热处理工艺对模具钢线切割加工变形的影响

电火花线切割是模具加工中广泛使用的一种加工工艺。它利用工件与钼丝之间火花放电的能量形成高温来腐蚀金属。加工过程中的变形是不可避免的，许多研究提出了一些减少变形的方法，但研究的重点大多侧重量于线切割工艺本身，对于热加工工艺对变形的影响研究很少。由于热处理过程中，工艺不同，则工件最后的应力状态也不同，因此热处理工艺对线切割变形有直接的影响。研究表明，变形量不仅与线切割工艺本身有关，而且与工件材料和热处理方法有关。本文探讨了CrWMn、Cr12MoV钢的热处理工艺对变形的影响并提出了减少变形的相应措施。

1 实验方法

实验材料采用常用的冷作模具钢CrWMn和Cr12MoV。Cr12MoV试样的尺寸为65mm×18mm×13.5mm，锻造后进行球化退火，其工艺为850～870℃×3～4h,720～750℃×6～8h炉冷至500℃后空冷，C12MoV经1030℃淬火后在不同温度下回火。CrWMn试样的尺寸为60mm×20mm×18mm， 经 850℃淬火后在200℃回火1～3次，用洛氏硬度计测量热处理后的硬度，然后进行线切割加工。所用设备为DK3220数控线切割机，加工参数为：高频电源的脉宽为2档，电压为90V，间隙为2档；加工电流为1.5A；冷却液为DX_1，油和水的比为1∶10；钼丝直径为0.14mm。加工后试样的形状和尺寸见图1。然后用千分尺测量加工后的变形量。

图1 线切割试样的形状和尺寸

2 实验结果及讨论

表1为热处理工艺对Cr12MoV钢线切割变形的影响。表2为热处理工艺对CrWMn线切割变形的影响。

表1　Cr12MoV的处理工艺对线变形的影响

编号	淬火温度(℃)	回火温度(℃)	硬度(HRC)	X方向尺寸(mm)		变形量(mm)
				加工前	加工后
1	1030℃	180	64	18.002	18.056	0.054
2		250	61	18.003	18.031	0.029
3		450	57	18.001	18.010	0.009
4*		450	55	18.000	18.002	0.002

*4号试样淬火时为空冷，其余为油冷

从表2可以看出，热处理工艺不同，试样硬度不同，随后经线切割后试样的变形也不同。对于Cr12MoV，随回火温度提高(或淬火冷却速度降低)，对于CrWMn，随回火次数增加，热处理后的硬度下降，线切割加工变形明显减低。对于Cr12MoV，中温回火和低温回火二者对变形量的影响尤为明显。图2为硬度对线切割变形的影响，两种材料的硬度和变形量的关系分布在一条曲线上，和材料本身关系不大。

表2　CrWMn热处理工艺对线切割变形的影响

编号	淬火温度	回火温度	回火次数	硬度(HRC)	X方向尺寸(mm)		变形量(mm)
					加工前	加工后
5	850℃油冷	200℃	不回头	66	20.4.2	20.487	0.085
6			1	62.5	20.401	2.438	0.037
7			2	62	20.404	20.437	0.033
8			3	61.5	20.403	20.433	0.030

通过观察发现，在线切割加工表面存在再淬火组织，即马氏体＋残留奥氏体＋碳化物。这是在线切割加工时快速加热、迅速冷却所导致的。而且对于同种材料，在线切割前回火越充分，则马氏体的量越少，相应残留奥氏体较多。

从实验结果可以看出，热处理工艺对线切割变形量有直接影响。在加工过程中工件的变形是由应力引起的，包括热应力、相变应力和加工应力。热处理后的应力通过提高回火温度和增加回火次数(即充分回火)加以消除，同时经充分回火后，回火组织更加细小弥散 ，在随后线切割加工时，提高奥氏体的稳定性，在冷却时减少马氏体的形成量，由于马氏体的比容比奥氏体的大，从而使相变应力降低，由于上述两种原因，从而可明显减少线切割加工的变形量。

3 减少变形的措施

为减少线切割加工的变形，除了从工件的形状和线切割加工工艺考虑外，还应注意热处理工艺的影响。在硬度许可的前提下，可采用较慢的冷却速度。较高的回火温度或增加回火次数，降低硬度，通过消除组织应力和相变应力，细化组织，减少线切割时伴随的再淬火组织中马氏体的形成量，可明显减少加工变形。

对于Cr12MoV钢，为减少淬火的热应力，在加热时应采用预热的方法。Cr12MoV的热处理工艺为1020～1040℃油冷，200～275℃或400～450℃回火，从减少变形的角度出发以选择400～450℃为佳，若材料性能不允许，在200～275℃范围时应取上限回火温度。对CrWMn，回火温度为150～200℃，为减少变形，可在200℃回火时增加回火次数或延长回火时间。

图2 硬度对电火花线切割变形的影响