模具材料及熱處理技術對模具壽命影響的研究

劉賽堂

摘 要：在國民經濟中，模具是發展制造業的基礎和重要保障。如果模具熱處理不當，或者選擇制造模具的材料不合理，都會影響模具的質量，影響模具的使用壽命。對此，文章從模具材料、熱處理技術的角度分析其對模具壽命的影響，同時提出相應的建議，為制作模具提供參考。

關鍵詞：熱處理技術 模具 模具處理

中圖分類號：TG162.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（c）-0107-02

近年來，隨著金融行業的發展，制造業的發展受到不同程度的制約。然而在工業化進程中，模具制造業作為國民經濟發展的基礎，受到政府、企業的高度關注。在工業生產中，如何提高模具的精度，縮短模具設計周期，延長模具使用壽命，這是一個急需解決的問題。從實際情況來看，模具使用壽命的長短直接影響生產效率、產品質量等，通常情況下，模具材料、熱處理技術、設計結構、成形工藝等因素都會對模具使用壽命產生不同程度的影響，其中模具材料、熱處理技術是影響模具使用壽命的關鍵。

1 模具材料對模具壽命的影響

對于模具材料來說，影響模具壽命主要表現在3個方面。

（1）4Cr5SMoSiV1鋼制熱擠壓沖頭。

該沖頭在工作過程中，容易在模具表面發生氧化，以及熱疲勞開裂現象，并且容易受沖刷磨損的影響。如果采用3Cr2W10V鋼制作模具，同時利用2 000 kN水壓機對D60鋼材料進行處理，使用壽命一般為400～500次，反之如果采用H10改型鋼制造模具，其使用壽命可以大幅度延長，一般可以延長到2 000次。

（2）5NiSCa鋼制精密密封橡膠模。

這種模具在尺寸方面要求比較高，具有良好的工藝性能、拋光性能，其特點主要表現為熱處理變形小、硬度高、耐磨性好等。該模具的制造原材料一般選擇45#鋼，在調質和鍍鉻狀態下使用該模具，通常會出現硬度低、易磨損、凹坑、麻點等問題，并且橡膠制品的外觀質量比較差。如果采用5NiSCa制造，往往可以獲得良好的加工工藝和使用壽命，例如，利用密封條壓模（材料為45#鋼），模具壽命一般為2 500～3 000次，如果采用5NiSCa鋼制作，其壽命高達9 000～10 000次。

在模具制造工藝方面，5NiSCa一般按照改鍛—退火—調質—拋光的工藝流程制造模具。

（3）利用GD鋼制作中、厚板沖裁模。

在制作（厚度為3～6 mm）厚（厚度超過6 mm）板沖裁模具的過程中，一般選擇Cr-12型鋼，由于碳化物存在嚴重的偏析現象，并且強韌性差，模具容易發生崩裂等現象，進而在一定程度上影響模具的使用壽命。如果選用GD鋼制作模具，可以大幅度延長模具使用壽命，并且模具制作成本低，熱處理工藝簡單。通常情況下，采用Cr12MoV鋼制作墊片落料模，模具使用壽命一般在2 000～3 000次，而利用GD鋼制作模具，模具使用壽命長達10 000次，并且不容易發生斷裂失效現象。

在制作模具工藝方面，利用GD鋼制作模具，一般按照改鍛—球化退火—機加工—淬火、回火—磨削加工—消除應力低溫回火的工藝流程制作模具。

2 熱處理技術對模具壽命的影響

對于熱處理技術來說，主要從3個方面影響模具使用壽命，分別介紹如下。

（1）拉深模離子滲氮。

選用Cr12MoV鋼制作拉深模，材料選擇厚度為1mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。在制作模具的過程中，容易損害拉深件外側壁和凹模表面，對模具表面質量和凹模壽命產生嚴重影響。利用離子滲氮對凹模表面進行處理，無論是模具的表面性能，還是模具的使用壽命都明顯提升。

在模具制作工藝方面，一般按照鍛造—球化退火—機加工—淬火、回火—精加工—離子滲氮—裝配的流程，利用Cr12MoV鋼加工凹模。

（2）熱擠壓凹模復合強化。

在服役條件方面，對于熱擠壓凹模來說，一般要求比較高，這是因為熱擠壓凹模要承受高溫、高壓、交變循環負荷，以及劇烈摩擦等。基于此，在選擇制作材料時，一般側重高溫耐磨、高溫強度、高溫硬度，以及抗熱蠕變等，在這種情況下，新型HMI熱作模具鋼成為首選，這種材料的特點是復合強化熱處理工藝效果好。另外，這種材料合金含量低，同時具有良好的高溫強度、抗冷熱疲勞性、抗回火性等性能。由于鋼中的鏈狀碳化物無法用常規的熱處理工藝消除，進而導致模具在服役過程中，容易發生疲勞脆斷、型腔擦傷塌陷等現象。但是，采用新工藝，能夠消除HMI鋼中的鏈狀碳化物，模具使用壽命一般可以延長4～5倍，使得HMI鋼的潛力被充分挖掘。

對于鏈狀碳化物來說，由于穩定性比較強，常規的處理工藝，例如球化退火、正火、淬火等都無法破壞鏈狀碳化物的穩定性，但是采用熱固溶淬火工藝可以有效解決這一問題。

對于HMI鋼擠壓凹模復合強化處理工藝來說，通過滲硼強硬化處理，在一定程度上可以有效提高熱擠壓凹模型面的硬度、耐磨性能、抗腐蝕性能等，進一步延長熱擠壓凹模的使用壽命。

（3）壓鑄模NQN復合強化。

在壓力鑄造中，鋁壓鑄模是主要的熱作模具，應用范圍比較廣。在壓鑄模材料中，3Cr2W8較為常用。受各種因素的影響和制約，傳統的鋁壓鑄模熱處理強化工藝在鑄模效果方面不太理想，采用NQN復合強化方法改進傳統的壓鑄模熱處理工藝，可以使鋁壓鑄模的使用壽命明顯延長。

對于傳統的鋁壓鑄模熱處理工藝來說，普遍存在以下問題：

第一，熱處理生產周期長，處理工藝復雜。

第二，在消除應力階段溫度比較高，在空氣中進行加熱處理，容易發生氧化脫碳現象。

第三，淬火溫度高，淬火冷卻容易發生裂痕。

第四，有效硬化層比較薄。

第五，模具表面容易粘鋁，增加了脫模難度。

相對來說，NQN復合強化工藝的特點主要表現為以下幾點。

首先，將氮碳共滲與去應力處理工藝進行結合，由于加熱溫度相近，增強了對模具去應力效果。并且，可以控制爐內氣氛，模具表面氧化脫碳現象可以避免，同時可以在模具表面形成氮碳化合物層，以及擴散層。

其次，按照傳統的鑄模熱處理強化工藝，模具經過氮碳共滲處理后，一般不采取任何熱處理。對于鋁壓鑄模來說，經過氮碳共滲處理后，需要進行淬火操作，通過淬火在一定程度上可以保證模具的整體性能，并且淬火加熱可以將氮向內部擴散，在冷卻過程中，可以形成含氮馬氏體，進而增加有效硬化。

最后，淬火后，結束第一次回火，在進行第二次回火時，再進行氮碳共滲處理，這種方式可以對模具進行雙重保護，一方面強化模具表面，另一方面通過對模具進行二次回火，將鋼中殘余奧氏體進一步轉變為二次馬氏體，同時對模具進行二次硬化，在一定程度上增加了壓鑄模的強度，防止模具發生變形，確保模具的機械性能，同時延長模具的使用壽命。從實際情況來看，采用NQN復合強化技術對模具進行處理，壓鑄模的使用壽命普遍提升3～4倍，并且大大提高了模具的表面質量，使得模具更加美觀。

3 結論

從實際情況來看，在使用模具的過程中，影響模具使用壽命的因素比較多，而且比較復雜，為了提高模具的質量，需要延長模具的使用壽命。隨著經濟的發展，科學技術的進步，可以從以下方面著手，采取措施延長模具使用壽命。

（1）研究制作模具的新材料，對原有制作模具的材料進行二次開發。

（2）改進熱處理工藝，采用新設備，對新的強化處理方法進行探索。

（3）按照產、學、研、金的模式，盡快將新材料的研究成果商業化。

（4）采用新技術（CAD、CAM等），將模具設計、模具制造標準化、專業化，最大限度提升模具設計質量，延長模具使用壽命。

參考文獻

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