金屬薄板拉伸凹模的理想材料
——氮化硅陶瓷

聶蘭啟，闞衛東，季 楠，張道水，徐寶慶

（1.山東紅旗機電集團有限公司，山東濰坊 261108；2.山東鶴見紅旗環境科技有限公司，山東濰坊 261108）

1 引言

圖1所示防護殼體是某環保設備的零件之一，材料為不銹鋼SUS304L，生產批量較大。裝配后，制件外落在設備上，故要求其的表面質量要求較為嚴格，拉伸后要求制件表面劃傷、劃痕不超過0.10mm。該制件成形采用落料、3次拉伸工序。

圖1 防護殼體

2 拉伸模材料的選擇

2.1 金屬薄板拉伸對模具材料的要求

（1）較高的硬度，良好的耐磨性。

（2）良好的抗粘附性。

（3）良好的熱處理性能（淬硬性、淬透性、微變形等）。

（4）一定的韌性。

（5）良好的機械加工性能。

2.2 黑色金屬拉伸對模具材料的選擇原則

模具材料的選擇原則：

不同材料的模具，熱處理、表面狀態不同、與被加工材料的親和性、抗高溫摩擦粘結的程度也不同。因此，需要根據拉伸材料的性質、表面質量要求、生產批量等因素，恰當、經濟地選擇模具材料。通常拉伸硬材料時使用軟質模具材料，而加工軟質材料，應使用硬質模具材料。

2.3 防護殼體拉伸模材料的選擇

將各次拉伸凹模材料都選用冷作模具鋼（如Cr12MoV、Cr12等），熱處理后進行氮化處理。在實際生產中，第一次拉伸20件左右，制件表面出現明顯的劃傷，不得不去拋光模具。由于經常拋光凹模，制件尺寸超差，致使模具報廢，一度使生產無法進行。由于該制件批量較大，為保證模具具有較高的使用壽命，同時為避免毛坯制件表面劃傷、劃痕等缺陷，各次拉伸凹模選用硬質合金材料。使用硬質合金組合凹模后，盡管各次拉伸凹模的使用壽命得到一定程度的提高，但毛坯制件表面也經常出現劃傷、劃痕等缺陷，需要拋光模具。由于硬質合金材料由于硬度較高，拋光比較困難。

3 模具產生劃傷的原因及解決措施

3.1 模具產生劃傷的原因

不銹鋼板材在拉伸成形過程中，材料在變形流動過程中要產生很大的抗力，即使模具表面粗糙度很低，工件與模具之間必然要產生摩擦力。由于不銹鋼材料與模具材料具有一定的粘合性，加劇了工件與模具表面的相互摩擦。另外，不銹鋼板材在拉伸成形過程中，由于其內部金屬晶格要發生錯移和畸變，加之不銹鋼與金屬模具存在親和性，將產生大量的熱能，工件與模具接觸部位由于瞬間高溫而出現冷焊粘接現象，高溫冷焊粘接，導致工件因表面劃傷嚴重，質量無法保證，盡管硬質合金硬度較高，需要經常拋光模具。

3.2 解決措施

（1）氮化硅（Si3N4）陶瓷材料的特點。

氮化硅（Si3N4）陶瓷是將硅粉在液壓機上模壓成型后，粗加工后電爐中燒結，燒結溫度為1,450℃，時間為50h，燒結氣氛為常壓氮氣。燒結終了出爐空冷，磨削加工得到最終尺寸，最后拋光處理。

反應燒結的氮化硅陶瓷材料具有以下特點：

a.耐磨性高。氮化硅陶瓷材料耐磨性很高，可以保證拉伸模在工件允許的變形程度內，都能長期工作，并保證拉伸件尺寸不變。

b.拋光性能優良。氮化硅陶瓷材料具有良好的拋光性，能加工成鏡面狀態的模孔，保證引伸金屬制件表面的高質量。

c.對拉伸金屬的粘附性小。氮化硅陶瓷為無機非金屬材料，與金屬材料不存在親和性，避免了因粘著磨損引起的工件表面劃傷。

d.氮化硅材料硬度高。硬度可達2,000HV以上。

e.摩擦系數小。當模具表面精加工到0.005～0.025mm 時，摩擦系數小到0.01，摩擦系數小，能量消耗比采用鋼模降低60%以上。

f.耐腐蝕性能好。氮化硅陶瓷材料為無機非金屬材料，對冷卻潤滑劑具有良好的耐腐蝕性。

g.熱膨脹系數接近于鋼。

h.氮化硅陶瓷材料抗壓強度雖然很高，但脆性較高，易于斷裂，為防止氮化硅陶瓷模具在拉伸時脹裂，在陶瓷模具外加上預應力模套。以保證陶瓷模具具有較高壽命。

（2）氮化硅陶瓷材料適用性廣。

由于氮化硅陶瓷材料具有以上特點，氮化硅陶瓷凹模材料可拉伸各種牌號的黑色金屬、有色金屬材料，尤其適合不銹鋼材料的拉伸。

（3）氮化硅陶瓷凹模對拉伸設備的要求。

針對氮化硅陶瓷脆性較高，不能承受較大的沖擊力的特點，采用氮化硅陶瓷凹模進行拉伸生產時，一般選用壓力平穩、沖擊力小的液壓機或雙動拉伸壓力機。

4 拉伸凹模材料改為氮化硅陶瓷

由于氮化硅陶瓷材料具有上述優點，選用氮化硅陶瓷材料制造防護殼體各次拉伸組合凹模，設計的第三次拉伸氮化硅陶瓷組合凹模，如圖2所示。

圖2 第三次拉伸氮化硅陶瓷組合凹模

由于我公司無氮化硅陶瓷模具加工能力，該氮化硅陶瓷組合凹模由任丘市大通硬質合金有限公司制造，其實物如圖3所示。

圖3 氮化硅陶瓷組合凹模實物

避免了金屬材料與氮化硅陶瓷凹模之間由于瞬間高溫而出現冷焊粘接現象，制件表面質量無劃傷、劃痕等缺陷。同時，摩擦系數較小，減小了拉伸力，降低了拉伸設備的噸位，節省了能源，氮化硅陶瓷組合凹模的使用壽命高與硬質合金組合凹模相當。

5 結束語

通過近多年的實際應用，氮化硅陶瓷材料用于不銹鋼板材拉伸成形，顯著提高工件的外觀質量，模具使用壽命顯著提高，比冷作模具鋼提高壽命5～10倍，提高了生產效率，降低了生產成本，取得了較好的經濟效益和社會效益。