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模具材料與熱處理工藝選擇問題研究
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摘 要：隨著科學技術(shù)的發(fā)展和不斷提高，模具材料的熱處理工藝的選擇問題得到了很好的解決。近幾年，我國模具行業(yè)發(fā)展迅速，不過模具材料的水平和熱處理工藝跟發(fā)達國家相比，還有很大的差距。目前模具市場的競爭非常激烈，如何提高模具的生產(chǎn)質(zhì)量和減少產(chǎn)生周期是一個很重要的問題。延長模具的性能會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。從理論上講，模具的性能主要包括精度和表面光潔度。
關(guān)鍵詞：模具材料 問題研究 熱處理工藝
在現(xiàn)階段，模具是一種很重要的加工工藝裝備，也是我國制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對模具材料的性能要求越來越高，對模具材料的需求也相應(yīng)的增加。模具材料的性能好壞決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟效益。而模具的壽命對于加工效率和成本也有非常大的影響。從理論上講，模具的失效分為工作失效和偶然失效，工作失效指的是模具在正常工作時發(fā)生破損而導致模具壽命的結(jié)束。偶然失效指的是模具由于設(shè)計的錯誤從而導致模具過早的破損。影響模具壽命的因素包括五點：第一熱處理不當，占百45%[1]。第二，選材不當導致模具結(jié)構(gòu)的不合理，占25%。第三，工藝問題，占大約10%。第四，潤換問題導致設(shè)備損壞，占大約20%。由此可見，模具材料與熱處理之間的關(guān)系是影響模具壽命最主要的因素。解決熱處理工藝問題是增加模具壽命的關(guān)鍵。
一、模具材料簡介
1.1 冷作模具材料
在模具材料中，冷作模具的種類一般比較多，而且形狀結(jié)構(gòu)的差異也比較大。這種模具材料的工作條件和性能不是很相同。因此，在選擇冷作模具時候，要進行綜合的考慮，才能發(fā)揮材料的功能。目前，我國常用的冷作模具材料主要分為四大類：高速鋼、硬質(zhì)合金、碳素工具鋼和合金工具鋼[2]。
1.2 熱作模具材料
在模具材料中，熱作模具的選用比較苛刻，熱作模具通常要在600℃左右的高溫下進行工作，因此對于模具材料的選擇有更高的要求，模具材料的強度，硬度，耐磨性和抗冷熱疲勞度都要很好。此外，模具材料還要具備抗氧化性和抗腐蝕性。為了更好地適應(yīng)先進的加工技術(shù)，很多新設(shè)備對于模具材料的韌性也做出了比較高的要求，隨著一些新型熱加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，新型模具材料也應(yīng)運而生。例如，鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和難熔合金用來做高溫的熱作模具材料[3]。
1.3 塑料模具材料
隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，塑料模具已經(jīng)成為了非常重要的工業(yè)原料。近年來，塑料制品越來越多，因此用于制品的塑料模具消耗量也很多。與傳統(tǒng)的冷作和熱作模具相比，塑料模具的性能更為特殊。塑料模具具有較高的硬度，一般的耐磨性和足夠的深化深度。此外，塑料模具還有較低的耐熱性，在200℃-250℃的溫度下工作，塑料模具不變形，不養(yǎng)化，穩(wěn)定性很好。最后，塑料模具的耐腐蝕性比熱作和冷作模具要好很多。
1.4 玻璃模具材料
玻璃模具材料是一種新型的模具，目前，隨著科學的不斷發(fā)展，很多大型公司都在研制性能更好的玻璃模具材料來代替其他模具[4]。
二、冷作模具材料及其熱處理的選擇
對于冷作模具來講，其使用壽命與模具的硬度，強度和耐磨性有很大的關(guān)系。因此，對于冷作模具的熱處理工藝要求很高。對于冷作模具材料的主要性能要求是：首先要有很好的耐磨性，高強度和足夠的韌性;其次要具有很好的抗疲勞性，抗擦傷性以及咬合性。
2.1 低淬透性冷作模具鋼及其熱處理
滿足以上性能要求的冷作模具材料包括低淬透性冷作模具鋼，低變形冷作模具鋼和高合金工具鋼等。在低淬透性冷作模具鋼中使用最多的是碳素工具鋼，其主要特點是含碳量比較高，耐熱性比較好，可以在臨界迅速地冷卻并產(chǎn)生熱應(yīng)力的變形，這種變形可以主導模具的收縮方向。碳素工具鋼的含碳量越高，其收縮量也就越大[5]。
除此之外，碳素工具鋼的收縮會導致模具內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力必須通過回火或者其他的方法進行消除。當然對于這種變形量的大小也要受到模具截面尺寸和淬火加熱溫度的影響。因此，影響低淬透性冷作模具鋼冷作模具壽命的主要因素就是淬火的工藝。
2.2 低變形冷作模具鋼及其熱處理
對于低變形冷作模具鋼來講，其主要是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上添加少量的合金元素發(fā)展起來的。其中CrWMn是典型的鋼種，這種鋼結(jié)構(gòu)具有很好的高淬透性。并且在淬火的時候不需要進行強烈的冷卻，淬火的變形量也比碳素工具鋼要明顯減少。但是，這類鋼的變形也同樣受到淬火加熱溫度和模具截面尺寸的影響。低變形冷作模具鋼淬火溫度在選擇的時候，由于鎢形式碳化物，這種鋼在淬火低溫回火時都具有很多的碳化物，并且具有很高的硬度。當采用800℃進行加熱淬火時，可以得到較高的硬度(63HRC)，還可以獲得較高的抗彎強度和韌性。如果繼續(xù)提高淬火溫度時，低變形冷作模具鋼的硬度就會慢慢地降低，而且抗彎強度也會降低。當淬火溫度大于850℃時，硬度不斷開始下降。所以，為了減少低變形冷作模具鋼的變形量和提高耐磨性，淬火的溫度不宜過高[6]。
2.3 高合金工具鋼及其熱處理
對于高合金工具鋼來講，其主要性能與碳素工具鋼有一定的區(qū)別，高合金工具鋼的高強度和耐磨性都比碳素工具鋼要好很多。高合金工具鋼的含碳量很高，同時還具有大量的碳化物元素，因此高合金工具鋼具有很高的淬透性、耐磨性和熱硬性。高合金工具鋼在淬火時候不需要進行快速的冷卻，因此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力比較小。
高合金鋼模具的淬火溫度的選擇，首先要考慮控制淬火的變形。而冷卻的方法則要根據(jù)模具的具體要求和情況而定。高合金工具鋼的回火抗力很高，因此，在回火的時候很容易導致馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，這兩種轉(zhuǎn)變和分解都會影響模具尺寸的變形。因此高合金工具鋼一般都采用低溫淬火和低溫回火。這樣可以很好地獲得高強度、高韌性和高耐磨性。此外，在模具材料生產(chǎn)過程中，要根據(jù)模具的工作條件來確定何種方法淬火和回火。
三、結(jié)語
在整個模具制造行業(yè)中，模具的材料是其物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)的基礎(chǔ)。模具材料性能的好壞時時刻刻影響著模具的壽命。因此要提高模具的壽命必須要對模具進行熱處理，模具的熱處理工藝是保證模具性能的重要過程，與模具的壽命息息相關(guān)。如果模具材料的熱處理工藝不當，就會導致模具性能不良，例如模具的韌性，冷熱疲勞性能和抗磨損性能的下降。從而嚴重地影響模具的工作壽命，還會降低產(chǎn)品的質(zhì)量。因此。對于不同的冷沖模具應(yīng)該選擇不同的模具材料以及相應(yīng)的熱處理工藝。
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