工業自(zì)動化程度的提高,用(yòng)模具成型的産品愈來愈多。目(mù)前在(zài)我國的許多企 業中,模具的使用壽命還比(bǐ)較低,僅相當于國外的1/5或1/3。據統計,由于模具壽命低而造成(chéng)浪費,以及對産品質量影(yǐng)響所帶來的損失(shī),每年(nián)達數十億人民币。實踐證明,在(zài)模具設計和制(zhì)造過(guò)程(chéng)中,若能選用恰(qià)當的(de)鋼材,确定合理的熱(rè)處理工藝,妥善安排工藝路線, 對充(chōng)分發揮材(cái)料的潛在性能、減(jiǎn)少能耗、降(jiàng)低成本、提高模具的質(zhì)量和使用(yòng)壽命都将起到(dào)重大的作用。今後對模具(jù)的要求更嚴格,為了使(shǐ)之壽命更長(zhǎng),對強韌化處理(lǐ) 、表面處理(lǐ)的期待将愈來愈高。
模具使用壽命與許多因(yīn)素有關,各種因素(sù)在模具失效中所占比例是:
熱處理占52%;
原材料占20%;
使用占10%;
機(jī)械、電加工占8%;
鍛造占7%;
設計占3%。
實(shí)際使用表明,在模具的(de)全部失效中,由于熱處理不當所引(yǐn)起(qǐ)失效居首位。
一、模具強韌化
鑒于模具苛刻的工作環境,為提高模具使用壽命,我(wǒ)們要求模具具有優良的整體(tǐ) 強(qiáng)韌化性能。此外,還要求模具(jù)具有優異的型腔表面耐磨性能,在(zài)這種(zhǒng)情況下出現了(le)對模具整體 強韌化的基(jī)礎上再對其表面進行(háng)強化的各種處理。
在一般(bān)工藝條(tiáo)件下,往往強度(dù)與韌性之間存在着制約關系,材料強度增加,通常 總伴随着材料韌性的(de)降低 。要求高強度的同時(shí),又要求材料有較高的韌性,常常是很困難 的。但是采(cǎi)取強韌化處理的措施,卻能使鋼的強度和韌性都能得到提(tí)高。多次沖擊抗力(lì)的理 論認為(wéi)在同(tóng)一強度水平下,随着(zhe)沖擊韌性增加,多(duō)次(cì)沖(chòng)擊抗力提高,也就是破斷次數N增加 ;強度水平越高,沖韌性對多次沖擊抗力所起的(de)作用(yòng)就越大。因此,在(zài)含碳量較高的模具鋼 中,采用強韌化處(chù)理,在(zài)保證(zhèng)模具主強度(dù)的(de)條件下,适(shì)當提(tí)高沖擊韌性(xìng),使強度和韌(rèn)性得到 最佳配合,必(bì)然有利于(yú)進一步提高(gāo)多次沖擊抗力(lì)。
強韌化處理(lǐ)多種多樣 ,但(dàn)歸結起來卻基本(běn)上都是通過下列途徑來取得強韌(rèn)化效果的:充分利用(yòng)闆條(tiáo)馬氏體和下貝體組織形态,盡量減少片狀馬氏體;細(xì)化鋼的(de)奧氏體晶粒和過剩碳化 物,獲(huò)得馬氏體與具有良好(hǎo)塑性的第二相的複合組織;形變(biàn)熱處理。
(一)熱作模具鋼高溫淬(cuì)火(huǒ)和高溫回火:熱(rè)作模具鋼5CrMnMo采(cǎi)用850℃淬火,淬火時(shí)馬氏體(tǐ) 形态以片狀為主,如(rú)把淬(cuì)火(huǒ)溫度提高(gāo)到900℃,使奧氏體(tǐ)充分均勻化,消除富碳微區,淬火 後可得闆條狀馬氏體,從而提高了(le)鋼的回火穩定(dìng)性,沖擊韌性和斷裂韌性(xìng),可延長模具壽 命。
(二(èr))高溫快速短時加熱:于高碳鋼模具在快速加(jiā)熱(rè)條件(jiàn)下,奧氏體化不均勻,組織中(zhōng)保留(liú)未 溶碳化物,奧(ào)氏體晶粒(lì)細小,并使奧氏體中固溶碳和合金元素量減少,提高了Ms點,有利于 闆條馬氏體的形成,短時加熱(rè)溶于奧體中的碳量(liàng)可減少到0.6%以下,阻上了富碳區的形成, 減(jiǎn)少了片狀馬氏體量,提高(gāo)了韌性,可使模具得到較高(gāo)強韌性。
(三)高碳高合金鋼的低溫淬火:采用(yòng)低溫淬火時,奧(ào)氏體中碳和合金元(yuán)素溶解度減少(shǎo),Ms點 提高,可(kě)獲得較多的闆條狀馬氏(shì)體,且奧氏體晶粒細小,在保(bǎo)證高硬度前提下具有(yǒu)較好韌性和強度,提高多 沖抗力,從而有效提(tí)高了模具壽命(mìng)。
(四)形變熱處理是把鋼的強化與相變強(qiáng)化結合起(qǐ)來的一種強韌化工藝。形變熱處理的強韌化 本質在于獲得細小的奧氏體(tǐ)晶粒、細化馬氏體增加了馬氏體中位錯密度,并形成胞狀亞結構 ,同時促進碳化物的(de)彌散硬化作用。
二、表面強化處理工藝的(de)方法
模具表面強化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法(fǎ)、電火花表面強化法、滲硼法 、TD法、CVD法、PVD法(fǎ)、BRN法、激光表面強化法等離子(zǐ)噴(pēn)塗法等等。
(一(yī))體氮化時,氨在氮化溫度分解(jiě)後産生活性氮原子為金屬表面 吸(xī)收滲入鋼中,并且不斷自表面(miàn)向内擴散,形成氮化層,經(jīng)氮化(huà)處理後,表面硬度可達(dá)HV950-1200,并能提高模具的(de)疲勞強度及提高了抗咬(yǎo)合 能力。
(二)離子氮化法是将待(dài)處理的模(mó)具放在真空容器中,充以一 定 的壓力的(de)含氮氣體(tǐ)然後以被處理模具作陰極,以真空容器的罩壁作為 陽極,在陰陽極之(zhī)間加上400-600伏的直流電壓,陰陽極間便産生輝(huī)光放電,容器裡的(de)氣體 被電離(lí),在空間産生大量(liàng)的電(diàn)子與離子。在電場的作用下,正離子沖向陰極(jí),以很高速度轟(hōng) 擊模具表面,将模(mó)具加熱(rè)。高能正離子沖入模具表面,獲得電子,變成氮原子被模具表面吸 收,并向(xiàng)内擴散形成氮化層,離子氮化可提高模具耐磨性和疲勞強度。
(三)電(diàn)火花表面強化是直接利用電能的高能量密(mì)度對表面進行強化處理的工(gōng)藝。它是通過(guò)火 花放電的作用, 把作為電極的導電材料(liào)溶(róng)滲進金屬工作的表層,從而(ér)形成(chéng)合金化的表面強化層,使工作表面(miàn)的物理、化學 性(xìng)能和機械性能得到改善 。例(lì)如采用WC、Tic等硬質合金電(diàn)極材料強化高速鋼或合金工具鋼強(qiáng)化表面,能形成 硬度在HV1100以上的耐磨、耐蝕和具有紅硬性的強化層,使(shǐ)模具的使(shǐ)用(yòng)壽命明(míng)顯地得到提高, 電火花表面強化的優點是(shì)設備簡單、操(cāo)作方便、耐(nài)磨性提高顯著,缺點是強(qiáng)化表面粗糙,強 化層(céng)厚度較薄(báo),效率較低。
(四)參硼能顯著提高模具表面硬度(dù)(HV1300-2000)和耐磨性(xìng),滲硼層還具有良(liáng)好的紅硬性(xìng)、耐(nài) 磨(mó)性、可廣泛用(yòng)于模具表面強化,尤其适合在磨粒磨損條件下的模(mó)具,但滲硼層往往存在着(zhe) 較大的脆性,困擾着它的應用。
(五)TD法是在鹽浴爐中放入一個耐熱鋼制的坩埚,将硼(péng)砂放入坩埚(guō)加熱 至900-1200℃,然(rán)後放入相應的碳化(huà)物形成(chéng)粉末,如钛、铌、鉻,釩再将鋼或硬質(zhì)合金工 件放入坩埚中加熱一定的(de)時間,合金元素滲入工件表面并與鋼中的碳起反應(yīng)形(xíng)成碳(tàn)化 物層,TD法所得的碳(tàn)化物(wù)層具有很(hěn)高的硬度和耐(nài)磨性。
(六)CVD法(化學氣相(xiàng)沉積法)是将模具放在氫氣(qì)(或其它氣體)保護氣氛中加熱至(zhì)900-1200度後, 以此氣體為載(zǎi)氣,把低溫氣化揮發(fā)金屬的化合物氣體(tǐ),如四氯化钛(TiCl4)和甲缽(或其它 碳氫化合物)蒸氣帶(dài)入爐中,如使TiCI4中的钛和碳氫化合物中的碳(以(yǐ)及鋼表面的碳分)在 模具表面進行化學反應,從(cóng)而生成一層所需(xū)金屬化合物塗層(如碳化钛)。
(七)PVD法(fǎ)(物理氣相沉積法)采用真空蒸鍍、濺射沉(chén)積、離子鍍等方法,在較低溫度(dù)下進行。其原理是(shì):利用氣相中的物理、化學過程,在(zài)工件表面(miàn)形成功能性的金屬、非金屬化合物塗層,以改變表面的物理和化學性能。利用PVD法可在(zài)工 作表面沉積碳化钛(tài)、氮化钛、氧化鋁等多種化合物。
(八)BRN法複合處理(lǐ)是将模具加熱到500-600℃之間的任(rèn)一溫度,在載體氣(qì)中通入BRN滲劑(jì),滲劑分解後産生需要的活性原子為(wéi)金屬表(biǎo)面 吸收滲入鋼(gāng)中,并(bìng)且不斷自表面(miàn)向(xiàng)内擴散,形成含(hán)合(hé)金複合化層,這種方法處理後,硬化層表面的自潤滑層提高了模具的(de)潤滑效果,強化層的硬度較高(如Cr12MoV硬度≥HV1100)增加了表面的耐磨性,并能使模具具有較高的(de)熱硬性、疲勞強度和良好的抗咬合能力。
(九)激光表面強化法 經過(guò)黑化處理的模具表面,經激(jī)光加熱(rè)後,由工件自身冷(lěng)卻淬硬,其冷速遠比 常規淬火介質中的冷速大(dà)。激光表面處理具有淬(cuì)硬層深度可(kě)控,自(zì)回火,硬度可提高10-2 0%,淬火組(zǔ)織細小,耐磨性高、節能效果顯著,可改善工作條件等優點。不足的(de)是形響表面粗糙度。