王文景

摘要:本文主要分析模具材料性能特点、合理选材的方法以及冷冲模的选材原则;探讨模具零件热处理技术与材料关系、热处理对模具制造的各方面影响以及较新的模具热处理技术。

关键词:冷冲模;材料;选材原则;热处理

1冷冲模材料的选择

1.1模具材料

模具材料对于改善模具的使用性能与加工性能、保证工作寿命和降低生产成本关系重大。通常按用途将模具材料分为三大类:冷作模具、热作模具和塑料成形用模具材料。模具材料的选择应考虑模具零件的使用性能和加工性能。

1.1.1硬度和耐磨性:这是使模具零件在特定的工作条件下,不因其表面质量或精度发生变化而造成模具过早失效的可靠保证之一。冷冲模零件一般要求硬度在HRC60左右。

1.1.2强度和韧性:在工作时,模具既要有足够强度,承受高压;又要有一定的韧性,承受冲击。

1.1.3加工性能:模具材料的加工性能包括冷加工性能和热加工性能等。

1.1.4淬火温度和淬火变形:一般希望模具材料的淬火温度范围较宽,热处理变形程度较小。

1.1.5淬透性和淬硬性:淬硬性主要取决于钢的含碳量;淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。

1.2模具材料的合理选择

模具材料的选择是针对具体的模具零件,在相应的模具材料中选择出一、两种较为理想或合适的材料的过程,合理选材是保证模具寿命、提高材料利用率的基本要求。模具零件材料应满足一下要求:

1.2.1使用性能足够:根据工作条件,失效形式、寿命要求、可靠性的高低等提出材料的强度、硬度、塑性、韧性等使用性能要求。

1.2.2工艺性能良好:根据制造工艺流程及方法不同,保证所选材料具有良好的工艺性能。

1.2.3材料供应普遍:应考虑地方资源与市场供应情况,且品种规格应尽量少而集中,便于采购和管理。

1.2.4经济性合理:“满足制品要求,发挥材料潜力,经济技术合理”原则。

模具选材决策涉及两个关键要素:(1)模具的使用寿命,(2)被生产制品的经济性。

模具的使用寿命是指模具在使用过程中的耐用程度,单套模具生产的制品越多,则标志着模具的寿命越长。在保证制品质量的前提下,模具工作寿命是选择模具材料主要考虑的因素。

对于大批量生产制品的模具,还要考虑模具的整体经济性。模具选材优化的目标是单件制品的生产总成本。冷冲模模具寿命往往达100万件以上,制品的批量大小(小、中、大、特大等)是选择模具材料的重要因素。例如冷冲模材料从碳素工具钢(T10A)到低合金工具钢(CrWMn),至高合金工具钢(Cr12MoV),再至高速钢,甚至硬质合金,其模具寿命可在一万件到上百万件制品间波动。

1.3冷冲模的选材原则

冷冲模主要用在使金属板料产生塑性变形或分离而加工成形所需制件方面。对模具的硬度、强度、韧性、耐磨性和抗疲劳性等性能指标要求较高。而这些性能指标,主要是通过正确的选材与合理的热处理工艺搭配来保障。

1.3.1选择淬透性良好的材料

冷冲模除要求表面有足够的硬度外,还要求心部具有足够的韧性。选材时,应选用淬透性好的钢材。为了使零件淬火后能获得较均匀的应力状态,避免开裂或变形,也应选用淬透性较好材料。

1.3.2选择抗回火稳定性高的材料

冷冲模在工作时,会形成较高的温度,模具材料本身要具有较高的抗回火稳定性。一般说来,采用不同程度的含铬和含铝的合金钢,能显著提高回火稳定性。

1.3.3根据制品批量选择材料

制件数量较大的模具一般选用优质合金工具钢制造;制件数量较少的模具则采用价廉的碳素工具钢制造。

1.3.4根据模具的精密程度和使用寿命选择材料

制造小型精密而复杂的冷冲模,宜选用优质钢材;结构简单、且使用寿命要求不高的模具,可采用相对便宜的材料制作;大型凸、凹模,可采用局部镶拼结构,节省贵重钢材。

1.3.5根据模具零件的作用选择材料

冷冲模的关键零(部)件,如凸模和凹模,可采用优质钢材制作,而其它零件可以采用一般钢材制作。但对于结构比较简单的冲裁凸模和凹模,以及弯曲模与拉深模,如果是用来冲制数量不多或者厚度不大的有色金属和黑色金属,则多半可以选用优质碳素工具钢。

选材时需要考虑多方面的因素,如模具的工作条件、模具的失效形式、模具加工的产品,模具的结构、模具的制造工艺,以及模具的设计因素等。总之选材时,既要考虑使用性能,又要考虑总成本。

2模具材料的热处理

2.1热处理与模具制造

热处理是利用加热、保温和冷却的方法,促使金属内部组织发生变化,从而获得所需性能的工艺过程。通常,模具的使用寿命及其制品质量,在很大程度上取决于热处理的质量。热处理对模具制造过程和相关性能有着直接的影响。

2.1.1模具精度:热处理中组织转变不均匀、不彻底和残余应力过大,会造成模具后续加工、装配和使用过程中的变形,降低精度,甚至报废。

2.1.2模具强度和硬度:热处理工艺制定不当、操作不规范或设备状态差,会造成模具强度、硬度达不到要求。

2.1.3模具工作寿命:热处理后组织结构不合理、晶粒粗大等,导致主要性能如韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降,影响工作寿命。

2.1.4模具制造成本:作为中间工序或最终工序,热处理造成的不合格,多数情况下会使模具报废;即使通过修补仍可继续使用,也会增加工时,延长交货期,加大模具的制造成本。

2.2冷冲模零件热处理技术

冷冲模零件热处理技术发展较快的有:真空热处理、表面处理和预硬化处理。

2.2.1模具零件的真空热处理

该方法具备的特点,正是模具制造中所迫切需要的,比如防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气,消除氢脆,变形小等。

按冷却介质不同,真空淬火可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火。模具真空热处理中主要应用的是前三种。

真空热处理过程的计算机模拟技术(包括组织模拟和性能预测技术)的成功开发和应用,使得模具的智慧化热处理成为可能。国外工业发达国家,如美国、日本等,在真空高压气淬方面的研究主要针对目标也是模具。

2.2.2模具零件的表面处理

在工作中,模具零件表面性能对工作性能和使用寿命至关重要,如耐磨损性、耐腐蚀性、摩擦系数、疲劳性能等。单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限且不经济的,而通过表面处理技术,可以收到事半功倍的效果,因此模具表面处理技术得到迅速发展。

该技术是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术,改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态,以获得所需表面性能的系统工程。模具制造中应用较多的表面处理技术主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。

(1)渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式。渗氮技术可以形成优良性能的表面;渗氮工艺与模具钢淬火工艺协调性良好;渗氮温度低,不需要快速冷却,变形极小,因此渗氮技术在模具表面强化应用较早,最广泛。

(2)模具渗碳可以提高模具的整体强韧性,即模具的工作表面具有高的强度和耐磨性。可用较低级材料,通过渗碳淬火来代替较高级材料,降低制造成本。

(3)硬化膜沉积技术目前较成熟的是CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积),PVD(Physical Vapor Deposition,物理气相沉积)。硬化膜沉积技术最早在工具(刀具、刃具、量具等)上应用,效果极佳,多种刀具已将涂覆硬化膜作为标准工艺。硬化膜沉积设备成本较高,只在一些精密、长寿命模具上应用。

2.2.3模具材料的预硬化处理

上世纪70年代以来,国际上提出预硬化思路。80年代,工业发达国家在塑料模材料上使用预硬化的比例达到30%(目前在60%以上)。我国在90年代中后期开始采用预硬化技术。

模具材料预硬化技术主要在模具材料生产厂家开发和实施。通过调整钢的化学成分和配备相应的热处理设备,可以大批量生产质量稳定的预硬化材料。采用该类材料,可以简化制造工艺,缩短制造周期,提高制造精度。

参考文献:

[1]徐进,陈再枝.模具材料应用手册[M].机械工业出版社,2001.

[2]张永辉.冷冲模选材及热处理专家系统的研究与开发[D].西华大学,2005.

[3]薛昭翔.冲压模具与制造[M].化学工业出版社,2004.

[4]李泉华.热处理技术400问解析[M].机械工业出版社,2002.