热锻模具选材与制造工艺探讨.doc

热锻模具选材与制造工艺讨论　　摘要：本文主要介绍了锤锻和热挤压类热锻造模具选材的一般规律和方法；同时针对目前相关模具寿命较低的问题，从热加工、冷热加工配合角度，提出了相应工艺优化的措施和方法　　关键词：模具，材料、热处理一前言　　模具是实现少、无加工先进制造技术中的重要工艺装备，在现代工业消费中得到广泛应用从使用情况说明：模具的质量在很大程度上取决于模具的选材、热处理工艺按照模具的使用条件分类包括：冷成型模具〔包括挤压模具、冷拉模具、冷锻或冷镦模具〕、温锻模具、热锻模具、塑料成型模具、铸造模具等等本文主要阐述热锻模具的选材和制造工艺〔尤其是热处理工艺〕二失效方式热锻模具的主要失效形式有：变形、热疲劳、热磨损、断裂四种　　〔1〕变形：指在高温下毛坯与模具长期接触使用后模具出现软化而发生塑性变形表现特征为塌陷工作载荷大、工作温度高的挤压模具和锻造模具凸起部分容易产生这类缺陷　　〔2〕热疲劳：指在环境温度发生周期性变化条件下工作的模具外表出现网状裂纹工作温差大，急冷急热反复速度快的热锻模具容易出现热疲劳裂纹　　〔3〕断裂：指材料本身承载才能缺乏以抵抗工作载荷而出现失稳状态下的材料开裂，包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂和腐蚀断裂。

热锻模具的断裂〔尤其是早期断裂〕，与工作载荷过大、材料处理不当以及应力集中等相关　　〔4〕热磨损：为模具工作部位与被加工材料之间相对运动产生的损耗，包括尺寸超差和外表损伤模具工作温度、模具的硬度、合金元素以及光滑条件等影响模具磨损相对运动剧烈和凸起部位的模具容易产生磨损失效三选材一般规律和热处理技术要求　　根据热锻模具的一般失效形式，模具选材上主要考虑热硬性、强韧性、淬透性、脱碳敏感性、热疲劳性能等从热处理角度：耐磨性、硬度、热处理变形、外表脱碳等这里只介绍几种最主要的性能　　1、热硬性，也叫红硬性是指模具在受热或高温条件下保持组织和性能稳定，具有抗软化的才能，它主要取决于材料化学成分和热处理制度，一般这类钢材中含有较高的V,,，Nb,等高熔点和易形成多元碳化物元素　　2、强度和韧性主要根据模具的承载要求考虑，钢的晶粒度，碳化物的数量、形态、大孝分布以及剩余奥氏体的含量等对模具的强度和韧性有很大影响它主要取决于钢材的化学成分、冶金质量〔如气体含量、夹杂物、S、P含量等〕、组织状态〔合理的球化退火，改善组织的均匀性和碳化物的形态〕和热处理工艺合理运用　　3、淬硬性和淬透性：淬硬性是指材料淬火后所可以到达的硬度范围，主要与材料的碳含量有关。

而淬透性是指材料在淬火后得到马氏体组织的才能，它主要取决于钢的化学成分根据模具使用条件各有侧重，如对要求外表高硬度的冲裁模具，淬硬性显得更重要，对于要求整个截面具有均匀一直性能的热锻模具，那么淬透性更重要　　当然，影响热锻模具寿命的因素很多，在选择材料时，应根据热锻模具的详细工作条件合理选用，下表为两种主要模具常用选材：　　模具类型　　推荐材料　　一般使用硬度范围　　锤锻模具　　5rn,5rNi,5Sin,4Sin,3r28V(SKD5),4r5SiV(H11,SKD6),4r5SiV1(H13,SKD61),4rnSiV　　38~42HR　　热挤压模具　　3r28V(SKD5),4r5SiV(H11,SKD6),4r5SiV1(H13,SKD61),4rnSiV　　44~55HR(48~52HR)转贴于论文联盟.ll.　　详细不同模具材料的用处、使用温度范围、适用推荐硬度范围，可以参考?机械工程手册?四加工工艺及其对模具寿命的影响　　一般模具制造工艺流程：落料、锻造+球化退火处理—机加工—淬火、回火处理—〔深冷处理〕—精加工〔包括电脉冲加工〕—研磨、抛光处理—离子氮化处理　　合理的模具制造工艺流程：落料、锻造+球化退火处理—机加工—真空淬火、回火处理〔目的减小热处理变形〕—〔深冷处理〕—研磨、抛光处理—离子氮化处理。

　　2.1落料、锻造+球化退火：钢厂提供的模具材料一般为锻坯形式或棒材，其内部组织中碳化物呈沿晶界网状分布，这种组织，假如不经过进一步的锻造加工，使用时，裂纹容易沿晶界萌生并扩张，降低模具的承载才能，最终导致模具的早期断裂　　通过锻造和随后的球化退火处理，形成均匀、细孝弥散分布的碳化物，改善模具内部的组织条件，尤其是碳化物分布，为最终热处理准备组织条件，防止部分的应力集中产生热处理开裂，同时有助于进步模具的寿命，解决断裂和龟裂问题下列图为几种模具材料的快速球化退火工艺〔球化退火工艺的温度范围可以参考〈热处理手册〉或〈机械工程手册〉〕　　图1快速球退火工艺　　T1：3r28V,1050℃；3r33VNb,1030℃；5r452V,1100℃　　T2：3r28V,850~870℃；3r33VNb,850~870℃；5r452V,850~870℃2.2精加工：除非模具过于复杂，最好切削加工安排在热处理之前，目的在于防止机械加工过程中在外表形成的拉应力，导致模具疲劳性能的降低　　电脉冲加工为材料的熔化加工过程，加工后容易在外表形成熔化层和热影响层，降低模具外表的硬度、耐磨性，减小热处理外表形成的压应力而降低模具的热疲劳性能，因此热处理后一般最好不再进展电脉冲加工或者减小加工余量或者采用加工后研磨、抛光的方式减小外表加工层的影响，以防止切削加工，尤其是电脉冲加工对模具外表损伤而影响模具寿命。

　　2.3热处理：一般模具的热处理温度和时间可以参考〈热处理手册〉或〈机械工程手册〉需要注意的是　　〔1〕热处理应采用合理的工艺减小热处理变形(一般采用多段加热工艺，同时防止加热开裂)，同时考虑所采用的热处理方式，应防止合金元素的蒸发，在材料淬透性允许的条件下，尽可能采用真空热处理、气体淬火技术，减小热处理变形，防止热处理后较大的加工余量，导致外表过热，影响模具寿命但对淬硬性较差材料或存在高温下易挥发元素的材料，如含高Ni等，宜采用盐浴热处理　　〔2〕推荐采用超饱和渗碳热处理技术，即应用渗碳技术，阻止热处理外表脱碳，同时进步外表的耐磨性，并利用渗碳淬火后，外表形成高压应力，进步模具的疲劳抗力　　〔3〕模具材料中一般含有较高的r,,V,,Nb等高温、强碳化物形成元素，从而进步模具的强度、红硬性等性能，在热处理回火处理中，具有明显的二次硬化特性，即在低温回火和高温回火形成两次高硬度因此根据模具的实际使用温度范围，可以选择性应用回火温度，但是对于热锻模具应采用高温回火工艺，以防止二次回火硬化效应导致使用过程中模具性能的降低另一方面，也由于模具材料中一般含有较高的r,,V,,Nb等高温、强碳化物形成元素，具有很强的抗回火性能，因此需要进展屡次的回火，防止回火不充分引起早期的失效〔断裂和龟裂〕，一般要求至少2次高温回火〔更多采用三次回火工艺〕。

　　　　图2为3r28V热锻模具的热处理工艺曲线　　2.4喷丸、研磨、抛光处理：淬火、回火后、外表热处理前，进展喷丸处理，可以形成外表压应力层，改变淬火、回火处理后的外表拉应力状态；进展模具抛光处理，可消除模具加工外表缺陷而进步模具寿命，一般采用人工加工　　2.5离子氮化：进步模具疲劳性能和耐磨性，最好采用N2而不采用NH3，防止H＋对模具的氢脆作用离子氮化温度一定要低于淬火后的回火温度，以防止模具基体硬度的降低和模具的变形，从而导致模具的失效　　2.6深冷处理〔液氮处理〕：原理是降低剩余奥氏体、形成外表压应力、进步硬度和外表耐磨性、疲劳性能但需注意平安〔液氮使用不当，会对人体产生烧伤〕深冷处理的一般标准：模具〔室温状态〕——液氮〔-196℃〕/2小时——自然回到室温——160~170℃/4小时——空冷当然，热锻模具在使用开场和过程中，由于承受冷热交变过程，因此，为了进步模具的寿命，对模具的充分预热也非常重要，预热不充分或预热温度偏低将会严重影响模具使用寿命，一般预热温度为200~250℃，开场锻造前，模具预热保温时间一般不得低于1小时五外表处理技术的应用　　热锻模具采用外表处理技术主要由：涂层处理〔如真空涂TiN或TiN〕、镀层处理〔如镀r,Ni-P镀〕多元共渗处理〔如、N、或、N、、S〕、离子注入形成外表合金化层、渗B处理、物理气相沉积〔PVD〕、化学气相沉积〔VD〕等。

其中以离子氮化工艺最为适用各种外表强化处理方法的应用范围如下表所示转贴于论文联盟.ll.　　外表处理方法　　镀层处理　　N-共渗　　离子渗氮　　真空渗氮　　渗硫　　渗硼　　VD　　TiN　　PVD　　TiN　　TD方法〔硼砂盐浴渗V,Nb,Ti,r等〕　　超硬合金　　工模具钢　　性能　　r　　Ni-P　　V　　Nb　　r73　　硬度　　良　　良　　良　　良　　良　　一般　　优　　优　　优　　优　　优　　优　　优　　标准　　耐磨性　　良　　良　　良　　良　　良　　良　　良　　优　　优　　优　　优　　良　　优　　标准　　抗热粘着性　　良　　良　　良　　良　　良　　良　　良　　优　　优　　优　　优　　优　　优　　标准　　抗咬合性　　良　　良　　良　　良　　良　　　　良　　良　　优　　优　　优　　优　　优　　优　　标准　　抗冲击性　　一般　　一般　　一般　　一般　　一般　　标准　　一般　　标准　　标准　　标准　　标准　　标准　　一般　　标准　　抗剥落性　　一般　　一般　　良　　良　　良　　优　　一般　　良　　良　　良　　良　　良　　----　　----　　抗变形开裂　　一般　　一般　　良　　良　　良　　优　　良　　良　　良　　良　　良　　良　　----　　----　　本文主要介绍离子氮化工艺及其应用。

离子渗氮是利用真空辉光放电过程在零件外表形成高耐磨性、高硬度的合金氮化物层，其理论尚无定论，提出最早的是溅射与沉积理论目前用于离子渗氮的介质有N2+H2、氨及其分解气氨分解气可以视为25%N2+75%H2的混合气体　　直接将氨气送如炉内进展离子氮化，使用方便，但是渗氮层脆性较大，而且氨气在炉内各处的分解率受到进气量、炉温、起辉面积等因素的影响，并会影响炉温均匀性只合适于要求不高的工件　　模具经过离子氮化的目的在于：通过离子氮化在外表形成合金氮化物层，强化外表，进步外表硬度和耐磨性；同时模具经过淬火、回火之后，外表利用离子氮化过程中，形成外表合金氮化物层的高硬度和与基体硬度的差异，形成外表压应力，可以到达600~800pa的剩余压应力，从而进步模具的疲劳性能和寿命下表为几种模具材料离子氮化工艺和使用效果　　模具名称　　模具材料　　工艺　　使用效果　　冲头　　18r4V　　500~520℃×6h　　进步2~4倍　　铝压铸模　　3r28V　　500~520℃×6h　　进步1~3倍　　热锻模具　　5rn　　480~500℃×6h　　进步2~3倍　　冷挤压模　　65r4V2　　500~550℃×2h　　进步1~2倍　　压延模具　　12V　　500~520℃×6h　　进步5~6倍。