冷沖模選材與熱處理工藝初探

王文景

摘要:本文主要分析模具材料性能特點(diǎn)、合理選材的方法以及冷沖模的選材原則;探討模具零件熱處理技術(shù)與材料關(guān)系、熱處理對(duì)模具制造的各方面影響以及較新的模具熱處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞:冷沖模;材料;選材原則;熱處理

1冷沖模材料的選擇

1.1模具材料

模具材料對(duì)于改善模具的使用性能與加工性能、保證工作壽命和降低生產(chǎn)成本關(guān)系重大。通常按用途將模具材料分為三大類:冷作模具、熱作模具和塑料成形用模具材料。模具材料的選擇應(yīng)考慮模具零件的使用性能和加工性能。

1.1.1硬度和耐磨性:這是使模具零件在特定的工作條件下,不因其表面質(zhì)量或精度發(fā)生變化而造成模具過早失效的可靠保證之一。冷沖模零件一般要求硬度在HRC60左右。

1.1.2強(qiáng)度和韌性:在工作時(shí),模具既要有足夠強(qiáng)度,承受高壓;又要有一定的韌性,承受沖擊。

1.1.3加工性能:模具材料的加工性能包括冷加工性能和熱加工性能等。

1.1.4淬火溫度和淬火變形:一般希望模具材料的淬火溫度范圍較寬,熱處理變形程度較小。

1.1.5淬透性和淬硬性:淬硬性主要取決于鋼的含碳量;淬透性主要取決于鋼的化學(xué)成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態(tài)。

1.2模具材料的合理選擇

模具材料的選擇是針對(duì)具體的模具零件,在相應(yīng)的模具材料中選擇出一、兩種較為理想或合適的材料的過程,合理選材是保證模具壽命、提高材料利用率的基本要求。模具零件材料應(yīng)滿足一下要求:

1.2.1使用性能足夠:根據(jù)工作條件,失效形式、壽命要求、可靠性的高低等提出材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等使用性能要求。

1.2.2工藝性能良好:根據(jù)制造工藝流程及方法不同,保證所選材料具有良好的工藝性能。

1.2.3材料供應(yīng)普遍:應(yīng)考慮地方資源與市場(chǎng)供應(yīng)情況,且品種規(guī)格應(yīng)盡量少而集中,便于采購和管理。

1.2.4經(jīng)濟(jì)性合理:“滿足制品要求,發(fā)揮材料潛力,經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理”原則。

模具選材決策涉及兩個(gè)關(guān)鍵要素:(1)模具的使用壽命,(2)被生產(chǎn)制品的經(jīng)濟(jì)性。

模具的使用壽命是指模具在使用過程中的耐用程度,單套模具生產(chǎn)的制品越多,則標(biāo)志著模具的壽命越長。在保證制品質(zhì)量的前提下,模具工作壽命是選擇模具材料主要考慮的因素。

對(duì)于大批量生產(chǎn)制品的模具,還要考慮模具的整體經(jīng)濟(jì)性。模具選材優(yōu)化的目標(biāo)是單件制品的生產(chǎn)總成本。冷沖模模具壽命往往達(dá)100萬件以上,制品的批量大小(小、中、大、特大等)是選擇模具材料的重要因素。例如冷沖模材料從碳素工具鋼(T10A)到低合金工具鋼(CrWMn),至高合金工具鋼(Cr12MoV),再至高速鋼,甚至硬質(zhì)合金,其模具壽命可在一萬件到上百萬件制品間波動(dòng)。

1.3冷沖模的選材原則

冷沖模主要用在使金屬板料產(chǎn)生塑性變形或分離而加工成形所需制件方面。對(duì)模具的硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性和抗疲勞性等性能指標(biāo)要求較高。而這些性能指標(biāo),主要是通過正確的選材與合理的熱處理工藝搭配來保障。

1.3.1選擇淬透性良好的材料

冷沖模除要求表面有足夠的硬度外,還要求心部具有足夠的韌性。選材時(shí),應(yīng)選用淬透性好的鋼材。為了使零件淬火后能獲得較均勻的應(yīng)力狀態(tài),避免開裂或變形,也應(yīng)選用淬透性較好材料。

1.3.2選擇抗回火穩(wěn)定性高的材料

冷沖模在工作時(shí),會(huì)形成較高的溫度,模具材料本身要具有較高的抗回火穩(wěn)定性。一般說來,采用不同程度的含鉻和含鋁的合金鋼,能顯著提高回火穩(wěn)定性。

1.3.3根據(jù)制品批量選擇材料

制件數(shù)量較大的模具一般選用優(yōu)質(zhì)合金工具鋼制造;制件數(shù)量較少的模具則采用價(jià)廉的碳素工具鋼制造。

1.3.4根據(jù)模具的精密程度和使用壽命選擇材料

制造小型精密而復(fù)雜的冷沖模,宜選用優(yōu)質(zhì)鋼材;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且使用壽命要求不高的模具,可采用相對(duì)便宜的材料制作;大型凸、凹模,可采用局部鑲拼結(jié)構(gòu),節(jié)省貴重鋼材。

1.3.5根據(jù)模具零件的作用選擇材料

冷沖模的關(guān)鍵零(部)件,如凸模和凹模,可采用優(yōu)質(zhì)鋼材制作,而其它零件可以采用一般鋼材制作。但對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的沖裁凸模和凹模,以及彎曲模與拉深模,如果是用來沖制數(shù)量不多或者厚度不大的有色金屬和黑色金屬,則多半可以選用優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。

選材時(shí)需要考慮多方面的因素,如模具的工作條件、模具的失效形式、模具加工的產(chǎn)品,模具的結(jié)構(gòu)、模具的制造工藝,以及模具的設(shè)計(jì)因素等?？傊x材時(shí),既要考慮使用性能,又要考慮總成本。

2模具材料的熱處理

2.1熱處理與模具制造

熱處理是利用加熱、保溫和冷卻的方法,促使金屬內(nèi)部組織發(fā)生變化,從而獲得所需性能的工藝過程。通常,模具的使用壽命及其制品質(zhì)量,在很大程度上取決于熱處理的質(zhì)量。熱處理對(duì)模具制造過程和相關(guān)性能有著直接的影響。

2.1.1模具精度:熱處理中組織轉(zhuǎn)變不均勻、不徹底和殘余應(yīng)力過大,會(huì)造成模具后續(xù)加工、裝配和使用過程中的變形,降低精度,甚至報(bào)廢。

2.1.2模具強(qiáng)度和硬度:熱處理工藝制定不當(dāng)、操作不規(guī)范或設(shè)備狀態(tài)差,會(huì)造成模具強(qiáng)度、硬度達(dá)不到要求。

2.1.3模具工作壽命:熱處理后組織結(jié)構(gòu)不合理、晶粒粗大等,導(dǎo)致主要性能如韌性、冷熱疲勞性能、抗磨損性能等下降,影響工作壽命。

2.1.4模具制造成本:作為中間工序或最終工序,熱處理造成的不合格,多數(shù)情況下會(huì)使模具報(bào)廢;即使通過修補(bǔ)仍可繼續(xù)使用,也會(huì)增加工時(shí),延長交貨期,加大模具的制造成本。

2.2冷沖模零件熱處理技術(shù)

冷沖模零件熱處理技術(shù)發(fā)展較快的有:真空熱處理、表面處理和預(yù)硬化處理。

2.2.1模具零件的真空熱處理

該方法具備的特點(diǎn),正是模具制造中所迫切需要的,比如防止加熱氧化和不脫碳、真空脫氣或除氣,消除氫脆,變形小等。

按冷卻介質(zhì)不同,真空淬火可分為真空油冷淬火、真空氣冷淬火、真空水冷淬火和真空硝鹽等溫淬火。模具真空熱處理中主要應(yīng)用的是前三種。

真空熱處理過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)(包括組織模擬和性能預(yù)測(cè)技術(shù))的成功開發(fā)和應(yīng)用,使得模具的智慧化熱處理成為可能。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家,如美國、日本等,在真空高壓氣淬方面的研究主要針對(duì)目標(biāo)也是模具。

2.2.2模具零件的表面處理

在工作中,模具零件表面性能對(duì)工作性能和使用壽命至關(guān)重要,如耐磨損性、耐腐蝕性、摩擦系數(shù)、疲勞性能等。單純依賴基體材料的改進(jìn)和提高是非常有限且不經(jīng)濟(jì)的,而通過表面處理技術(shù),可以收到事半功倍的效果,因此模具表面處理技術(shù)得到迅速發(fā)展。

該技術(shù)是通過表面涂覆、表面改性或復(fù)合處理技術(shù),改變模具表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài),以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。模具制造中應(yīng)用較多的表面處理技術(shù)主要是滲氮、滲碳和硬化膜沉積。

(1)滲氮工藝有氣體滲氮、離子滲氮、液體滲氮等方式。滲氮技術(shù)可以形成優(yōu)良性能的表面;滲氮工藝與模具鋼淬火工藝協(xié)調(diào)性良好;滲氮溫度低,不需要快速冷卻,變形極小,因此滲氮技術(shù)在模具表面強(qiáng)化應(yīng)用較早,最廣泛。

(2)模具滲碳可以提高模具的整體強(qiáng)韌性,即模具的工作表面具有高的強(qiáng)度和耐磨性?？捎幂^低級(jí)材料,通過滲碳淬火來代替較高級(jí)材料,降低制造成本。

(3)硬化膜沉積技術(shù)目前較成熟的是CVD(Chemical Vapor Deposition,化學(xué)氣相沉積),PVD(Physical Vapor Deposition,物理氣相沉積)。硬化膜沉積技術(shù)最早在工具(刀具、刃具、量具等)上應(yīng)用,效果極佳,多種刀具已將涂覆硬化膜作為標(biāo)準(zhǔn)工藝。硬化膜沉積設(shè)備成本較高,只在一些精密、長壽命模具上應(yīng)用。

2.2.3模具材料的預(yù)硬化處理

上世紀(jì)70年代以來,國際上提出預(yù)硬化思路。80年代,工業(yè)發(fā)達(dá)國家在塑料模材料上使用預(yù)硬化的比例達(dá)到30%(目前在60%以上)。我國在90年代中后期開始采用預(yù)硬化技術(shù)。

模具材料預(yù)硬化技術(shù)主要在模具材料生產(chǎn)廠家開發(fā)和實(shí)施。通過調(diào)整鋼的化學(xué)成分和配備相應(yīng)的熱處理設(shè)備,可以大批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的預(yù)硬化材料。采用該類材料,可以簡(jiǎn)化制造工藝,縮短制造周期,提高制造精度。

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