较分析而归纳出来的经验关系。这些换算关系式对照表有一定的实用价值,但在要求比较准确时便不宜采用。

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