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模具的热处理

一、模具材料的分类及要求


    在现代工业生产中,模具是实现少加、无加工先进技术中的重要工艺装备,模具产品的质量不仅关系到生产制品的质量和性能,而且直接影响生产效率和成本。

    从模具使用情况的统计分析表明,模具的质量在很大程度上取决于模具材料和热加工工艺。根据模具的实验条件,正确选择模具材料和制订合理的工艺非常重要。

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1 模具材料的分类

    通常可以按照模具的用途分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢及其他模具材料,如硬质合金、钢结硬质合金、铸铁等。本文所指模具材料均指模具工作部分用材。

1.1 冷作模具钢

    冷作模具钢是用于制造冲裁模、挤压模、拉深模、冷镦模、弯曲模、成型模、滚丝模、和拉丝模等模具。按工艺性能和成承载能力可将冷作模具钢分为如表1所示的几类。

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1.2 热作模具钢

    据合金元素的含量和热处理工艺分类方法,可将热作模具钢分为如表2所示的种类。

▼表2 热作模具钢分类表


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1.3 塑料模具钢

    塑料模具钢与热作、冷作模具钢性能要求有很大区别,目前已形成的塑料模具钢系列。详见表3 。

▼表3 塑料模具钢种类



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1.4 其它模具材料

    其它模具材料主要有硬质合金、钢结硬质合金、铸铁、非铁金属及非金属材料等。

    为了适应高耐磨、高抗压、高精度、高寿命的需要,如冷冲裁、冷镦锻、冷挤压等,特别是多工位级进冲模的凸凹模部分,常选用硬质合金或钢结硬质合金材料制作模具。常用的硬质合金和钢结硬质合金成分和性能见表4,表5 。

▼表4 硬质合金成分和化学性能


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▼表5 钢结硬质合金的化学成分和性能

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2  模具材料的使用性能要求和工艺性能要求


    根据模具的不同用途,需要考虑模具材料在使用性能和工艺性能。主要有以下几个方面。


2.1 使用性能要求

2.1.1硬度和热硬性

    模具在压应力的作用下应能保证其形状和尺寸不会迅速发生变化。硬度是模具的重要性能指标,因此,经过热处理后的模具应具有高硬度。如冷作模具的硬度一般在HRC55-65范围,热作模具一般在HRC36-55范围。

    热硬性是指模具在受热或高温条件下保持组织和性能稳定,具有抗软化的能力。钢的热硬性主要取决于化学成分和热处理制度,也是热作模具钢的主要性能指标之一。

2.1.2耐磨性

    模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力,要求模具在使用过程中保持其形状和尺寸不变,持久耐用。所以模具材料应具有良好的耐磨性。模具的耐磨性不仅取决于钢的的成分、组织和性能,而且与温度、载荷状态、润滑条件等有很大关系。

    一般来讲,提高模具的硬度有利于提高其耐磨性。

2.1.3强度和韧性

    模具在使用过程中承受很大载荷。包括冲击、振动、扭转和弯曲等复杂应力。重载荷的模具往往由于强度不够、韧性不足,造成模具边缘或局部断裂而提前破坏;钢的晶粒度和钢中碳化物的数量、大小及分布情况以及残留奥氏体量等,对钢的强度和韧性都有很大影响。高硬度的材料韧性差、表面缺口敏感性大、承载能力差,是模具早期失效的主要原因之一。实践表明,根据使用条件和性能要求,合理地选择模具钢的化学成分、组织状态及热处理工艺,能够得到足够高的强度和韧性的最佳配合。此外,根据各种模具的工作条件,还应分别考虑高温强度、热疲劳、导热性及耐腐蚀等性能。


2.2 工艺性能要求

    由于模具是在高硬度高强度、高耐磨性及足够韧性的状态下使用,所以要求模具钢的冶金质量比普通钢材要高,应尽量减少钢中气体含量、非金属夹杂物和有害元素(硫、磷等)含量;同时,为了保证钢材具有良好的性能,还要经过正确的热加工(锻、轧),以改变断面形状,改变铸态组织,然后经切削加工而制成一定形状的模具再进行最终热处理(正火、淬火及回火),这样才能得到模具所要求的使用性能。因此,模具钢的艺性能对模具制造同样十分重要。

2.2.1加工性。

    加工性是指锻、轧等热加工性能以及切削、研磨等形式的冷加工性能,它们与钢的化学成分、冶金质量、组织状态及硫、磷含量等因素有关。模具钢大部分都含有多种合金元素,尤其是高碳、高合金钢,在进行热加工时要严格控制加热温度及冷却方式,以避免或减少热加工废品;而在冷加工之前,应改善组织状态,以减少在冷加工过程中刀具的磨损,并提高模具的表面质量。

2.2.2热处理变形和淬火温度。

    制成的模具进行最终热处理时要求模具的尺寸与形状变化越小越好,因此,在热处理时对模具所产生的变形程度要求很严同时,要求淬火温度范围足够宽,以减少出现过热现象。

2.2.3淬硬性和淬透性。

    模具钢对这两种性能的要求,根据不同使用条件各有侧重。例如,对于要求表面具有高硬度的冲裁模和拉深模用钢,淬硬性显得尤为重要;对于要求整个截面具有均匀一致性的热作模具,则淬透性显得尤为重要。

2.2.4脱碳敏感性

    模具表面发生脱碳,会使模具表面的淬透性降低。因此,要求模具钢的脱碳敏感性越低越好。在相同加热条件下,钢的脱碳敏感性主要决定于钢的化学成分,特别是含碳量。

2.2.5表面抛光性

    塑料模具型腔表面一般要求很光洁,因此要求材料的可抛光性要好,能够采用机械、电、化学方法等得到很高质量的抛光面,一般来说有硬质点的混合相或者相组成比较复杂的钢不利于抛光,所以塑料模具一般选用有单一相组成的材料。


二、冷作模具的热处理


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1 冷作模具的工作条件和要求

    冷作模具主要用于完成金属或非金属材料的冷态成型。包括冲裁模、弯曲模、拉深模、挤压模和镦锻模等。

1.1 冲裁模

    冲裁模工作部位的刃口。要求工作中刃口不易崩刃,不易变形、不易磨损和不易折断。

1.2 弯曲模和拉深模

    这两种模具用于板材成型,工作应力一般不大。拉深模要求工作面保持光洁,不易发生粘着和擦伤;弯曲模除以上要求外,还要有一定的抗断裂能力。

1.3 挤压模和镦锻模

    这两类模具主要用于材料三维体成型,工作应力大,其中挤压模工作应力更大。材料在型腔中剧烈变形同时产生热量,模具在反复的应力和温度约300℃的环境中工作。要求模具工作时不易变形、不易开裂、不易磨损。

    几种典型冷作模具工作应力和模具硬度比较如图1所示。


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▲图1 典型冷作模具工作应力和使用硬度比较


2 冷作模具的失效形式

    冷作模具主要失效形式有过载失效、磨损失效、咬合失效和疲劳失效等四种形式。

2.1 过载失效

    模具材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷作用引起的失效。当材料韧性不足时易产生脆断和开裂,当强度不足时易产生变形和镦粗失效。冷挤压和冷镦模具易产生此类失效。

2.2 磨损失效

    模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗,使工作部位(刃口、冲头)形状和尺寸发生变化而引起失效。对工作表面尺寸和质量要求高的冲裁模、挤压模易产生此类失效。

2.3 咬合失效

    模具工作部位与被加材料在高压应力摩擦下,润滑膜破裂发生咬合——被加工材料“冷焊”到模具表面,引起被加工产品表面质量出现划痕等失效。在拉深、弯曲模及冷挤压模中易发生此类失效。

2.4 多冲疲劳失效

    冷作模具承受的载荷都是以一定冲击速度和能量反复作用,其工作状态与小能量多冲疲劳试验相似。由于模具材料硬度高,多冲疲劳寿命多在1000~5000次左右,而且裂纹萌生期占绝大部分,疲劳源和裂纹扩展区不明显。多冲疲劳失效常见于重载模具,如冷挤压、冷镦冲头模具。


3  冷作模具钢的选用

    为了满足冷作模具高应力、高耐磨和长寿命需要,通常多选用高碳钢或高碳合金钢。选材时应依据模具结构、服役条件、被加工材料性质、设备及润滑条件、加工产品批量等综合考虑。

3.1 选材原则

    冷作模具选材要考虑满足使用性能,发挥材料潜力,经济合理。

    首先要满足使用性能:根据模具使用要求,提出模具材料的性能指标(硬度、强度、韧性、耐磨性、变形性、加工性能等)。

    发挥材料潜力:由于模具材料不同加工工艺和改性技术可以得到不同性能的组合,优选性能组合仍然是节能、节材提高模具性能的主要途径。

    经济合理:由于模具产品特殊要求,模具材料和加工技术的成本较高,应根据模具要求,综合考虑优选经济合理的材料和工艺


3.2 常用冷作模具钢的选用

     常用冷冲模具和冷锻模具材料选用及工艺与使用性能参见表6~表9。

▼表6 常用冷冲模具钢材料选用表

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▼表7 常用冷锻模具钢材料选用表

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▼表8 部分冷作模具钢热处理工艺及力学性能

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▼表9 常用冷冲模具钢使用性能  

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4  冷作模具的热处理工艺

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冷作模具热处理主要包括预备热处理和最终热处理两类。此外还有模具加工中的热处理和使用中的恢复热处理等。

4.1 预备热处理

    模具预备热处理主要包括退火、正火和调质处理。主要目的是消除毛坯残留组织缺陷,有利于后续冷、热加工处理,提高模具使用寿命。