基于V3N 超硬型高速鋼模具在粉末冶金壓模壓制的研究

吳國明，李進(jìn)東

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，四川 遂寧 629000）

1 材質(zhì)和工藝

粉末冶金模具的種類很多，應(yīng)用最廣泛的是壓模、精整模、鍛模，把粉末壓制成壓坯所用的模具稱為壓模[2］。將壓模模具型腔內(nèi)粉末壓制成有預(yù)定形狀和尺寸壓坯的過程，就是壓制[3］。粉末冶金制件是否優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低成本的壓制出來，模具的設(shè)計(jì)、制造和模具材料的選擇起至關(guān)重要的作用。粉末冶金模具的選材一般分為合金模具鋼、高速鋼、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、硬質(zhì)合金。而W10Mo4 Cr4V3NAL 簡稱V3N 鋼。V3N 鋼是介于高速鋼和硬質(zhì)合金之間的一種超硬型耐磨高速鋼。我國目前超硬型高速鋼系列有M2AL、M42、V3N 等幾個(gè)品種。M2AL 熱處理硬度能達(dá)到67-70HRC，但是熱處理過程中容易產(chǎn)生混晶，韌性不夠理想；M42 具有較好的力學(xué)性能，但是CO 的含量比較高，因此成本較高，性價(jià)比不夠理想。V3N 鋼是一種無鈷超硬耐磨高速鋼。它和M2AL 相比具有良好在綜合力學(xué)性能，熱處理硬度達(dá)到70HRC，同時(shí)可以保持好的韌度指標(biāo)。它和M42 相比，價(jià)格只有M42 的1/3，但所有在力學(xué)性能都達(dá)到M42 在水平。和硬質(zhì)合金相比，綜合力學(xué)性能接近硬質(zhì)合金，但車成本只有硬質(zhì)合金在20%左右。V3N 超硬型耐磨模具的特點(diǎn)：(1)無鈷、硬度高，耐磨性好；高的紅硬性（625OC，4 小時(shí)，硬度保持在63～65HRC）和一定在韌性。(2)加入N 元素，細(xì)化鋼中的共晶碳化物，改善淬火組織，提高韌性。⑶化學(xué)成分：WC=1.13～1.25%，WW=11～12.5%，WMO=2.5～3.2%，WCr=3.5～4.1%，Wv=2.5～3.1%，WN=0.04～0.1%，WSi≤0.4%，WMn≤0.4%，WP≤0.03%，WS≤0.03%。

2 V3N 超硬型耐磨高速鋼模具的性能

V3N 超硬型耐磨高速鋼模具的硬度和韌性是相互對立的，而超硬型耐磨高速鋼很好地解決了硬度和韌性之間的問題。當(dāng)硬度越高時(shí)，韌性越下降，用低溫淬火+低溫回火解決。硬度為61HRC時(shí)沖擊韌度AK=52J/cm2；硬度為62HRC 時(shí)沖擊韌度AK=49J/cm2,大大超過了相同硬度狀態(tài)下的高含鉻量類模具的沖擊韌度[4]。V3N 鋼中鎢、釩等合金元素含量較高，其耐磨性高于合金類模具。硬度68.6HRC 時(shí)，沖擊韌度AK=15J/cm2；；硬度為67.2HRC 時(shí)沖擊韌度AK=27J/cm2。雖然耐磨性比燒結(jié)碳化物稍差，但沖擊韌性卻要高得很多。V3N 鋼超硬耐磨模具其硬度高、耐磨性好以及高的紅硬性和良好的韌性的，其生產(chǎn)過程中它的使用效果在冷作模具鋼上表現(xiàn)十分明顯，克服了模具刃口塌陷和崩裂等早期損壞的現(xiàn)象。和現(xiàn)用其它冷作模具材料的五項(xiàng)力學(xué)性能見表1。

表1 V3N 鋼超硬耐磨冷作模具材料性能比較

由表1 可知，在硬度、強(qiáng)度和剛度方面，V3N 鋼高于現(xiàn)有各類材料制造的冷作模具，相當(dāng)于鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料水平，其抗彎強(qiáng)度和沖擊性能明顯高于另外兩類硬質(zhì)合金。V3N 鋼作為一種冷作模具材料，它的硬度、強(qiáng)度和韌性等主要技術(shù)性能指標(biāo)相當(dāng)于同等釩量級別的含鈷高速鋼水平[4]。HPS-15 和V3N 鋼高速工具鋼性能比較見表2。

表2 V3N 鋼和HSP-15 高速工具鋼性能比較

3 V3N 超硬型耐磨高速鋼模具使用情況

一般情況下，V3N 相當(dāng)于國際市場現(xiàn)用含10%Go 的高速鋼，已在模具生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，可使使用壽命成倍增加。V3N 超硬型耐磨高速鋼沖裁模具壽命超過普通高速鋼的2～10 倍，Cr12 類模具的5～10 倍，CrWMn 類模具的20 倍左右。制造的成形模具和冷鐓模具使用壽命達(dá)到普通模具的10 倍。所以如果模具的失效形式為崩裂，可選低硬度低于62HRC 高韌度的V3N 鋼；如果模具的失效形式為磨損，可選用68HRC 高硬度的V3N 鋼。當(dāng)設(shè)計(jì)的模具使用壽命達(dá)不到要求時(shí)，用V3N鋼[4]。

硬質(zhì)合金模具在使用過程中易崩裂，呈非正常的失效形式。用V3N 鋼可以大大提高模具的沖擊韌性，減少或消除模具的脆斷。硬質(zhì)合金模具一旦劃傷，很難修復(fù)，但V3N 鋼模具則較容易修復(fù)，因而提高了模具的使用壽命。大尺寸的硬質(zhì)合金模具難以生產(chǎn)制造，且加工成本較高，性能不易保證，V3N 鋼模具可以取代大尺寸的硬質(zhì)合金模具，用鐓粗，拔長，鍛造和改善內(nèi)部組織等加工工藝。模具鍛造質(zhì)量明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金，加工成本又大大低于硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金模具加工相當(dāng)困難，機(jī)械加工費(fèi)用占較大比例，所以硬質(zhì)合金一般適宜于形狀簡單的模具；V3N 鋼的退火硬度小于270HBS，非常容易進(jìn)行機(jī)械加工，能根據(jù)需要加工成任意復(fù)雜形狀的零件。

V3N 鋼適用于制作粉末冶金模具。陰模，上模沖，下模沖，芯軸在工作時(shí)都承受很高的壓力，在與各種粉末的高壓力摩擦下，要求模具有很高的硬度和耐磨性。V3N 鋼能很好地滿足該要求，當(dāng)壓制的產(chǎn)品批量大時(shí)，更能顯示它的優(yōu)越性。V3N 鋼在模具中的陰模套、陰模鑲塊、滑輪壓墊、滾輪、滾輪芯軸等都可以選用。V3N 鋼還可以用來制作粉末冶金擠壓模具。用V3N 鋼制作擠壓桿，易于加工，幾乎不磨損螺旋表面磨損，使用壽命是普通系列高速鋼的5 倍以上。表3 是V3N 鋼在粉末冶金制品壓制模具(壓模)上的應(yīng)用實(shí)例。

從國外引進(jìn)的高性能模具材料,大多數(shù)為含高釩高速鋼和含鈷超硬高速鋼。比如日本SKH57、德國S10-4-3-10（Ww=10%，WMO=4%，WV=3%，,WCO=10%,WCr=4%）、美國 的M46（8-2-3-8）和T15（12-1-5-5）、瑞典的KWE-45 和KWE-4 即ASSAB 高速鋼HSP-17 和HSP-15。而用V3N 超硬型耐磨高速鋼模具代替以上進(jìn)口模具材料，制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口模具材料，其使用性能全部能夠達(dá)到要求，完全能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)口模具國產(chǎn)化，現(xiàn)在我國目前粉末冶金行業(yè)從國外引進(jìn)了不少的先進(jìn)生產(chǎn)線，模具的使用壽命直徑影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。如果使用國內(nèi)生產(chǎn)的一般類合金模具，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外的設(shè)計(jì)水平，使用進(jìn)口模具則成本過高，如果使用V3N 鋼模具，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，大大降低模具的制造和使用成本。V3N 超硬型耐磨高速鋼模具的抗熱震性比含碳化鎢和鈷合金以及鋼結(jié)硬質(zhì)合金高，紅硬性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼結(jié)硬質(zhì)合金及其它模具鋼和高性能的高速鋼，是非常理想的溫壓、溫中模具材料，而溫壓技術(shù)是新興的粉末冶金技術(shù)，模具的選材十分重要，而V3N 超硬型耐磨高速鋼模具鋼就恰好滿足了溫壓模具的應(yīng)用要求[5]。

表3 V3N 鋼在粉末冶金制品壓制模具(壓模)上的應(yīng)用實(shí)例

隨著現(xiàn)代模具工業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)在很多產(chǎn)品對模具的精度要求越來越高，這些模具在線切割后還要經(jīng)過研磨、拋光才能使用，有些模具材料在線切割過程中易發(fā)生變形，直接影響模具的精度。而V3N 鋼經(jīng)過特殊處理后，在加工過程中基本不變形。

4 結(jié)論

通過對以上幾種模具制造的材料、性能、工藝、應(yīng)用和對比可以看出，V3N 鋼模具具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。模具使用壽命長，使用范圍相當(dāng)廣泛，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，進(jìn)一步研究、推廣和應(yīng)用V3N 超硬型耐磨高速鋼模具會得到良好的效果。