Si3N4 陶瓷材料在精密塑性成形模具中的應(yīng)用

羅永欣，姚春榮

（南通中集罐式儲運(yùn)設(shè)備制造有限公司，江蘇 南通 226300）

0 引言

精密塑性成形工藝以其節(jié)能、節(jié)材、減少機(jī)加工工時(shí)和成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)發(fā)達(dá)國家汽車零件生產(chǎn)的重要方法之一。但是由于精密塑性成形模具材料的限制，在成形過程中往往易造成模具的損壞［1］，這不但在一定程度上提高了精鍛件的成本，也使得一些需要成形力較大的復(fù)雜零件難于成形。目前，國外發(fā)展了多種冷、溫精密塑性成形用鋼，如LXR33就是日本廣泛采用的溫鍛模具用鋼［2］，該溫鍛模具鋼具有較好的力學(xué)性能，是目前應(yīng)用性能最好的溫鍛模具鋼。盡管如此，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足精鍛件生產(chǎn)的需要。

陶瓷材料是目前研究較為廣泛且性能優(yōu)良的材料之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。其中Si3N4陶瓷由于具有高溫強(qiáng)度高、耐磨性和耐蝕性好等優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，是發(fā)展較為迅速的高溫結(jié)構(gòu)材料［3］，如果將其應(yīng)用于精密塑性成形模具的關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)與制造，必將大大提高精密塑性成形時(shí)的模具壽命，使模具能在較高的溫度和較大的載荷下工作，從而使諸如爪極和轉(zhuǎn)向節(jié)等形狀復(fù)雜的枝杈類零件的溫?cái)D成形工藝變得簡單易行。

1 陶瓷材料應(yīng)用的可行性分析

目前Si3N4陶瓷材料還僅能應(yīng)用于一些簡單的沖壓零件的成形模具［4］。對于形狀較為復(fù)雜的零件成形模具的應(yīng)用還存在著諸多困難，其主要是由于復(fù)雜零件的成形模具的形狀復(fù)雜，并且目前陶瓷材料的發(fā)展還存在不足之處的緣故。其中，對Si3N4陶瓷材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)［5，6］的發(fā)展還不夠完善是一個(gè)主要原因，另外一個(gè)重要原因就是對于陶瓷材料的加工方法［7－9］目前還是很有限的，這些都限制了陶瓷材料的應(yīng)用。

隨著納米技術(shù)的高速發(fā)展，納米陶瓷已經(jīng)得到了廣泛的重視［10］。納米陶瓷具有較為優(yōu)良的力學(xué)性能，尤其是它具有超塑性，這說明陶瓷材料也能采用傳統(tǒng)的塑性成形方法成形，這就使得將陶瓷材料應(yīng)用于精密塑性成形模具設(shè)計(jì)成為可能。在諸多的陶瓷材料中，由于Si3N4優(yōu)良的特性而倍受矚目。Si3N4陶瓷材料超塑性研究的進(jìn)展情況［11，12］見表1。

表1 Si3N4 陶瓷材料超塑性研究進(jìn)展

2 應(yīng)用設(shè)想

目前精密塑性成形多采用一火多序或多火多序等工藝。以汽車發(fā)電機(jī)上的爪極零件來說，其成形流程如圖1所示，是一火六序成形工藝［13］，它不但降低了勞動生產(chǎn)率，而且要想組織連續(xù)生產(chǎn)，需要占用大量的設(shè)備。如果采用Si3N4陶瓷—鋼鐵組合模具，由于Si3N4陶瓷材料的優(yōu)良的抗高溫性能和陶瓷材料較好的保溫性能，可保持成形毛坯的溫度，提高其流動性。同時(shí)，又由于陶瓷材料在高溫下仍具有較高的彈性模量和較低的線膨脹系數(shù)，因此，模具設(shè)計(jì)時(shí)可忽略凹模的熱脹冷縮和彈性變形，即將模具的修正量計(jì)算公式［14］（1）中kt與kE均近似為0，從而無需對模具尺寸進(jìn)行修正，降低了模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，提高了成形零件的尺寸精度。綜合以上兩點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)一火兩序、甚至一火一序成形。

其中：Δ 為模具的修正量；ΔT為模具的溫度修正量；ΔE為模具的彈性修正量；kt為溫度修正系數(shù)；T1為零件終成形溫度；T2為模具終成形溫度；β1 為零件材料線膨脹系數(shù)；β2 為模具材料線膨脹系數(shù)；kE為彈性修正系數(shù)；σs1為齒輪材料在成形溫度下的屈服應(yīng)力；E1為齒輪材料的彈性模量；σs2為模具材料在成形溫度下的屈服應(yīng)力；E2為模具材料的彈性模量。

圖1 爪極零件一火六序成形方案

3 結(jié)論

將Si3N4陶瓷材料應(yīng)用于精密塑性成形模具的關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)與制造過程是完全可能的，也是非?，F(xiàn)實(shí)的，對我國的汽車工業(yè)具有重要的意義。這將有效地解決溫精密塑性成形過程中的模具材料問題，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜枝杈類零件的一火少序或一火一序成形工藝。

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