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模具熱處理技術的發(fā)展

一、熱處理與模具質量的關聯(lián)性

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1、模具的制造精度

鋼材組織轉變不均勻、不徹底及熱處理形成的殘余應力過大,造成模具在熱處理后的加工、裝配和模具使用過程中的變形或開裂,從而降低模具的精度,甚至報廢。

2、模具的強度

熱處理工藝制定不當、熱處理操作不規(guī)范、或熱處理設備狀態(tài)不完好,造成被處理模具強度(硬度)等性能達不到設計要求。

3、模具的工作壽命

熱處理造成的組織結構不合理、晶粒度超標等,導致主要性能如模具的韌性、冷熱疲勞性能、抗磨損性能等下降,影響模具的工作壽命及制造成本增加。

4、模具的制造成本

作為模具制造過程的中間環(huán)節(jié)或最終工序,熱處理造成的開裂、變形超差及性能超差,大多數(shù)情況下會使模具報廢,即使通過修補仍可繼續(xù)使用,也會增加工時,延長交貨期,提高模具的制造成本。

正是熱處理技術與模具質量有十分密切的關聯(lián)性,使得這二種技術在現(xiàn)代化的進程中,相互促進,共同提高。近年來,國際上模具熱處理技術發(fā)展較快的領域是真空熱處理技術、模具的表面強化技術和模具材料的預硬化技術。

二、模具的真空熱處理技術

真空熱處理技術,是近些年發(fā)展起來的一種新型的熱處理技術,它所具備的特點,正是模具制造中所迫切需要的,比如防止加氧化和不脫碳、真空脫氣或除氣,消除氫脆,從而提高材料(零件)的塑性、韌性和疲勞強度。真空加熱緩慢、零件內(nèi)外溫差較小等因素,決定了真空熱處理工藝造成的零件變形小等。

按采用的冷卻介質不同,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,主要應用的是真空油冷淬火、真空氣冷淬火和真空回火。為保持工件(如模具)真空加熱的優(yōu)良特性,冷卻劑和冷卻工藝的選擇及制定非常重要,模具淬火過程主要采用油冷和氣冷。

對于熱處理后不再進行機械加工的模具工作面,淬火后盡可能采用真空回火,特別是真空淬火的工件(模具),它可以提高與表面質量相關的機械性能,如:疲勞性能、表面光亮度、耐腐蝕性等。

經(jīng)驗干貨:真空熱處理受熱均勻,竣工工件檢驗取多點檢測,預防硬度不均勻而影響品質,正常以四個對角加中心點一共五個點檢驗,對角硬度原則上不允許超出3HRC,從而判斷熱處理工藝是否規(guī)范,否則容易產(chǎn)生變形、開裂或拋光光潔度不一致等問題。

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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(fā)和應用,使得模具的智能化熱處理成為可能。由于模具生產(chǎn)的小批量(甚至是單件)、多品種的特性,以及對熱處理性能要求高和不允許出現(xiàn)廢品的特點,又使得模具的智能化處理成為必須。

模具的智能化熱處理包括:

1、明確模具的結構、用材、熱處理性能要求;

2、模具加熱過程溫度場、應力場分布的計算機模擬;

3、模具冷卻過程溫度場、相變過程和應力場分布的計算機模擬;

4、加熱和冷卻工藝過程的仿真;

5、淬火工藝的制定;

6、熱處理設備的自動化控制技術。

國外工業(yè)發(fā)達國家,在真空高壓氣淬方面,已經(jīng)開展了這方面的技術研發(fā),主要針對目標也是模具。

三、模具的表面處理技術

模具在工作中,除了要求基體具有足夠高的強度和韌性的合理配合外,其表面性能對模具的工作性能和使用壽命至關重要。這些表面性能指:耐磨損性能、耐腐蝕性能、摩擦系數(shù)、疲勞性能等。這些性能的改善,單純依賴基體材料的改進和提高是非常有限的,也是不經(jīng)濟的,而通過表面處理技術,往往可以收到事半功倍的效果,這也正是表面處理技術得到迅速發(fā)展的原因。

模具的表面處理技術,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(tài)、化學成分、組織結構和應力狀態(tài),以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。從表面處理的方式上,又可分為:化學方法、物理方法、物理化學方法和機械方法。雖然旨在提高模具表面性能新的處理技術不斷涌現(xiàn),但在模具制造中,應用較多的主要的滲氮、滲碳和硬化膜沉積。

1、滲氮

滲氮工藝有氣體滲氮、離子滲氮和液體滲氮等方式。每一種滲氮方式中,都有若干種滲氮技術,可以適應不同鋼種、不同工件的要求。由于滲氮技術可以形成優(yōu)良性能的表面,并且滲氮工藝與模具鋼的淬火工藝有良好的協(xié)調,同時,滲氮溫度低,滲氮后不需激烈冷卻,模具的變形極小,因此,模具的表面強化是采用滲氮技術較早,也是應用最廣泛的。

2、滲碳

模具滲碳的目的,主要是為了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。由此引入的技術思路是,用較低級的材料,即通過滲碳淬火來代替較高級別的材料,從而降低制造成本。

3、硬化膜沉積

硬化膜沉積技術,目前較成熟的是CVD和PVD。為了增加膜層與工件表面的結合強度,現(xiàn)在發(fā)展了多種增強型CVD、PVD技術。

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。

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模具自上個世紀80年代開始采用涂覆硬化膜技術。目前的技術條件下,硬化膜沉積技術(主要是設備)的成本較高,仍然只在一些精密、長壽命模具上應用,如果采用建立熱處理中心的方式,則涂覆硬化膜的成本會大大降低。更多的模具如果采用這一技術,可以整體提高我國的模具制造水平。

四、模具材料的預硬化技術

模具在制造過程中,進行熱處理是絕大多數(shù)模具長時間沿用的一種工藝。自上個世紀70年代開始,國際上就提出預硬化的想法,但由于加工機床剛度和切削刀具的制約,預硬化的硬度無法達到模具的使用硬度,所以,預硬化技術的研發(fā)投入不大。

隨著加工機床和切削刀具性能的提高,模具材料的預硬化技術開發(fā)速度加快,到上個世紀80年代,國際上工業(yè)發(fā)達國家在塑料模用材上使用預硬化鋼材的比例已達到30%(目前在60%以上),瑞典SSAB鋼鐵集團在全球熱處理預硬技術上已經(jīng)領先地位,起熱處理的冷卻速度到達了1000攝氏度每秒,其集團的TOOLOX拓達鋼被瑞典皇家工學院堪稱為高硬度與韌性的完美結合,45-48HRC也是目前為止世界上最硬的預硬鋼,由于其領先的熱處理預硬技術,不但保證到鋼材的各項性能發(fā)揮到極致,重要的亮點是鋼材幾乎沒有殘留應力和無表面氧化及脫碳層,在保證高韌性和高硬度下加工幾乎不會產(chǎn)生變形,碳化物的析出和分布分數(shù)也是在國際上領先了36%,這是其它鋼廠無法比擬的,從而保證模具和機械領域的高效品質;我國在上世紀90年代中后期開始采用預硬化鋼材(主要用國外進口產(chǎn)品)。

模具材料的預硬化技術主要在模具材料生產(chǎn)廠家開發(fā)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(chǎn)質量穩(wěn)定的預硬化鋼材,如瑞典SSAB的技術就是一個典型的案例,其超級純凈的冶煉技術和領先的熱處理技術,在同況下其TOOLOX44在48HRC的硬度下能夠保證加工性能和機械性能目前還沒有第二家鋼廠可以做到。我國在模具材料的預硬化技術方面,起步晚,規(guī)模小,目前還不能滿足國內(nèi)模具制造的要求。

采用預硬化模具材料,可以簡化模具制造工藝,縮短模具的制造周期,提高模具的制造精度??梢灶A見,隨著加工技術的進步,預硬化模具材料會用于更多的模具類型。


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