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、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與材料關系、熱處理對模具制造的各方面影響以及較新的模具熱處理技術。

關鍵詞: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成本關系重大。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,不因其表面質量或精度發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強度和韌性:在工作時,模具既要有足夠強度,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成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態。

1.2模具材料的合理選擇

模具材料的選擇是針對具體的模具零件,在相應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。模具零件材料應滿足一下要求:

1.2.1使用性能足夠:根據工作條件,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材料供應普遍:應考慮地方資源與市場供應情況,且品種規格應盡量少而集中,便于采購和管理。

1.2.4經濟性合理:“滿足制品要求,發揮材料潛力,經濟技術合理”原則。

模具選材決策涉及兩個關鍵要素:(1)模具的使用壽命,(2)被生產制品的經濟性。

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

對于大批量生產制品的模具,還要考慮模具的整體經濟性。模具選材優化的目標是單件制品的生產總成本。冷沖模模具壽命往往達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,甚至硬質合金,其模具壽命可在一萬件到上百萬件制品間波動。

1.3冷沖模的選材原則

冷沖模主要用在使金屬板料產生塑性變形或分離而加工成形所需制件方面。對模具的硬度、強度、韌性、耐磨性和抗疲勞性等性能指標要求較高。而這些性能指標,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,應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力狀態,避免開裂或變形,也應選用淬透性較好材料。

1.3.2選擇抗回火穩定性高的材料

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

1.3.3根據制品批量選擇材料

制件數量較大的模具一般選用優質合金工具鋼制造;制件數量較少的模具則采用價廉的碳素工具鋼制造。

1.3.4根據模具的精密程度和使用壽命選擇材料

制造小型精密而復雜的冷沖模,宜選用優質鋼材;結構簡單、且使用壽命要求不高的模具,可采用相對便宜的材料制作;大型凸、凹模,可采用局部鑲拼結構,節省貴重鋼材。

1.3.5根據模具零件的作用選擇材料

冷沖模的關鍵零(部)件,如凸模和凹模,可采用優質鋼材制作,而其它零件可以采用一般鋼材制作。但對于結構比較簡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,則多半可以選用優質碳素工具鋼。

選材時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、模具加工的產品,模具的結構、模具的制造工藝,以及模具的設計因素等。總之選材時,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,促使金屬內部組織發生變化,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量,在很大程度上取決于熱處理的質量。熱處理對模具制造過程和相關性能有著直接的影響。

2.1.1模具精度:熱處理中組織轉變不均勻、不徹底和殘余應力過大,會造成模具后續加工、裝配和使用過程中的變形,降低精度,甚至報廢。

2.1.2模具強度和硬度:熱處理工藝制定不當、操作不規范或設備狀態差,會造成模具強度、硬度達不到要求。

2.1.3模具工作壽命:熱處理后組織結構不合理、晶粒粗大等,導致主要性能如韌性、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,多數情況下會使模具報廢;即使通過修補仍可繼續使用,也會增加工時,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

冷沖模零件熱處理技術發展較快的有:真空熱處理、表面處理和預硬化處理。

2.2.1模具零件的真空熱處理

該方法具備的特點,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用的是前三種。

真空熱處理過程的計算機模擬技術(包括組織模擬和性能預測技術)的成功開發和應用,使得模具的智慧化熱處理成為可能。國外工業發達國家,如美國、日本等,在真空高壓氣淬方面的研究主要針對目標也是模具。

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工作性能和使用壽命至關重要,如耐磨損性、耐腐蝕性、摩擦系數、疲勞性能等。單純依賴基體材料的改進和提高是非常有限且不經濟的,而通過表面處理技術,可以收到事半功倍的效果,因此模具表面處理技術得到迅速發展。

該技術是通過表面涂覆、表面改性或復合處理技術,改變模具表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態,以獲得所需表面性能的系統工程。模具制造中應用較多的表面處理技術主要是滲氮、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。滲氮技術可以形成優良性能的表面;滲氮工藝與模具鋼淬火工藝協調性良好;滲氮溫度低,不需要快速冷卻,變形極小,因此滲氮技術在模具表面強化應用較早,最廣泛。

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

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

2.2.3模具材料的預硬化處理

上世紀70年代以來,國際上提出預硬化思路。80年代,工業發達國家在塑料模材料上使用預硬化的比例達到30%(目前在60%以上)。我國在90年代中后期開始采用預硬化技術。

模具材料預硬化技術主要在模具材料生產廠家開發和實施。通過調整鋼的化學成分和配備相應的熱處理設備,可以大批量生產質量穩定的預硬化材料。采用該類材料,可以簡化制造工藝,縮短制造周期,提高制造精度。

參考文獻:

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