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延长粉末冶金模具使用寿命的两种途径

时间:2019-01-16? 来源:青岛丰东热处理 ?作者:青岛丰东热处理 点击:
        粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料,经过成形和烧结,制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品,是一种少无切削工艺,目前已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域,成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。
        粉末冶金模具是粉末冶金的关键技术之一。粉末冶金模具成形技术在生产机械零件方面凸显出节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点,非常适合于大批量生产。另外,部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造。特别是在当今电子和汽车工业迅猛发展的形势下,工业产品的发展对模具的要求越来越高。
        无论是模具的大型化、复杂化、还是高精度、高效率,都依赖于模具寿命的提高。粉末冶金模具在使用过程中通常是由于磨损而引起尺寸超差而失效报废的。因此,目前在实际的模具加工制造行业,获得外硬内韧的模具材料逐渐成为延长模具使用寿命的主要目标。单就某一特定类型钢的粉末冶金模具钢来说,模具加工过程采取昀热处理工艺和模具的表面处理是影响模具使用寿命的最主要的两个因素。
热处理工艺改进
        我国普通的中小型粉末冶金模具制造企业一般是购置退火状态的Cr12型钢材,进行调质处理(淬火+回火),随后进行机械加工。但是因为Cr12型钢是属于高碳、高铬的莱氏体钢,内部会分布大量的硬度较高的碳化物,如果碳化物分布不均匀,可能会导致模具在使用过程出现裂纹,拉毛甚至会出现模具变形导致失效的情况。所以,在模具的热处理过程中,改善碳化物分布非常重要。
1.淬火
        Cr12钢含有极高量的C(2%-2.3%)和Cr(1 1%_1 3%),淬火后的组织是马氏体+残余奥氏体+粒状碳化物。现在模具加工普遍使用的淬火介质是油,加热温度是950-980。C,淬火后硬度为61-64HRC。适当的提高淬火温度,奥氏体中的碳、铬浓度提高,钢的淬透性变好,淬火后产生的马氏体的数量增多,材料的硬度提高。但在模具精加工或者工作过程中,表面硬度过高会引起开裂,一般精加工前模具表面硬度在58-60HRC为最佳。所以可采用1060度油冷和在520度下保温3小时,二次回火,高淬、高回的工艺,在保诬硬度的同时可消除
内应力。另外,采取快速加热淬火工艺,可在Cr12粉末冶金模具钢表面10-30 mm快速加热至980度,这样工件芯部温度低于淬火温度,经过油淬低温回火后,表面可以得到均匀细致的马氏体组织,硬度达62-64HRC,具有良好的耐磨性,芯部基体硬度为58-62HRC略微低于表面硬度,保证了一定的强韧性,寿命显著提高,压制毛坯4-5万件。如果快速淬火后对模具进行表面镀铬处理,镀层厚度控制在0.02 mm左右,反复一至三次电镀后,寿命可达到8万件以上。
         Cr12MoV通常普遍用于制造精度要求较高、形状较为复杂、载荷比较重的模具。但是一般的淬火处理(1000-1020度油冷)后,模具在使用过程中很容易出现磨损、脆裂等现象。对Cr12MoV冷镦模具钢进行复合强韧化处理,在400-500度下预热30-50 min,可防止材料由于锻造加热时温度过高导致内外受热不均,或者是温度差过大造成的局部过烧。改变传统的高温淬火+低温回火工艺,采用高温淬火+高温回火后进行硫、碳、氮三元共渗的方法,在模具表面形成含S、C、N化合物层和C、N扩散层,测得表面硬度为980-1000 HV,基体硬度57-59 HRC,得刭的模具具有外硬内韧、高耐磨、抗擦伤咬死、抗疲劳腐蚀等优点,模具的寿命提高3-4倍。适当的降低共渗温度及淬火温度,工件变形量小,适用于对尺寸精度要求较高的工具、模具及高耐磨件。
其他方法包括:盐浴炉加热;使用代替油的合成淬火剂或水溶性淬火剂淬火等。
        对于结构复杂,精度要求较高的模具,为避免产生应力集中和疲劳断裂,可采用复合等温淬火工艺,例如5CrMnMo锻模,与常规的淬火处理相比,经过复合等温淬火后模具的使用寿命可以提高1倍。同时,采用真空热处理技术,可显著减少热处理过程中杂质气氛对材料的影响,有效避免材料表面氧化脱碳,减少淬火变形,使材料硬度韧度分布均匀。模具材料在经过适当的真空热处理后使用寿命能提高30%以上。
2.回火
        模具钢回火温度最好根据淬火后残余奥氏体的量来决定,用来调整控制模具的尺寸精度,如果测量淬火后模具尺寸增大,可采用340-430度的加压回火;如果尺寸减小,可采用420-520度回火。热处理后需要渗氮处理的模具,淬火后回火温度选为570-580度,保证在渗氮处理时模具的变形量较小。
        在模具热处理之前,增加一道去应力回火的工序,一般采用350-400度,6-12h出炉空冷,或者650~700 度,2-4h,炉冷到500度出炉的热处理工艺,可以减小模具在热处理时的变形量,保证模具的尺寸精度。不但可以有效地消除偏析碳化物网带,还可以消除粗加工后残余的应力,从而改善组织,降低材料硬度,以利于后期的精加工,提高了模具的制造精度和精确性,减少由于淬火开裂和畸变导致的模具失效等情况的发生。
        另外,模具钢淬火之后可以进行深冷处理,在氮温度(-196度)介质中进行深冷处理,马氏体析出大量细小分散的碳化物,有效提高材料的韧性,延长模具使用寿命,模具的变形量小,尺寸稳定性高。例如,M16螺帽冲模经过-196度深冷处理和400度回火后,冲击韧性提高,寿命比常规热处理模具提高9-10倍。
模具表面处理
        粉末冶金模具使用的环境具有特殊惟,需要具有较大的承受载荷的能力,较高的精确度,模具的表面硬度要求较高,且心部的韧性要好。模具表面强化处理可提高模具表面硬度、改善表面组织性能,是提高模具性能和延长使用寿命的重要途径。
1.PVD
        PVD是一种重要的提高模具寿命的措施,是用物理的方法把氮化物、碳化物、高熔点金属、TiN化合物等气化成原子、分子或者离子直接沉积在模具基体表面,在表面形成一层高熔点、高硬度、高耐磨、抗腐蚀抗氧化能力很强的膜层。可以广泛应用于各类磨损、咬合、腐蚀、粘着、融合等而引起失   效的工具、模具。其中,因磨损引起的失效的产品涂层后可提高寿命2-10倍以上。PVD技术进行模具表面处理时基体的受热温度较低,模具的变形较
小,可以在各种模具材料上沉积致密、光滑、高精度的TiN、TiC镀层。工业上应用已经证明,粉末冶金模具通过PVD或者CVD处理的如TiN或者TiCN沉淀陶瓷,有延长模具寿命的作用,寿命增加约10倍。
2.CVD
        CVD法是用化学方法使反应气体在基体表面发生化学反应形成覆层的方法。CVD法涂层的反应温度高,在基体与涂层之间容易形成扩散层,结合力好,并且容易实现设备的大型化,生产扩大化,实现模具大量的生产。例如,利用中温CVD法、等离子体激发化学气相沉积(PCVD)在Cr12MoV钢和9SiCr钢模具上用CVD的沉积得到昀TiN化合物都是比较细
        密均匀的,镀层厚度大于3恤m,经生产试验验证,模具的寿命可以提高10倍左右。
        目前公司在青岛设有三个厂区,总建筑面积2万余平米,拥有各类热处理生产设备60余台套,年热处理量2万余吨,可为客户提供化学热处理(渗碳、渗氮、碳氮共渗)、真空热处理、等离子热处理()、常规热处理(含深冷处理)等四大领域的热处理加工服务。


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