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表面强化与改性技术在模具中的应用
 
 
1)模具设计
(1)模膛圆角要缓慢过镀。一般热处理时,为了防止产生折断、开裂等,在圆角或缺口处,都尽可能采用较大的圆角半径。在采用表面强化处理,特别是使韧性显著降低的氮化和渗硼时,模膛圆角缓慢过渡尤为重要。
(2)模具要便于吊挂。在进行TD法、TiC沉积、镀铬、气体氮化和气体软氮化等处理时,模具最好能够吊挂。如对于长方形模具,可设置适当的孔和沟模。吊挂处理不仅可以降低成本,且可减小变形,并确保处理层的均匀性。
(3)合理布置装配孔。对于细长方形模具,装配孔的数量和位置应在充分考虑后确定。因为模具稍有弯曲时,可利用装配螺栓的紧固来校正变形。对于TiC沉积和TD法等高温处理,尤宜采用此法,以便省去校正工序。
(4)考虑模具的分割。对于大型模具,可采用组合结构,对易损部分进行表面强化处理,以降低成本。组合模具在处理后装配时,往往不能配合一致,因此常需进行磨削和调整。为了便于磨削,最好在结合面上加工一条退刀槽。对于高温处理,这一点尤为重要。
2)钢种和热处理条件的选择
模具表面和心部的性能要求之间是有矛盾的,如果仅仅用整体热处理,往往会顾此失彼。模具经表面强化处理后,其表面性能和基体有所不同。模具最重要的性能——耐磨性和抗黏附性,几乎不受钢种的热处理的影响(氮化和软氮化除外),因此表面强化处理模具的钢种和热处理工艺应与一般常规热处理不同,而钢种和热处理工艺的选择是否得当对模具的使用寿命及成本均有很大影响。
在镀铬、低温电解渗硫等低温处理时,由于在处理前要进行回火,回火温度高于处理温度,因此基本硬度在处理时几乎不变。所以,不论采用什么钢种,均可通过选择适当的回火温度来获得所需的基体硬度,所以也可获得所需的基体硬度。与此不同的是氮化、软氮化等中温处理,它一般是在淬火与回火后进行,因此在处理时基体硬度将发生显著变化。钢种不同,处理后的基体硬度也将不同,例如,如果希望达到60HRC的硬度,就必须采用高速钢,而不能采用碳素质工具钢或低合金工具钢。
但必须指出,表面强化处理的模具,对基体的硬度要求与常规热处理不同,例如,冷作模具为了获得高的耐磨性,通常采用高碳钢制造,热处理后硬度要求达到60HRC左右。当采用表面强化处理时,由于表面强化层起了承受磨损的作用,可适当降低基体硬度。这就意味着既可以提高回火温度,又可以降低模具用钢的碳和合金含量,从而解决模具的耐磨性和韧性的矛盾,且可降低模具材料费和加工费。有关工作表面,低碳钢经碳氮共渗的落料模,可与碳素工具钢媲美,而且冷、热加工方便,货源充裕,显示出很大优越性。当然,并非所有冷作模具都要用低碳钢制造。对于冷挤模、冷镦模等整体承受单位压力大的模具,低碳马氏体的抗压屈服强度则嫌不足,而目前常用的各种工具钢的C含量都很高,脆性大,制成的冷镦模和冷挤模易于开裂。如采用60Si2、60Si2Mn等中碳合金钢,经渗硼、软氮化等处理后,使用效果良好。
总之,当采用表面强化处理时,必须突破传统思路,合理选材和制定热处理工艺是能否充分发挥表面强化处理效果的关键所在,值得引起高度重视。
3)模具制造工艺路线
表面强化处理模具的一般制造工艺路线应根据表面强化处理的不同适当选用。有些工艺路线适用于低温和中温处理,有些适合于尺寸精度要求较严格的场合。某些条件下,表面处理强化之前插入淬火回火工序是为了高速和稳定组织,以减小后续热处理的尺寸变化。
4)模具的终加工
(1)磨削加工。采用镀铬、氮化等处理时,由于强化层较软,处理后的磨削加工没有问题。采用TD法或TiC沉积时,由于强化层硬度比刚玉硝轮磨粒的硬度高,用刚玉砂轮进行小切削量磨削是很困难的。如果仅仅要除去强化层,则必须用金刚石砂轮磨削或用金刚石膏研磨。除了铬碳化物外,其他碳化物的抗氧化性较差。利用这一点,在600℃以上的大气中加热1h~2h,以使强化层氧化,则不用金刚厂屯可研磨。在对经过处理的冲头进行重新磨削时,必须注意满足磨削条件,以保证强化层不发生崩落。
(2)堆焊。因设计变更和设计不良而需在堆焊修补过的模具上进行表面强化处理时,堆焊层应适于形成处理层,并且处理时不易发生变形开裂。对于前者,镀铬是不成问题的,但在氮化时,则强化层的厚度和组织明显受堆焊合金元素的影响。而在TD法和TiC沉积时,强化层厚度则明显受处理温度下基体中C含量的影响,所以必须加以注意。为了保证后者,就要求堆焊层的成分应尽可能与基体相近。
(3)刻印。在对小型模具用TD法和TiC沉积等工艺进行高温处理时,往往易在打印处产生裂纹。为此,希望钢印打的小些、浅些、离外缘远些。
5)局部处理和再处理
采用TD法、电火花表面强化、离子氮化和TiC沉积等工艺,可对模具反复进行再处理,有的模具再处理次数可达10次以上。通过对困磨损而失效的模具反复再处理,可以大大提高模具的使用寿命。再处理时应考虑以下几点:
(1)原处理层和新处理层之间的密合性。
(2)在局部除去原处理层的情况下,原处理层上形成的新层和没有原处理层的部分形成的新层之间的不平度。
(3)全面除去原处理层的必要性。
(4)由于反复处理所引起的韧性降低。
采用TD法时,如有局部损伤,可将该部分除去,进行再处理,镀铬可用于全面除去原处理层后的再处理。采用TD法、镀铬、离子氮化、渗硼和气体软氮化等工艺,均可进行表面处理,一般可用镀铜、镀锡和涂保护涂料等方法,在不需处理的部分形成保护层,也可采用装上盖板的方法加以保护。
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