冷沖壓模具常用金屬材料及其熱處理工藝研究

王婷

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域都離不開(kāi)模具，而模具材料是制造模具的基礎(chǔ)。廣泛使用的模具材料其種類(lèi)是非常多的，我們所謂的模具材料，其內(nèi)涵至少包括兩個(gè)方面：一是材料的組成，也就是材料是由什么金屬或其它某些物質(zhì)制作而成的；二是材料獲取的工藝流程，也就是制造這種材料所需采用的各種流程處理方式。只有完全地解決了這兩個(gè)問(wèn)題，才能得到想要的模具制造材料，做出滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的模具。

關(guān)鍵詞：冷沖壓模具；金屬材料；熱處理工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TG385 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0069-02

Abstract： Many fields of industrial production can not be separated from molds， and mould materials are the basis of mold manufacturing. There are many kinds of mould materials which are widely used. The connotation of the so-called mould materials includes at least two aspects： one is the composition of materials. That is， the material is made from some metal or some other substance； The second is the process of material acquisition， that is， the process of manufacturing this material to adopt a variety of processing methods. Only by solving these two problems completely can we get the desired mould manufacturing material and make the mould meet the actual needs of production.

Keywords： cold stamping die； metal material； heat treatment process

通常情況下，在選用冷沖壓模具材料時(shí)要首先考慮該批工件的數(shù)量，如果數(shù)量不多就沒(méi)必要去選擇那種具有更長(zhǎng)使用壽命的材料，這樣可以大幅降低生產(chǎn)的成本。其次，還需要考慮到被冷沖壓工件加工材料的材質(zhì)，不同的材質(zhì)具有反差極大的沖壓性能，適用的模具材料也會(huì)明顯不同。對(duì)于沖壓模具來(lái)說(shuō)，金屬材料的耐磨性能基本決定了模具的使用壽命。我們知道，鋼材的耐磨性完全取決于鋼材內(nèi)部碳化物等物質(zhì)構(gòu)成硬質(zhì)點(diǎn)的實(shí)際狀況及鋼材基體本身的硬度，當(dāng)這兩者均能保持較高的硬度時(shí)，材料內(nèi)含有越多的碳化物，其表現(xiàn)出的耐磨性就會(huì)越好。具體來(lái)說(shuō)，工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常用到的沖壓模具其鋼材的耐磨性從好到差的排列依次為：硬質(zhì)合金-鋼結(jié)硬質(zhì)合金-高速鋼-高碳高鉻鋼-基體鋼-合金工具鋼-碳素工具鋼。此外，還要考慮到工件及模具的形狀、厚度、精度、尺寸等要求對(duì)選擇模具材料的具體影響。

1 冷沖壓模具常用金屬材料

根據(jù)模具使用的條件對(duì)模具所用的材料進(jìn)行分類(lèi)，基本可以分三種：塑料模具鋼、熱作模具鋼、冷作模具鋼。本文重點(diǎn)討論冷作模具鋼，冷作模具鋼又主要包括冷擠壓模、冷沖裁模、冷沖壓模、冷鐓模等幾種。模具制作過(guò)程中，要對(duì)加工設(shè)備和模具進(jìn)行分離，分離時(shí)模具的切削刃因摩擦等原因?qū)е掳l(fā)熱其溫度高達(dá)200攝氏度以上，在模具加工的過(guò)程中模具材料會(huì)因機(jī)械力而受沖擊、拉伸、壓縮、摩擦以及彎曲等外部作用，常發(fā)生磨損、變形、斷裂等問(wèn)題。因此，對(duì)冷模具材料的要求通常需要具有優(yōu)異的抗咬和、抗變形、抗弱化、抗斷裂、耐疲勞等性能。這也是對(duì)模具材料提出了更高的要求，要解決這些問(wèn)題必然要增加生產(chǎn)的成本。

1.1 碳素工具鋼材料

在我國(guó)碳素工具鋼的產(chǎn)量非常大，使用也非常廣泛。這主要是因?yàn)樘妓毓ぞ咪摼邆湟恍╋@而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)：第一，可鍛性好，方便鍛造成所需的形狀；第二、退火易軟化，退火之后迅速軟化，便于下一步的加工流程；第三、切削加工性好，因?yàn)樘妓毓ぞ咪撚捕刃?，非常容易進(jìn)行切削處理；第四、價(jià)格便宜，這是決定碳素工具鋼得以廣泛使用的根本原因。但同時(shí)，碳素工具鋼也還存在許多不足之處，比如淬透性低，就得額外通過(guò)水作為加工過(guò)程中的冷卻劑，如此就會(huì)造成碳素工具鋼會(huì)發(fā)生更多的變形及斷裂等問(wèn)題。就是因?yàn)樘妓毓ぞ咪摼邆涞倪@些優(yōu)缺點(diǎn)，它只適合被用來(lái)制作模具一般都具有這樣的特點(diǎn)：尺寸較小，受力不大，形狀較為簡(jiǎn)單，且對(duì)形狀的變行要求不是很高，用碳素工具鋼制作這樣的模具，可以節(jié)省大量資源，但對(duì)于那些大型、大受力、形狀復(fù)雜、對(duì)形狀變形要求高的模具用碳素工具鋼就非常不適合了。

1.2 高碳高鉻模具鋼材料

與碳素工具鋼相比，高碳高鉻模具鋼表現(xiàn)出了更好的淬硬性、淬透性、耐磨性，高碳高鉻模具鋼因?yàn)楸旧淼奶匦远蝗菀装l(fā)生變形等情況，被看作是高耐磨及微變形模具鋼，但高碳高鉻模具鋼要比高速鋼在承載能力方面稍低。高碳高鉻模具鋼的缺點(diǎn)是碳化物有比較嚴(yán)重的偏析問(wèn)題，在實(shí)際沖壓過(guò)程中必須對(duì)其反復(fù)進(jìn)行改鍛、鐓拔，以逐步改善材料內(nèi)碳化物的均勻水平，如此才會(huì)提升高碳高鉻模具鋼的使用性能。

1.3 高速鋼材料

目前使用的高速鋼，多是采用通過(guò)添加鉬系元素等方式鍛造出來(lái)的，高速鋼因而具有了非常優(yōu)秀的使用性能，優(yōu)勢(shì)最明顯的地方就是熱塑性及強(qiáng)韌性都非常高，也因此獲得非常大的發(fā)展空間，在冷作模具高精度及大批量工業(yè)化生產(chǎn)中，占有非常重要的地位。

1.4 超硬高速鋼材料

基于超硬高速鋼是對(duì)高速鋼的一種變體，生產(chǎn)超硬高速鋼的目的就是為了滿足難切削材料的需要，通過(guò)一些特殊工藝的處理，進(jìn)一步強(qiáng)化了沖壓材料的硬度。但問(wèn)題是，增加了硬度的同時(shí)，也造成了一些問(wèn)題。比如抗彎曲能力差、韌性差、加工困難。導(dǎo)致這些問(wèn)題主要原因是超硬高速鋼為了提高自身的硬度，就不得不提高其碳含量。而當(dāng)碳含量超過(guò)一定程度時(shí)，就難免會(huì)出現(xiàn)過(guò)燒等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的柔韌性降低等材料缺陷。endprint

1.5 基體鋼材料

因?yàn)楦咚黉摵统哺咚黉摫旧泶嬖诘囊恍﹩?wèn)題，實(shí)際工業(yè)上的解決辦法就是通過(guò)添加少量的其它成分，在高速鋼的基本成分中適當(dāng)增減碳的含量，用來(lái)改善高速鋼的沖壓性能，我們把通過(guò)這種工藝生產(chǎn)的鋼統(tǒng)一定義為基體鋼。基體鋼屬于冷作模具鋼中偏強(qiáng)韌性的一種，這種鋼材料具備了高速鋼和超硬高速鋼的幾乎所有優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)基體鋼的生產(chǎn)其成本也遠(yuǎn)低于高速鋼?；w鋼的發(fā)明，對(duì)于模具材料的發(fā)展有著非常重大的意義。

1.6 硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料

如果只從硬度和耐磨性兩個(gè)方面考慮，硬質(zhì)合金要比前述幾種模具鋼都高出很多，但如果只從抗彎強(qiáng)度和韌性兩個(gè)方面考慮，硬質(zhì)合金的性能就要差很多。對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行改良的辦法就是采用鐵粉和少量合金粉末來(lái)做粘合劑，并且用碳化鎢和碳化鈦?zhàn)鲇操|(zhì)相，然后通過(guò)粉末冶金的加工方法來(lái)燒結(jié)而成，成品即鋼結(jié)硬質(zhì)合金。由于鋼結(jié)硬質(zhì)合金的基體材料仍然還是鋼材料，所以可對(duì)其進(jìn)行焊接、切削、熱處理和鍛造等加工措施。

2 熱處理工藝

在工業(yè)生產(chǎn)中，模具制造其成本一直居高不下，尤其精密復(fù)雜程度要求更高的壓鑄模、塑料模、冷沖模等，更是如此。對(duì)模具材料進(jìn)行深度加工，最為普遍采用的就是熱處理工藝。采用熱處理技術(shù)可以大幅改善模具本身的使用性能，并能夠大幅提升模具的使用壽命，所以具有比較可觀的經(jīng)濟(jì)利益，也得到了極大范圍內(nèi)的推廣和使用。

2.1 真空熱處理工藝

真空熱處理工藝可以令模具鋼材料保持非常好的表面性能狀態(tài)，整體變形較小。之所以會(huì)發(fā)生這樣的情況，主要是因?yàn)檫M(jìn)行真空加熱時(shí)，模具鋼材料的表面仍然保持活性狀態(tài)，因而不會(huì)發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，也不會(huì)產(chǎn)生氧化膜阻礙材料冷卻。真空加熱可以使模具鋼的表面產(chǎn)生脫氣的效果，所以材料本身就擁有了比較好的力學(xué)性能，增高加工爐內(nèi)的真空程度，則材料的抗彎強(qiáng)度也會(huì)逐步提升。經(jīng)過(guò)真空淬火處理后，模具鋼的斷裂韌性能也會(huì)有進(jìn)一步改善，經(jīng)實(shí)際測(cè)算，真空熱處理工藝處理過(guò)的模具其壽命要比常規(guī)工藝處理過(guò)的模具壽命提升40%。冷沖壓模具真空熱處理技術(shù)目前已比較成熟，在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛使用。

2.2 深冷處理工藝

與真空熱處理工藝相類(lèi)似，對(duì)模具鋼進(jìn)行深冷處理也能夠優(yōu)化材料的力學(xué)性能，并延長(zhǎng)模具的使用壽命。具體就工藝的流程來(lái)說(shuō)，對(duì)模具鋼進(jìn)行深冷處理可設(shè)置在淬火及回火工序中間，也可在淬火和回火后再進(jìn)行。通過(guò)深冷處理后，模具鋼耐磨性和抗回火穩(wěn)定性都有明顯改善。深冷處理工藝不僅在冷作模具的加工過(guò)程中得到廣泛使用，還可用于對(duì)硬質(zhì)合金和熱作模具進(jìn)行深加工處理。

2.3 模具的高、降溫淬火工藝

實(shí)際生產(chǎn)中，還可以采用高于常規(guī)淬火溫度的方式對(duì)一些模具鋼進(jìn)行處理，而對(duì)另一些模具鋼進(jìn)行降溫淬火，經(jīng)過(guò)這些處理能夠有效減少模具鋼材料內(nèi)部碳化物的含量，改善了材料的形態(tài)和性能。淬火處理后，能夠有效延長(zhǎng)模具的實(shí)際使用壽命。

2.4 化學(xué)熱處理工藝

一般情況下，化學(xué)熱處理工藝大多都能用于對(duì)模具鋼進(jìn)行表面處理，經(jīng)過(guò)化學(xué)熱處理工藝后，可有效改善模具鋼表面耐蝕、耐磨、抗氧化等性能。對(duì)合金鋼模具進(jìn)行高溫回火處理，都可以同時(shí)實(shí)施氮碳共滲以及表面滲氮。目前工廠里比較廣泛地被采用的化學(xué)熱處理工藝主要有高頻滲氮、滲氮工藝離子滲氮工藝。這其中，采用離子滲氮工藝的優(yōu)點(diǎn)是可有效縮短滲氮的時(shí)間，同時(shí)還能夠獲得更高質(zhì)量的表面滲層，進(jìn)而提升沖壓模具的抗蝕、耐磨、抗熱疲勞等性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今的信息社會(huì)，工業(yè)化生產(chǎn)極大繁榮，一方面，大批量生產(chǎn)極大降低了生產(chǎn)成本，另一方面，個(gè)性化訂制也滿足了人們更多獨(dú)特需求。無(wú)論是大批量生產(chǎn)，還是個(gè)性化訂制，模具都起到了至關(guān)重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種用途的模具越來(lái)越多出現(xiàn)在人們的視野里，也越來(lái)越多地被人們所關(guān)注。模具制造，以及對(duì)模具的改良，這是目前工業(yè)生產(chǎn)所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，也是許多技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。冷沖壓模具常用金屬材料及其熱處理工藝的研究，對(duì)于我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展與實(shí)踐，有著非常重要的價(jià)值和意義。

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