提高GT35鋼結硬質合金冷擠壓模壽命的工藝研究

楊光龍，黃玉芳，黃曉琴

(1.貴州農業職業學院，貴州 清鎮 551400； 2.貴州高強度螺栓廠，貴州 貴陽 550009)

0 引 言

GT35鋼結硬質合金材料是出現較早、使用較廣泛的冷作模具鋼之一。因材料不僅具有良好的機械性能，且而還具有可切削加工、鍛造、焊接和熱處理等工藝性能，是介于模具鋼和硬質合金之間較為理想的冷擠壓模具材料。在緊固件生產企業中，GT35鋼結硬質合金材料應用十分廣泛。比如EQ140杯形螺母、U型螺栓、特大型六角螺栓等均采用冷擠壓工藝成型，其模具材料大都選用GT35鋼結硬質合金制造[1]。但是，由于冷擠壓模具在工作時將受到沖擊、拉伸、壓縮、摩擦以及彎曲等交變外力的作用，模具受力復雜，使用壽命較低，大都在3000件左右就需要修整或更換模具，不然就會產生咬合、變形進而增加了摩擦阻力，加劇模具的磨損，導致惡性循環。大量的生產實踐資料表明：GT35鋼結硬質合金冷擠壓模具在生產中的失效形式主要表現為磨損、擦傷、塑性變形、龜裂、掉塊和疲勞破壞等。顯然，GT35鋼結硬質合金冷擠壓模具沒有表現出抗咬合、抗變形、抗弱化、抗斷裂和耐疲勞等優異性能，如此低的使用壽命是沒有充分發揮GT35鋼結硬質合金材料的內在潛力的。筆者對GT35鋼結硬質合金的化成分與組織性能進行了分析，通過模具在制造過程中的各道工序試驗，提出了有效提高GT35鋼結硬質合金冷擠壓模壽命的工藝措施及要求，為模具生產實踐提供有益借鑒與參考。

1 GT35鋼結硬質合金化學成分與組織性能

GT35鋼結硬質合金是一種以TiC為硬質相，以Cr、Mo元素作為粘結相鋼基體，采用粉末冶金的方法在真空爐中加熱燒結而成的一種新型硬質合金材料，而后經過退火工藝，材料組織的為粒狀珠光體和白色塊狀TiC硬質相，其化學成分如表1所列。在GT35鋼結硬質合金中硬質相TiC呈面心立方晶格，是一種間隙式固溶體，這使得原材料存在著蔬松、夾雜和縮孔，同時TiC聚集成大塊狀分布在Cr、Mo元素組成的鋼基體中，形成強化間界。其中，Cr元素提高了鋼的淬透性和耐磨性，可改善模具的抗咬合和抗氧化能力；Mo元素可明顯提高鋼的淬透性和熱強性，防止回火脆性，提高剩磁和嬌頑力，使GT35鋼結硬質合金成為一種優良的冷擠壓模具材料。

表1 GT35鋼結硬質合金的化學成分(質量分數，%)

GT35鋼結硬質合金經退火處理后，材料硬度為34～40 HRC，可進行鍛造、焊接和機械加工，為制造復雜形狀的模具成為可能，同時GT35鋼結硬質合金與普通合金模具鋼一樣，是通過熱處理來改變材料中粘結相的組織形態，使GT35鋼結硬質合金具有與普通硬質合金相接近的物理機械性能，其物理機械性能如表2所列。

表2 GT35鋼結硬質合金的物理機械性能

2 工藝措施及要求

為了避免GT35鋼結硬質合金冷擠壓模具在生產中過早失效或損壞，充分表現出GT35鋼結硬質合金冷擠壓模具在抗咬合、抗變形、抗弱化、抗斷裂和耐疲勞等方面的優異性能，針對原冷擠壓模具的制造工藝存在的問題，通過生產試驗與實踐，對冷擠壓模具的失效原因和制造中存在的問題進行了分析和研究，充分發揮冷擠壓模具制造工藝設計的潛力，從模具毛坯鍛造及預處理、機械加工、熱處理、電加工、表面強化到模具的合理使用等方面提出了各道工序的工藝措施及要求。

2.1 模坯鍛造工藝

模坯鍛造是改善材料的組織結構和致密性，擊碎碳化物TiC并使其均勻彌散分布在GT35鋼結硬質合金的粘結相鋼基體上。GT35鋼結硬質合金中含有大量的TiC及合金共晶體組織，且硬質相TiC呈大塊狀聚集，孔隙度高，使冷擠壓模具抗沖擊韌性降低，易出現早期失效。然而GT35鋼結硬質合金中同時也含有大量的合金鋼成分，這使得GT35鋼結硬質合金能象普通模具鋼一樣具有可鍛造性，通過對冷擠壓模坯的合理鍛造，擊碎TiC呈細小、均勻分布，密合材料中細微的孔隙，降低孔隙度，可大幅度提高冷擠壓模的壽命。

基于材料的性能特點和冷擠壓模具的工作要求，制訂如下的鍛造工藝：①鍛前準備：為減小模坯鍛造變形抗力和消除殘余應力，需對模坯進行一次重復球化退火；②加熱設備：采用燃油型反射爐；③加熱方法：因GT35鋼結硬質合金中含有大量的碳化物，導熱性較差，所以應先將模坯放入低溫區進行緩慢且均勻預熱，再后緩慢移向高溫區，但高溫加熱時間不宜過長，以防止產生大量氧化皮；④加熱速度：預熱階段不宜超過230 ℃/h，高溫階段不宜超過380 ℃/h；⑤始鍛溫度：GT35鋼結硬質合金是屬亞共析鋼，始鍛溫度控制在1 160～1 200 ℃之間；⑥終鍛溫度：控制在840～940 ℃之間，低于840 ℃鍛打容易產生微裂紋[2]。

根據模坯的幾何形狀與質量，通常采用鐓拔、鐓滾、變向、沖孔、切割、彎曲、扭轉等鍛造方法，并在鍛造過程中注意：①鍛打前應將下砧面和工具預熱，以防鍛坯遇冷表面快速冷卻產生熱應力；②高溫加熱階段，不許產生氧化皮、脫碳和過燒現象；③確保加熱均勻和燒透；④采用自由鍛時，變形量不宜過大，鍛造比應小于3為宜；⑤開坯和終鍛時要輕擊快打，鍛透后可視變形情況逐漸加重，嚴禁連續重打和冷鍛。

2.2 鍛后退火處理

經過鍛造后的GT35鋼結硬質合金模坯，不僅存在組織缺陷和殘余內應力，其硬度也很高，一般為55～60 HRC，不能直接進行機械加工。為了改善切削加工性能和顯微組織，必須及時進行退火處理。圖1為原先采用的GT35鋼結硬質合金完全退火工藝。

圖1 GT35鋼結硬質合金完全退火工藝曲線

生產中采用這種普通的退火工藝有3個缺點：①由Cr、Mo元素組成的鋼基體雖然獲得了細小的珠光體組織，但分布不均勻，機械加工較困難；②高溫加熱時間較長，模具表面氧化脫碳嚴重；③所需工藝時間雖然較長，但未能使過冷奧氏體向球狀珠光體轉變。針對此問題，通過生產試驗，采用了圖2所示的球化等溫退火工藝，經過生產實踐證明，不但避免了普通退火工藝出現的問題，而且還獲得了均勻分布的球狀珠光體，使網狀、大塊狀碳化物和“橋接”現象消失，為模具的最終淬火熱處理獲得了理想組織。

圖2 GT35鋼結硬質合金球化等溫退火工藝曲

2.3 強韌化熱處理工藝措施

冷擠壓模具不但要受到較大的沖擊擠壓力，而且還受到交變應力的作用，因此，要求冷擠壓模具必須有硬度和韌性良好的配合。GT35鋼結硬質合金冷擠壓模具的淬火處理是讓粘結相Cr、Mo、C鋼基體獲得高合金度的馬氏體組織，它是保證模具使用壽命的關鍵工序。生產中原先采用的淬火處理工藝為：先采用800～830 ℃進行均勻預熱，在100%的BeCl2鹽浴爐中采用960～1 000 ℃進行淬火，并用500～550 ℃的溫度回火3次，最終硬度為57～62 HRC。經生產使用發現，這種冷擠壓模具常常出現龜裂和變形。分析其原因是GT35鋼結硬質合金中存在著大量碳化物TiC，模具導熱極差，預熱不均勻和不充分，淬火溫度較低，粘結相中Cr 、Mo合金碳化物對奧氏體化過程有抑制作用，Cr、Mo合金碳化物未均勻溶于奧氏體中，導致冷擠壓模具脆性較大、斷裂韌性值不高，實際使用壽命較低。

根據上述分析，為了加熱均勻、充分，采用空氣爐、鹽爐兩次分級預熱，將淬火溫度提高到1 180±20 ℃，并經650±20 ℃高溫回火2次，在油中冷卻后，再進行200 ℃低溫度補充回火處理，使模具最終硬度為59～63 HRC，淬火工藝曲線如圖3所示。

研究試驗證明，提高了模具的淬火溫度，粘結相Cr、Mo合金碳化物可充分溶解于奧氏體中，粘結相鋼基體獲得了高合金度馬氏體組織，改善了模具的硬度值；同時提高了回火溫度使粘結相鋼基體中復合型碳化物(M2C型)大量析出，并均勻、彌散分布，降低了碳化物偏析，消除了碳化物的“橋接”現象，改善了冷擠壓模具的斷裂韌性K1C值和疲勞性能，經生產實踐證明，這種強韌化熱處理工藝是中行之有效的[3]。

圖3 GT35鋼結硬質合金強韌化淬火工藝曲

2.4 機械加工要求

為了提高GT35鋼結硬質合金冷擠壓模具的壽命，在進行機械加工工藝設計時，為防止模具表面氧化脫碳，熱處理前應留有精車或精磨余量，對冷擠壓凸凹模上的圓角R常暫時不車成，待熱處理后精車或精磨成形[2]。由于 GT35鋼結硬質合金硬度較高，刀具以切削粘結相鋼基體為主，硬質相被撕擠下來，切屑如同鑄鐵屑一樣，機械加工較困難。因此，在車削加工時，選用YW類合金車刀，切削速度不宜過高，以10 m/min左右為宜，吃刀深度不能太小，尤其是在粗加工工序，精加工時要求表面粗糙度Rα為0.8 μm左右，嚴禁留有刀痕，機加工后的凸凹模表面不許有鑿裂、刮傷、劃傷等傷痕。另一方面在磨削加工時，一般采用GD單晶剛玉砂輪去除大余量，而精磨時選用金剛石砂輪，吃刀量不宜過大，嚴禁產生磨削裂紋和磨削應力。機械加工結束，將其放入160～200 ℃的油中進行低溫去應力回火處理。

2.5 電加工要求

在生產中發現，經過電火花加工的模具表面形成了變質層，變質層由熔化再凝固層、二次淬火硬化層和軟化層組成。熔化再凝固層和軟化層的組織較疏松且存在電解作用造成的表面空洞等缺陷，導致冷擠壓模具產生局部塑性變形；二次淬火硬化層硬度高但脆性大，應力集中，如不經回火而直接用于生產，常常發生掉塊和開裂。通過電加工參數與變質層深度的關系的研究發現，放電量越高，變質層越厚，表面粗糙度越大，相應的表面殘余應力也越大，如表3所列。因此，電加工模具時必須合理選擇電加工參數，有效控制變質層的深度和殘余應力。另一方面，由于電火花線切割加工時打破了模坯內部原有的應力平衡狀態，特別是在凹模型腔的拐角處引起應力集中，產生微裂紋，是導致模具使用中開裂不可忽視的原因。因此，可采用低溫補充回火處理，消除因電加工產生的殘留應力和降低二次淬火硬化層的脆性。對于尺寸特別大的冷擠壓型腔模具，可以在熱處理前采用機械加工方法先將型腔內的大余量去除，留3～5 mm余量待熱處理后再進行電加工[4]，以防止因電火花線切割打破原應力平衡狀態而引起的應力集中或開裂。

表3 電加工參數與變質層深度、殘余應力、表面粗糙度的關系

2.6 模具表面強化處理措施

為了大幅度提高冷擠壓模具的耐磨性、抗蝕性和表面致密性，需對GT35鋼結硬質合金冷擠壓模具進行表面強化處理。輝光放電涂膏滲硼的表面強化方法，是一種將被涂有膏劑的工件放入離子滲氮爐內進行固體滲硼的表面強化處理方法[5]。其工藝方法為：將硼鐵、硫脲、KBF4、NaF碾制成粉末狀，并均勻混合后調制成膏狀，均勻涂敷于模具表面上，厚度一般以2～4 mm為宜，經干燥后放置于離子氮化爐的陰極上，爐內抽成真空并充入氬氣，接通電源后，在模具的表面形成紫蘭色的美麗輝光，使模具表面獲得致密的硼化物層，滲硼層厚度與溫度、時間成線性關系，如圖4所示。通過改變溫度、時間參數可以使模具獲得不同的滲硼層厚度。輝光放電涂膏滲硼的表面強化方法，具有滲層均勻、工件變形小、工藝時間短、不產生污染等優點，滲層硬度均在1 300 HV以上，從而提高了冷擠壓模具的耐磨性和抗蝕性能。

圖4 滲硼層厚度與溫度、時間的關系

2.7 模具使用要求

為了降低模具工作時的摩擦系數，防止模具粘附咬合，潤滑對提高冷擠壓模具壽命非常有效。在擠壓黑色金屬材料時沖擊力較大，可將零件毛坯進行磷化處理并添加潤滑劑，潤滑劑可按照石墨26%、油酸54%、二硫化鉬20%進行混合配制，潤滑效果較好。條件不足時，可選用硅油作潤滑劑效果也較好。在冷擠壓過程中，由于模具升溫很較快，應定時進行冷卻處理。對于重載模具在擠壓數千次后，可將模具放入165～200 ℃的油中進行去應力回火處理，對提高模具的使用壽命十分有效。冬天氣溫較低，冷擠壓模具在使用時先要進行預熱處理，特別是細長的凸模或沖頭需采用300 ℃左右溫度進行充分均勻預熱，以防止凸模因冷脆折斷。另一方面，企業需建立完善的模具使用維護與保養制度，指定專人對模具和壓力機進行間隙檢查與調整，保證上下模具的對中性，及時修復、去除咬痕并降低模具表面的粗糙度值；模具暫時不使用時，要做好防銹處理，同時在上下模座之間采用限位塊來進行保護。

3 結 語

按照上述工藝制造的冷擠壓模具，經生產實際使用證明，其壽命從原來的3 000件提高到了8 000～10 000件左右，獲得了良好的經濟效益。因此，在模具結構設計和材料選用都合理的前提下，充分發揮工藝潛力是提高模具壽命的一個重要手段。同時改善模具使用條件，加強模具的保養與維護，提高模具修理技術水平及全體員工的技術素質[6]，也是延長模具使用壽命的一個重要方面。