影响模具寿命的因素及其提高措施

  　摘要：影响模具寿命的因素很多，从产品技术角度，阐述提高模具寿命的12种措施，特别是热处理技术极为重要。

 

　　关键词：模具; 强钢化; 热处理; 矫正; 寿命;

 

　　Several technical problems to improve the life of mold

 

　　Meng Shi

 

　　1 序言

 

　　模具是工业生产的主要工艺装置，模具工业是基础工业。模具在国际上被喻为金属加工的“帝王”，模具工业是衡量一个国家综合经济技术水平的标志和晴雨表。世界各国都十分重视模具工业的发展。我国的模具工业发展迅速，从1996年至今，产值以每年10%～20%的速度快速增长。但由于人才匮乏，技术落后，造成模具制造周期长，质量差，成本高，模具寿命不尽人意。据有关方面统计分析，在模具失效诸多因素中，材料和热处理因素占50%，可见模具的选材及热处理是何等重要。

 

　　2 国内外模具寿命对比

 

　　据《中国模具信息》2001年第11期报道，国内外模具寿命对比见表1[1]。时间过去近20年，我国模具整体水平比国外低的格局并未改变，我国的模具技术发展很快，有的已达国际水平，少数领先，但就总体而言，在大型、精密、复杂的长寿命模具方面和国外相比，仍有较大的差距。

 

　　3 提高模具寿命的技术措施

 

　　3.1 采用纯净高性能的模具钢

 

　　材料是基础，基础不牢地动山摇，G B/T1299—2014《工模具钢》中列出了冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢的具体成分，并对杂质、含量提出了严格要求，但市售的模具钢买卖双方质量纠纷不断。我们应从正规渠道采购，不能贪便宜，应优先选用粉末钢、喷射钢和纯净度高的优质钢。另外，选用3Cr2W8V钢制造热作模具时，应关注其含碳量，国外先进标准均为wC=0.25%～0.35%[2]，而我国标准为wC=0.30%～0.40%，此钢一直沿用前苏联3X2B8?钢标准，俄罗斯标准TOCT 5950—2000早已改成wC=0.27%～0.33%，而我国标准一直未作修改。实践证明，3Cr2W8V钢含碳量高则有害无益，好多早期失效皆由它引起。赵步青早于1994年7月在“哈尔滨举行的第七届全国工具热处理年会”上提出修订3Cr2W8V钢含碳量的建议[3]。
 

 

　　表1 国内外模具寿命对比    
 

　　
 

　　3.2 进行强韧化处理

 

　　中碳中合金热作模具钢在锻后缓慢冷却或模坯截面较大时（φ>100mm），其组织中易出现链状碳化物，导致模具早期脆断、热裂和龟裂失效。因此，需采用组织预处理予以消除，以提高模具强韧性和使用寿命。

 

　　3C r M o W2V钢采用1130℃正火，可使M6C碳化物溶解，在空冷速度>15℃/min时，超过形成链状碳化物的临界冷速，可消除链状碳化物，并在随后的球化退火后获得颗粒匀细分布的碳化物。

 

　　3.3 采用节能降耗的预处理热处理新工艺

 

　　1）采用锻后余热退火的形变热处理。

 

　　2）采用快速匀细球化退火新工艺。

 

　　3）热作模具钢由常规高温回火改为中温回火处理。

 

　　4）增加调质处理。

 

　　3.4 采用真空淬火或保护气氛热处理

 

　　自20世纪80年代末Cr12Mo V钢模具真空淬火成功后，模具真空淬火应用日益普及，特别是高压气淬。

 

　　3.5 深冷处理

 

　　淬火后的模具在-110℃以下作深冷处理时，析出微细碳化物残留物，残留奥氏体转变成马氏体，可提高耐磨性、抗回火稳定性、尺寸稳定性。M12螺母冷镦模经深冷处理后使用寿命提高两倍，铝合金热挤压模使用寿命提高1倍。

 

　　3.6 降温淬火

 

　　选用高速钢制模，其淬火温度不同于刀具，普遍采用较低的淬火加热温度，即降温淬火，如W18B C r V钢淬火温度为1180～1200℃，M2、W9钢淬火温度为1160～1180℃。采用低温淬火，可获得良好的强韧性，减少变形、开裂、崩刀倾向，提高模具性能、质量和寿命。

 

　　3.7 高温淬火

 

　　用5Cr Ni Mo、5Cr Mn Mo、3Cr W8V等钢制造的热作模具，宜采用较高的温度淬火，以获得较多的板条马氏体，提高断裂韧度和热疲劳抗力，提高其性能和寿命[4]。

 

　　3.8 复合强韧化

 

　　M2钢制模具，1180～1190℃加热，在稍低于M s点以下等温1～1.5h,560℃×2h×2次硝盐回火，可获得B下+M的复相组织，与淬油相比，抗弯强度提高56%，在挤压08钢制工件时，寿命大幅提高，以磨损失效。再如，H13钢制模具，由常规淬火+回火改用1030℃加热淬火，250℃×10min等温分级，使aK值提高33.4%，寿命比3Cr W8V钢提高1.6～6倍。

 

　　3.9 在第一类回火脆性区回火

 

　　世间一切事物都是相对的，而不是绝对的。T10A钢和G C r15钢的第一类回火脆性区在230～270℃，一般用180～200℃回火。国内有人偏选在该钢的第一类回火脆性区回火，可获得高的疲劳抗力。对于应力集中不严重、承受拉伸-压缩-弯曲应力的冷作模具，因其寿命主要取决于疲劳裂纹的萌生，所以应尽可能提高强度，用此工艺可收到奇效。

 

　　3.1 0 表面强化[5]

 

　　纵观各种模具失效，大多从表面开始，因此应做好“表面文章”。其中包括碳氮共渗、氮碳共渗、渗氮后氧化、蒸汽处理、TD处理、表面涂层、渗硼、渗金属、硫化、硼硫复合渗，以及表面感应加热、激光淬火等。不是所有模具都可以进行各种强化，应有所针对性。

 

　　目前，世界上模具表面强化方法如图1所示[6]。

 

　

　　图1 国外标准表面处理工艺   

 

　　3.1 1 提高热作模具的抗热疲劳性能

 

　　热开裂和热疲劳决定了材料的高温强度和模具表面状态，划痕和电火花加工变形层会促使裂纹产生和扩大，为此人们采取了一系列的措施。

 

　　1)Y10钢制模，应适当提高淬火温度、回火温度，以增强热疲劳抗力。

 

　　2）避免脱碳，因为脱碳会使热疲劳裂纹扩大，降低热疲劳强度。

 

　　3）渗氮，特别是有化合物层时，渗氮能防止热疲劳裂纹的产生。

 

　　4）表面粗糙度差和磨纹会降低热疲劳抗力。

 

　　5）提高高温强度和塑性有利于提高热疲劳强度。

 

　　6）电火花加工出现大的变形层有损于热疲劳强度。

 

　　7）热作模具高温回火比低温回火有低的热冲击裂纹敏感性。

 

　　8）热作模具涂层可提高热疲劳性能及耐磨性。

 

　　3.1 2 模具热处理变形的矫正法

 

　　热处理变形实属正常，关键是掌握变形规律并设法矫正。变形矫正的方法简介如下：

 

　　1）利用马氏体相变超塑性的原理适时矫正，4 m机械刀片、1.5m长拉刀淬火后冷至适当温度，轻轻施压就可矫正好，模具校直亦然。

 

　　2）加压回火：系指施加压力以矫正淬火畸变的回火，如大薄刀片。

 

　　3）冷处理矫正：残留奥氏体多的不锈钢淬火件，-70℃×1～2h深冷处理时尺寸胀大，制作Cr12钢模具最合适。

 

　　4）热点矫正：在弯曲件的最凸处，用氧乙炔火焰或高频感应加热装置，快速加热到700℃左右，迅速冷却收缩，予以矫正。

 

　　5）高频缩孔矫正：胀大的工件，放在感应圈内加热至700℃左右，迅速冷却可起到缩孔作用。缩孔多次时应进行去应力处理。

 

　　6）电镀增厚矫正法。

 

　　7）化学腐蚀矫正：腐蚀剂有4 0%H N O3+60%H2O或20%H N O3+20%H2S O4。不需腐蚀处用沥青或石蜡保护。

 

　　8）急冷缩孔矫正：对于孔胀大的工件，可退火加热到700℃后迅速冷却1～2次进行矫正。

 

　　4 结束语

 

　　科学技术是第一生产力，以上展现的提高模具寿命的12项技术措施经济实用。只要我们认真研究模具失效的原因，制订整改方案，有针对性地采取相应技术措施，就一定能造出高质量、长寿命的模具。

 

　　参考文献

 

　　[1]王德文.提高模具寿命应用技术实例[M].北京：机械工业出版社，2004.

　　[2]李维钺，李军.中外钢铁牌号速查手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

　　[3] 赵步青.3C r2W8V钢热处理工艺：1994年第七届全国工具钢、工具热处理年会论文集[C].哈尔滨第一工具厂，1994.

　　[4]赵步青.模具热处理工艺500例[M].北京.机械工业出版社，2008.

　　[5]金荣植.提高模具寿命的途径——选材及热处理[M].北京：机械工业出版社，2016.

　　[6] Stoeckhert K,Mennig G.模具制造手册[M].任冬云，译.北京：化学工业出版社，2016.