陶瓷膜冷拔沖體的研究

趙裕民， 劉景山， 張國全， 李穎， 石堅

（北方華安工業(yè)集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046）

0 引言

隨著科技的進步，很多產(chǎn)品的制造靠熱擠壓技術已滿足不了工藝要求，冷擠壓技術憑借著冷擠壓產(chǎn)品密度高、表面光澤等優(yōu)點有了很大的發(fā)展。近年來在冷拔鋼筒生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)工件內(nèi)表面道線問題，追其原因出在冷拔沖體上，原沖體一直采用的是合金鋼材料，表面硬度差，當摩擦溫度升高后，經(jīng)常出現(xiàn)掛蠟造成工件內(nèi)表面劃痕，產(chǎn)品質(zhì)量一直不穩(wěn)定，急需一種新型沖體取代合金鋼拔伸沖體。

1 新型沖體的設計

微弧氧化技術可使某些物體表面生成陶瓷膜，而且制造工藝簡單、陶瓷膜硬度高，是普通合金鋼硬度的數(shù)十倍，并具有附著力好、極強的耐磨損性能，新冷拔沖體的設計，就是利用微弧氧化生成的陶瓷膜的技術，并在鋁、鈦、鎂、鋯等金屬中選自出一種具有較高硬度的合金材料用于新沖體的制作。

2 冷拔沖體設計的基本要求

在冷擠壓生產(chǎn)過程中，冷拔沖體是重要沖模具之一，它直接關系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，因此，冷拔沖體的設計中必須具有下列要求：1）沖體材質(zhì)必須具有一定硬度，特別是沖體表面硬度越高越好，以保護表面光潔度；2）沖體材質(zhì)必須具有良好的耐溫性能；3）沖體表面必須有良好的光潔度，以降低冷擠壓生產(chǎn)過程中的摩擦阻力，減少溫升，防止沖體掛蠟。

3 陶瓷膜沖體材質(zhì)的選擇

通過對比鋁、鎂、鈦、鋯等幾種金屬的合金性能，發(fā)現(xiàn)適合用作沖體材料的合金是鈦合金。在純鈦中加入合金元素對其性能進行改善和強化形成鈦合金，其強度、耐熱性、耐腐蝕性高，具有無磁性，聲波和振動的低阻尼特性，因此選擇鈦合金作為冷拔沖體的材質(zhì)。

4 鈦合金型號的選定

沖體材質(zhì)必須具有一定硬度，因此在鈦合金選材方面盡可能硬度較高的，通過與其他型號鈦合金比較后，本體材料選定為TC4鈦合金。TC4鈦合金具有以下特性：TC4材料固溶強化處理后，強度增加不大，就到1100 MPa，退火狀態(tài)下強度一般在900MPa；TC4鈦合金具有很高的耐蝕性，小的密度，高的比強度及較好的韌性和焊接性，在航空航天部門都得到成功的應用。TC4鈦合金密度為4.5g/cm3，工作溫度為-100～550℃。TC4鈦合金化學成分如表1所示。由于TC4鈦合金具有較高的比強度和耐溫性能，冷拔沖體的材質(zhì)就選定為TC4鈦合金。

表1 TC4鈦合金化學成分質(zhì)量分數(shù)%

5 冷拔沖體的制造

經(jīng)過生產(chǎn)試制的探索，冷撥沖體的制造工藝為：選原材料→檢驗分析成分→粗加工→熱處理提高本體材質(zhì)硬度→精加工→機械性能檢測→超聲波探傷→表面拋光→成品檢驗→微弧氧化前端面保護、絲扣保護→表面微弧氧化處理→硬度檢測→膜厚度檢測→工作面拋光→包裝出廠。

圖1 沖體示意圖

圖2 陶瓷膜顯微圖像

簡介工序11表面微弧氧化過程：首先在TC4鈦合金本體的端面、絲扣及非工作表面進行涂油保護，放入電解槽中，使用去離子水配置的 NaAlO2溶液，氧化設定為 5 h，液體溫度控制在45℃。通過該方法在TC4鈦合金本體表面不同深度生成TiO2金紅石和TiAl2O5尖晶石氧化物陶瓷膜。使用顯微力學探針測定了膜的硬度和彈性模量分布，結(jié)果表明，TC4鈦合金沖體表面經(jīng)過微弧氧化處理后，膜/金屬界面的鈦合金本體顯微組織保持不變，從膜表面到膜內(nèi)部硬度和彈性模量逐漸增加。沖體示意圖如圖1所示。顯微圖像如圖2所示。

6 沖體表面顯微硬度及膜厚性能測試

沖體檢查前工作面進行拋光處理，沖體表面的粗糙度達到Ra0.2 μm后，再分別在沖體本體的上、中、下3處分別提取試樣，檢測結(jié)果：上部試樣硬度819HV，膜厚50μm；中部試樣硬度為796HV，膜厚為54μm；下部試樣硬度為854HV，膜厚為56 μm。測試結(jié)果表明陶瓷膜表面硬度遠超出合金鋼沖體硬度。

7 冷拔沖體生產(chǎn)過程測試

首先挑選相關產(chǎn)品合格的沖孔料100發(fā)，經(jīng)過熱處理→粗加工→精加工→除油→磷化→皂化后等待冷拔操作，拔伸機安裝好冷拔沖體，進行沖體的偏差檢測，合格后準備生產(chǎn)作業(yè)。做好產(chǎn)品內(nèi)徑尺寸、內(nèi)腔道線檢查記錄，做好冷拔沖體的外觀、溫度檢測記錄。一旦出現(xiàn)異常，馬上停止操作，查明原因后方可繼續(xù)實驗。此次實驗制作合格的陶瓷膜冷拔沖體2根，達到一用一備，確保實驗萬無一失。試驗證明陶瓷膜沖體表面硬度及光潔度的增加，減小拔伸阻力，解決了一直困擾冷拔生產(chǎn)過程中沖體粘連（掛臘）問題，實驗效果很好，產(chǎn)品內(nèi)腔無道線、無斑痕，產(chǎn)品質(zhì)量與以前相比得到明顯改善。

8 陶瓷膜冷拔沖體的實驗效果評估

陶瓷膜冷拔沖體工作帶硬度極高，無黏結(jié)問題。耐磨性能遠遠超過普通沖體，使用壽命超長。新沖體本體重量輕，改換品種時沖體的安裝方便。新沖體摩擦阻力小，生產(chǎn)效率提高，產(chǎn)品質(zhì)量明顯改善。雖然新沖體造價昂貴，但產(chǎn)品廢品率下降3%，適用于大批量沖撥生產(chǎn)。新沖體本體硬度是普通沖體3/5，實驗中未受影響。

9 結(jié)語

陶瓷膜冷拔沖體在冷拔生產(chǎn)中是一種新的嘗試，實驗證明新沖體提高了生產(chǎn)效率，解決了生產(chǎn)中的黏結(jié)問題，產(chǎn)品質(zhì)量明顯改善。對集團公司民品發(fā)展具有較大推動作用。

［1］ 王虹斌，方志剛，蔣百靈.微弧氧化技術及其在海洋環(huán)境中的應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［2］ 史宸興.實用連鑄冶金技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.