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精密儀器

模具的熱處理

一、模具材料的分類及要求


    在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,模具是實(shí)現(xiàn)少加、無(wú)加工先進(jìn)技術(shù)中的重要工藝裝備,模具產(chǎn)品的質(zhì)量不僅關(guān)系到生產(chǎn)制品的質(zhì)量和性能,而且直接影響生產(chǎn)效率和成本。

    從模具使用情況的統(tǒng)計(jì)分析表明,模具的質(zhì)量在很大程度上取決于模具材料和熱加工工藝。根據(jù)模具的實(shí)驗(yàn)條件,正確選擇模具材料和制訂合理的工藝非常重要。

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1 模具材料的分類

    通常可以按照模具的用途分為冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼及其他模具材料,如硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、鑄鐵等。本文所指模具材料均指模具工作部分用材。

1.1 冷作模具鋼

    冷作模具鋼是用于制造沖裁模、擠壓模、拉深模、冷鐓模、彎曲模、成型模、滾絲模、和拉絲模等模具。按工藝性能和成承載能力可將冷作模具鋼分為如表1所示的幾類。

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1.2 熱作模具鋼

    據(jù)合金元素的含量和熱處理工藝分類方法,可將熱作模具鋼分為如表2所示的種類。

▼表2 熱作模具鋼分類表


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1.3 塑料模具鋼

    塑料模具鋼與熱作、冷作模具鋼性能要求有很大區(qū)別,目前已形成的塑料模具鋼系列。詳見(jiàn)表3 。

▼表3 塑料模具鋼種類



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1.4 其它模具材料

    其它模具材料主要有硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、鑄鐵、非鐵金屬及非金屬材料等。

    為了適應(yīng)高耐磨、高抗壓、高精度、高壽命的需要,如冷沖裁、冷鐓鍛、冷擠壓等,特別是多工位級(jí)進(jìn)沖模的凸凹模部分,常選用硬質(zhì)合金或鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料制作模具。常用的硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金成分和性能見(jiàn)表4,表5 。

▼表4 硬質(zhì)合金成分和化學(xué)性能


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▼表5 鋼結(jié)硬質(zhì)合金的化學(xué)成分和性能

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2  模具材料的使用性能要求和工藝性能要求


    根據(jù)模具的不同用途,需要考慮模具材料在使用性能和工藝性能。主要有以下幾個(gè)方面。


2.1 使用性能要求

2.1.1硬度和熱硬性

    模具在壓應(yīng)力的作用下應(yīng)能保證其形狀和尺寸不會(huì)迅速發(fā)生變化。硬度是模具的重要性能指標(biāo),因此,經(jīng)過(guò)熱處理后的模具應(yīng)具有高硬度。如冷作模具的硬度一般在HRC55-65范圍,熱作模具一般在HRC36-55范圍。

    熱硬性是指模具在受熱或高溫條件下保持組織和性能穩(wěn)定,具有抗軟化的能力。鋼的熱硬性主要取決于化學(xué)成分和熱處理制度,也是熱作模具鋼的主要性能指標(biāo)之一。

2.1.2耐磨性

    模具在工作中承受相當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力,要求模具在使用過(guò)程中保持其形狀和尺寸不變,持久耐用。所以模具材料應(yīng)具有良好的耐磨性。模具的耐磨性不僅取決于鋼的的成分、組織和性能,而且與溫度、載荷狀態(tài)、潤(rùn)滑條件等有很大關(guān)系。

    一般來(lái)講,提高模具的硬度有利于提高其耐磨性。

2.1.3強(qiáng)度和韌性

    模具在使用過(guò)程中承受很大載荷。包括沖擊、振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和彎曲等復(fù)雜應(yīng)力。重載荷的模具往往由于強(qiáng)度不夠、韌性不足,造成模具邊緣或局部斷裂而提前破壞;鋼的晶粒度和鋼中碳化物的數(shù)量、大小及分布情況以及殘留奧氏體量等,對(duì)鋼的強(qiáng)度和韌性都有很大影響。高硬度的材料韌性差、表面缺口敏感性大、承載能力差,是模具早期失效的主要原因之一。實(shí)踐表明,根據(jù)使用條件和性能要求,合理地選擇模具鋼的化學(xué)成分、組織狀態(tài)及熱處理工藝,能夠得到足夠高的強(qiáng)度和韌性的最佳配合。此外,根據(jù)各種模具的工作條件,還應(yīng)分別考慮高溫強(qiáng)度、熱疲勞、導(dǎo)熱性及耐腐蝕等性能。


2.2 工藝性能要求

    由于模具是在高硬度高強(qiáng)度、高耐磨性及足夠韌性的狀態(tài)下使用,所以要求模具鋼的冶金質(zhì)量比普通鋼材要高,應(yīng)盡量減少鋼中氣體含量、非金屬夾雜物和有害元素(硫、磷等)含量;同時(shí),為了保證鋼材具有良好的性能,還要經(jīng)過(guò)正確的熱加工(鍛、軋),以改變斷面形狀,改變鑄態(tài)組織,然后經(jīng)切削加工而制成一定形狀的模具再進(jìn)行最終熱處理(正火、淬火及回火),這樣才能得到模具所要求的使用性能。因此,模具鋼的藝性能對(duì)模具制造同樣十分重要。

2.2.1加工性。

    加工性是指鍛、軋等熱加工性能以及切削、研磨等形式的冷加工性能,它們與鋼的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)及硫、磷含量等因素有關(guān)。模具鋼大部分都含有多種合金元素,尤其是高碳、高合金鋼,在進(jìn)行熱加工時(shí)要嚴(yán)格控制加熱溫度及冷卻方式,以避免或減少熱加工廢品;而在冷加工之前,應(yīng)改善組織狀態(tài),以減少在冷加工過(guò)程中刀具的磨損,并提高模具的表面質(zhì)量。

2.2.2熱處理變形和淬火溫度。

    制成的模具進(jìn)行最終熱處理時(shí)要求模具的尺寸與形狀變化越小越好,因此,在熱處理時(shí)對(duì)模具所產(chǎn)生的變形程度要求很嚴(yán)同時(shí),要求淬火溫度范圍足夠?qū)?,以減少出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。

2.2.3淬硬性和淬透性。

    模具鋼對(duì)這兩種性能的要求,根據(jù)不同使用條件各有側(cè)重。例如,對(duì)于要求表面具有高硬度的沖裁模和拉深模用鋼,淬硬性顯得尤為重要;對(duì)于要求整個(gè)截面具有均勻一致性的熱作模具,則淬透性顯得尤為重要。

2.2.4脫碳敏感性

    模具表面發(fā)生脫碳,會(huì)使模具表面的淬透性降低。因此,要求模具鋼的脫碳敏感性越低越好。在相同加熱條件下,鋼的脫碳敏感性主要決定于鋼的化學(xué)成分,特別是含碳量。

2.2.5表面拋光性

    塑料模具型腔表面一般要求很光潔,因此要求材料的可拋光性要好,能夠采用機(jī)械、電、化學(xué)方法等得到很高質(zhì)量的拋光面,一般來(lái)說(shuō)有硬質(zhì)點(diǎn)的混合相或者相組成比較復(fù)雜的鋼不利于拋光,所以塑料模具一般選用有單一相組成的材料。


二、冷作模具的熱處理


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1 冷作模具的工作條件和要求

    冷作模具主要用于完成金屬或非金屬材料的冷態(tài)成型。包括沖裁模、彎曲模、拉深模、擠壓模和鐓鍛模等。

1.1 沖裁模

    沖裁模工作部位的刃口。要求工作中刃口不易崩刃,不易變形、不易磨損和不易折斷。

1.2 彎曲模和拉深模

    這兩種模具用于板材成型,工作應(yīng)力一般不大。拉深模要求工作面保持光潔,不易發(fā)生粘著和擦傷;彎曲模除以上要求外,還要有一定的抗斷裂能力。

1.3 擠壓模和鐓鍛模

    這兩類模具主要用于材料三維體成型,工作應(yīng)力大,其中擠壓模工作應(yīng)力更大。材料在型腔中劇烈變形同時(shí)產(chǎn)生熱量,模具在反復(fù)的應(yīng)力和溫度約300℃的環(huán)境中工作。要求模具工作時(shí)不易變形、不易開(kāi)裂、不易磨損。

    幾種典型冷作模具工作應(yīng)力和模具硬度比較如圖1所示。


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▲圖1 典型冷作模具工作應(yīng)力和使用硬度比較


2 冷作模具的失效形式

    冷作模具主要失效形式有過(guò)載失效、磨損失效、咬合失效和疲勞失效等四種形式。

2.1 過(guò)載失效

    模具材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷作用引起的失效。當(dāng)材料韌性不足時(shí)易產(chǎn)生脆斷和開(kāi)裂,當(dāng)強(qiáng)度不足時(shí)易產(chǎn)生變形和鐓粗失效。冷擠壓和冷鐓模具易產(chǎn)生此類失效。

2.2 磨損失效

    模具工作部位與被加工材料之間的摩擦損耗,使工作部位(刃口、沖頭)形狀和尺寸發(fā)生變化而引起失效。對(duì)工作表面尺寸和質(zhì)量要求高的沖裁模、擠壓模易產(chǎn)生此類失效。

2.3 咬合失效

    模具工作部位與被加材料在高壓應(yīng)力摩擦下,潤(rùn)滑膜破裂發(fā)生咬合——被加工材料“冷焊”到模具表面,引起被加工產(chǎn)品表面質(zhì)量出現(xiàn)劃痕等失效。在拉深、彎曲模及冷擠壓模中易發(fā)生此類失效。

2.4 多沖疲勞失效

    冷作模具承受的載荷都是以一定沖擊速度和能量反復(fù)作用,其工作狀態(tài)與小能量多沖疲勞試驗(yàn)相似。由于模具材料硬度高,多沖疲勞壽命多在1000~5000次左右,而且裂紋萌生期占絕大部分,疲勞源和裂紋擴(kuò)展區(qū)不明顯。多沖疲勞失效常見(jiàn)于重載模具,如冷擠壓、冷鐓沖頭模具。


3  冷作模具鋼的選用

    為了滿足冷作模具高應(yīng)力、高耐磨和長(zhǎng)壽命需要,通常多選用高碳鋼或高碳合金鋼。選材時(shí)應(yīng)依據(jù)模具結(jié)構(gòu)、服役條件、被加工材料性質(zhì)、設(shè)備及潤(rùn)滑條件、加工產(chǎn)品批量等綜合考慮。

3.1 選材原則

    冷作模具選材要考慮滿足使用性能,發(fā)揮材料潛力,經(jīng)濟(jì)合理。

    首先要滿足使用性能:根據(jù)模具使用要求,提出模具材料的性能指標(biāo)(硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性、變形性、加工性能等)。

    發(fā)揮材料潛力:由于模具材料不同加工工藝和改性技術(shù)可以得到不同性能的組合,優(yōu)選性能組合仍然是節(jié)能、節(jié)材提高模具性能的主要途徑。

    經(jīng)濟(jì)合理:由于模具產(chǎn)品特殊要求,模具材料和加工技術(shù)的成本較高,應(yīng)根據(jù)模具要求,綜合考慮優(yōu)選經(jīng)濟(jì)合理的材料和工藝


3.2 常用冷作模具鋼的選用

     常用冷沖模具和冷鍛模具材料選用及工藝與使用性能參見(jiàn)表6~表9。

▼表6 常用冷沖模具鋼材料選用表

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▼表7 常用冷鍛模具鋼材料選用表

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▼表8 部分冷作模具鋼熱處理工藝及力學(xué)性能

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▼表9 常用冷沖模具鋼使用性能  

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4  冷作模具的熱處理工藝

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冷作模具熱處理主要包括預(yù)備熱處理和最終熱處理兩類。此外還有模具加工中的熱處理和使用中的恢復(fù)熱處理等。

4.1 預(yù)備熱處理

    模具預(yù)備熱處理主要包括退火、正火和調(diào)質(zhì)處理。主要目的是消除毛坯殘留組織缺陷,有利于后續(xù)冷、熱加工處理,提高模具使用壽命。

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