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第 3 2卷第 2期 2 0 1 4年 4月 粉末 冶 金技 术 Po wde r M e t a l l ur g y Te c hno l og y Vo 1 ,3 2.No , 2 Ap r .2 01 4 通过热处理和表面处理延长粉末冶金模具 使用寿命 徐 磊 一 杜海珍 一 李 英 刘 坤 青岛科技大学材料科学 与工程学院 , 青 岛 2 6 6 0 4 2 摘 要 粉末冶金 的模具技术是 生产和发展粉末冶金机 械零 件的关键技术之一 , 模具寿命的高低不仅 影响 产 品质量 , 还影响生产效率 和生 产成本。为 了尽可能 的延 长模具 的使用 寿命 , 保 证产 品质量 , 提 高生产效 率 , 本文分别从改 进热 处理工艺 、 表 面处理两个方面来介绍多 种可以延长模具使用寿命 的方法 。在具体 的模具加 工过程 中 , 可 以根据设备条件 、 模具原材料种类 、 模具 的工作环 境和精度要求来选择具体 的延长 寿命 的方法 。 关键词 粉末冶金模具 ; 使用寿命 ; 热处理工艺 ; 表面处理 S umm a r y o f Pr o l o ng i ng W o r k i ng Li f e o f Po wd e r M e t a l l ur g y To o l i ng s t hr o u g h He a t Tr e a t m e n t a nd S ur f a c e Tr e a t me nt Xu Le i ,Du Hai z he n,Li Yi ng,Li u Kun C o l l e g e o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Q i n g d a o 2 6 6 0 4 2 , C h i n a Abs t r ac t The t e c h n o l o gy o f ma k i ng t o o l i ng s i s t h e k e y t ec hn o l o g y t o t h e pr o du c t i o n a nd d e v e l o p me n t o f p o wd e r me t a l l ur g y ma c h i n e r y p a ns .Th e t o o l i ng s d i me n s i o n a c c u r a c y i s c r uc i a l t o t h e l e v e l o f p r o du c t i o n qu a l i t y,a n d i t s l i f e d i r e c t l y r e l a t e s t O t h e p r o du c t i o n e f fic i e n c y a nd c o s t s . Th i s pa p e r i n t r o du c e s a v a r i e t y o f me t ho d s t h a t c a n e x t e nd t h e l i f e o f t o o l i ng s t o a ma x i mum l e v e l ,e ns ur i n g p r o d uc t i o n q ua l i t y a nd i mp r o v i ng e f f i c i e n c y .The me t h o d s c a n b e d i v i d e d i nt o t wo ma i n c a t e g o r i e s, i .e ., i nn o v a t i n g he a t t r e a t me n t p r o c e s s an d s urfa c e t r e a t me nt . I n o n e s p e c i fic t o o l i ng p r o c e s s i ng,a l i f e pr o l o n g i n g me t h o d c a n b e s e l e c t e d a c c o r d i n g t o t h e e qu i pme n t c o n di t i o n s, t y pe s o f r a w di e ma t e r i a l s,wo r k i ng e n v i r o nme n t ,a nd a c c ur a c y r e qu i r e me n t s . Ke y wo r dsp o wd e r me t a l l u r gy t o o l i n g s,wo r k i n g l i f e,he a t t r e a t me n t p r o c e s s ,s u r f a c e t r e a t me n t 随着机械 、 电子、 国防等工业的飞速发展 , 粉末 冶金模具成形技术在生产机械零件方面凸显出了优 质 、 高产、 低耗的的优越性。特别是在当今 电子和汽 车工业迅猛发展 的形势下 , 工业产品的发展对模具 的要求越来越高。 从 粉 末 冶 金模 具 发 展 的 总趋 势 可 以 看 出 , 无论 是模具的大型化 、 复杂化 、 还是高精度 、 高效率 , 都依 赖于模具寿命的提高。模具的使用寿命不仅影响产 品的质量 , 而且还影响生产效率 和生产成本 , 因此 , 国内外不断研制出延长粉末冶金模具使用寿命的新 技 术 。 提高模具 的使用 寿命 其实就是延缓模具 的失 效 。粉末冶金模具在使用过程中通常是由于磨损而 引起 尺寸 超差 而失 效报 废 的 。部 分 原 因是 由于模具 材料的表面硬度不够高, 心部韧性较低 , 两者的硬度 过渡衔接性较差造成 的。因此 , 目前在实际的模具 加 工 制造 行业 , 获 得 外 硬 内韧 的模 具 材 料 逐 渐成 为 延长模具使用寿命 的主要 目标 。 教育部 留学 回国人 员科研启动基金 通信作者 徐磊 1 9 7 5一 , 男 , 副教授。E - m a i l l e i . X U . p m g ma i l . c o m } 杜海珍 1 9 8 8一 , 女 , 硕士研究生 。E m a i l d h z j i a y o u j i a y o u 1 6 3 . e o m 收稿 日期 2 0 1 3 0 90 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 4 粉末冶金技术 单 就某 一 特 定类 型 钢 的粉 末冶 金 模 具钢 来 说 , 模具加工过程采取的热处理工艺和模具的表面处理 是影响模具使用寿命 的最 主要的两个 因素。因此 , 本 文针对 改进 材料 的热 处 理工 艺 、 模 具 的 表 面处 理 两个方面综述如何延长粉末冶金模具的使用寿命 。 1 模具寿命延长途径 1 . 1热处 理工 艺改进 目前大部分企业生产粉末冶金模具的使用原材 料 主 要 以 合 金 工 具 钢 C r l 2 型 C r l 2 、 C r l 2 M o V、 C r l 2 Mo等 、 T 1 0 A、 2 0 C r Mn等 传 统 材 料 为 主 , 以 D S 、 G D、 C H、 L D、 G M、 E R 5 、 6 5 N b等 高档模 具钢 为 辅 。C r l 2型钢是 目前最为普遍的制作模 具的材 料。我国普通的中小型粉末冶金模具制造企业一般 是 购置退 火状 态 的 C r l 2型钢 材 , 进 行 调 质 处理 淬 火 回火 , 随 后进 行 机 械 加 工 。但 是 因为 C r l 2型 钢是属于高碳 、 高铬的莱氏体钢 , 内部会分布大量的 硬度较高的碳化物 , 如果碳化物分布不均匀 , 可能会 导 致模具 在使 用过 程 出 现裂 纹 , 拉 毛 甚 至会 出现模 具 变形导 致 失效 的情 况 。所 以 , 在 模 具 的 热 处 理过程中, 改善碳化物分布是热处理的重要 目的 , 也 是 能够获 得 性 能优 越 的模 具 的 关 键 。 以下 主要 以 C r l 2和 C r l 2 Mo V模具钢材为例 , 论述可以显著提高 模具使用寿命的热处理工艺。 1 . 1 . 1 淬火 C r l 2钢含有 极 高量 质量 分数 的 c 2 % ~ 2 . 3 % 和 C r 1 1 % ~1 3 % 是莱氏体钢 , 淬火后的组 织是马氏体 残余奥氏体 粒状碳化物。现在模具 加工普遍使用 的淬火介 质是油 , 加热温度是 9 5 0~ 9 8 0 o C, 淬火后硬度为 6 1~ 6 4 H R C 。适 当的提高淬 火温度 , 奥氏体中的碳、 铬浓度提高 , 钢 的淬透性变 好 , 淬火后产生的马氏体的数量增多 , 材料的硬度提 高。但在模具精加工或者工作过程 中, 表面硬度过 高会引起开裂 , 一般精加工前模具表面硬度在 5 8~ 6 0 H R C为最佳。所以可采用 1 0 6 0 o C油冷和在 5 2 0 q C下保温 3小时, 二次回火 , 高淬 、 高回的工艺, 在保 证硬度的同时可消除 内应力 。另外 , 采取快速加 热淬火工艺 , 可在 C r l 2粉末冶金模 具钢表 面 1 0~ 3 0 mm快速加热至 9 8 0℃ , 这样工件芯部温度低于 淬火温度 , 经过油淬低温回火后 , 表面可以得到均匀 细致 的马 氏体组织 , 硬 度 达 6 2 6 4 H R C, 具 有 良好 的耐磨性 , 芯部基体硬度为 5 8~6 2 H R C略微低于 表面硬度 , 保证了一定的强韧性 , 降低了模具后期精 加工过程 中因淬火应力而引起的开裂几率。模具寿 命显著提高 , 压制毛坯 4~ 5万件。如果快速淬火后 对模具进行表 面镀铬处 理 , 镀 层厚度 控制在 0 . 0 2 m m左右 , 反复一至三次 电镀后 , 寿命可达到 8万件 以上 。 C r l 2 Mo V通 常普 遍用 于制 造 精 度要 求 较 高 、 形 状较 为复 杂 、 载 荷 比较 重 的模 具 。但 是 一般 的 淬火处理 1 0 0 0~1 0 2 0℃油冷 后 , 模具在使用过 程中很容易出现磨损、 脆裂等现象。因此 , 很多专家 学者在对其的热处理方面进行 探索改进。其 中, 杨 光龙 提 出了对 C r l 2 M o V冷 镦模 具 钢 的 复 合 强韧 化处理工艺, 将材料在 4 0 0~ 5 0 0℃下预热 3 0~5 0 m i n , 防止材料由于锻造加热时温度过高导致内外受 热不均, 或者是温度差过大造成的局部过烧 。改变 传统的高温淬火 低温回火工艺 , 采用高温淬火 高温 回火后进行硫 、 碳 、 氮三元共渗 采用 J I 三元 共渗 , 同时可起到 二 次 高温 回火作用 , 提高生产效 率 的方 法 , 在 模具 表 面 形成 含 s 、 C、 N化 合 物层 和 C 、 N扩 散层 , 测得 表 面硬 度 为 9 8 0~1 0 0 0 H V, 基 体 硬度 5 7~ 5 9 H R C, 得 到 的模 具 具 有外 硬 内韧 、 高耐 磨、 抗擦伤咬死 、 抗疲劳腐蚀等优点, 模具的寿命提 高 3~ 4倍。适当的降低共渗温度及淬火温度 , 工件 变形 量小 , 适用 于对 尺寸精 度要 求较 高 的工具 、 模具 及高 耐磨件 。 赵步青 在模 具材 料 及 热 处 理一 文 中提 到 , 盐 浴炉加 热时 温度 稳定 , 材料 的受热 比较 均匀 , 加 热后 模具表面的氧化脱碳不 明显 , 同时也可以完成快速 加热或者是局部加热。文 中还提及 , 南 京科润工业 介质有限公司等单位, 研制出代替油的一类合成淬 火剂 , 试验后发现效果很好。另有公司用 水溶性淬 火 剂淬 火 H1 3模具 和 5 C r Mn M o锻模 , H1 3模 具 寿命 可以提高 1 5 %以上 , 5 C r Mn Mo锻模 的使用寿命可 以 提 高 2 0 % 以上 。 对于结构复杂, 精度要求较高的模具 , 为避免产 生应力集中和疲劳断裂 , 杨宝全等⋯ 提出了复合等 温淬火工艺 , 例如 5 C r Mn M o锻模 , 与常规 的淬火处 理相比, 经过复合等温淬火后模具的使用 寿命可 以 提高 1 倍 。同时, 采用真空热处理技术 , 可显著减少 热处理过程中杂质气氛对材料的影 响, 有效避免材 料表面氧化脱碳 , 减少淬火变形 , 使材料硬度韧度分 布均匀。模具材料在经过适当的真空热处理后使用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 2期 徐 磊 等 通过热 处理和表面处理延长粉末 冶金 模具使用寿命 1 3 5 寿命能提高 3 0 %以上。 1 . 1 . 2 回火 模具钢回火温度最好根据淬火后残余奥氏体的 量来决定 , 用来调整控制模具的尺寸精度 , 如果测量 淬 火 后模 具 尺寸增 大 , 可 采 用 3 4 0~ 4 3 0 2 的加 压 回 火 ; 如果 尺寸 减小 , 可 采用 4 2 0~ 5 2 0℃ 回火 , 以增 大 尺寸 。热处理后需要渗氮处理 的模具 , 淬火后 回 火温度选为 5 7 0~5 8 0℃ , 保证在渗氮处理时模具的 变 形 量较小 。 在模 具 热 处 理 之前 , 增加 一 道 去 应 力 回火 的工 序 , 一般采用 3 5 0~ 4 0 0℃ , 6~1 2 h出炉空冷 , 或者 6 5 0 7 0 0℃ , 2~ 4 h , 炉冷 到 5 0 0℃ 出炉 的热 处理 工 艺 , 可 以减小模具在热处理时的变形量 , 保证模具 的 尺寸精度。张江娟 等 主要 以 C r l 2型钢材 为例 , 对 模具 材料 的热处 理工 艺进 行 了实验 性 的探 讨 与改 善 。在最终 的热处理前 , 加一道高温 回火的工序 , 不 但 可 以有效 地 消 除偏 析 碳 化 物 网带 , 还 可 以消 除 粗 加工后残余 的应力, 从而改善组织 , 降低材料硬度 , 以利于后期 的精加工 , 提高 了模具 的制造精度和精 确性 , 减少 由于淬火开裂 和畸变导致 的模具失效等 情 况 的发生 。 另 外 , 模 具 钢淬 火之 后可 以进 行深 冷 处理 , 在 氮 温度 一1 9 6℃ 介质中进行 深冷处理 , 马氏体析出 大量细小分散的碳化物 , 有效提高材料 的韧性 , 延长 模具使用寿命 , 模具的变形量小 , 尺寸稳定性高。例 如 , M1 6螺 帽 冲模 经 过 一1 9 6℃ 深 冷 处 理 和 4 0 0℃ 回火后 , 冲击韧性提高 , 寿命比常规热处理模具提高 9~1 0倍 引。 1 . 2模具 表 面处 理 粉末冶金模具使用 的环境具有特殊性 , 需要具 有较大的承受载荷 的能力 , 较高的精确度 , 模具的表 面硬度要求较高 , 且心部的韧性要好 。模具表 面强 化处理可提高模具表面硬度 、 改善表面组织性能 , 是 提高模具性能和延长使用寿命的重要途径。本文重 点介绍 物 理 气 相 沉 积 P V D法、 化 学 气 相 沉 积 C V D 法在模具表面强化处理方面的应用 。 1 . 2 .1 PVD P V D 已然是一种重要 的提高模具寿命 的措 施 , 是用物理的方法把氮化物、 碳化物、 高熔点金属 、 T i N化合物等气化成原子 、 分子或者离子直 接沉积 在模具基体表面 , 在表面形成一层 高熔点 、 高硬度 、 高耐磨 、 抗腐蚀抗氧化能力很 强的膜层 。可 以广泛 应用于各类磨损 、 咬合 、 腐蚀 、 粘着 、 融合等而引起失 效 的工具 、 模具。其 中 , 因磨损 引起 的失效 的产 品 如 冲裁 、 冷镦 、 粉末成型等 涂层后可提高寿命 2 ~ 1 0倍 以上 。P V D技 术 进 行模 具 表 面处 理 时基 体 的受 热温 度较 低 , 模 具 的变 形较 小 , 可 以在各种 模 具材料上沉积致 密、 光滑、 高精度 的 T i N、 T i C镀层。 工业上应用已经证 明, 粉末冶金模具通过 P V D或者 C V D处理 的如 T i N或者 T i C N沉淀 陶瓷, 有延长模 具寿命的作用 , 寿命增加约 1 0倍 。 例如, C r 1 2 Mo V钢制油 开关精制 冲模 , 经 P V D 法沉 积后 , 表 面 硬度 达 到 了 2 5 0 0~3 0 0 0 H V, 摩擦 因数减小很多, 抗黏着 、 抗咬合性提高 , 使用 1 0万次 不需要刃磨 , 且尺寸无变化, 仍可使用。由华 中科技 大学 模具 技术 国家重点 实 验室 和东 风汽 车公 司联合 研究 , 采 用 P V D改 性 技 术 在 六 角螺 母 冲 孔 冲模 W6 Mo 5 C r 4 V 2钢 进行 T i N涂层试验, 实验中将未 经涂层的模具与经过涂层的模具作对比, 结果表明 经过涂层后 的模具 寿命 提 高约 4倍 , 效果 非常显 著 。另外 , 运用 P V D改性技术 在模 具表面生成 T i C N涂 层 、 T i / T i N 涂层 和 T i N 涂 层 ] , 实 验 结果测得模具 的使用寿命提高 4~ 5倍 , 同时还可以 解决模具和产 品的拉伤 问题。而且模具磨损后 的宏 观形貌并没有出现涂层剥落的明显迹象。 这说 明 , 模 具 钢 表 面沉 积 的涂 层提 高 了模 具 的 表 面 硬度 和强 度 , 如 果 预 先 进行 低 温 等 离 子 渗 氮处 理 , 则涂层与模具基体的结合力更强 , 模具 的宏观性 能 更 加优 越 。刘 大 勇 等 提 出 , 加 入 稀 土 元 素 C e 后 , 模具表面可形成 T i A 1 , V N涂层 , 显著提高 了 涂层与基体的结合强度 、 模具的耐磨性, 进一步延长 模具的使用寿命。宋人娟 利用 P V D技术在模具 表面形成的 T i N涂层甚至可 以提高模具的使用寿命 达 1 0倍 以上 。 1 . 2. 2 CVD C V D 法 是 用化 学 方 法使 反 应 气 体 在基 体 表 面 发生 化 学 反 应 形 成 覆 层 的方 法 。C V D法 涂 层 的 反应温度高, 在基体与涂层之间容易形成扩散层 , 结 合力好 , 并且容易实现设备的大型化 , 生产扩大化 , 实现模具大量 的生产。例如 , 利用 中温 C V D法、 等 离子体激发化学气相沉积 P C V D 在 C r l 2 Mo V钢和 9 S i C r 钢模具上用 C V D的沉积得到的 T i N化合物都 是比较细密均匀的 , 镀层厚度大于 3 m, 经生产试 验验证 , 模具 的寿命可以提高 1 0倍左右 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 6 粉末冶金技术 2 0 1 4年 4月 C V D法沉 积 T i N 的优 点 有很 多 T i N涂 层 的硬 度 达 1 5 0 0 H V 以上 , 与 钢 的摩擦 因数 只 有 0 . 1 4约 为钢与钢之间摩擦 因数 的 1 / 5 , 具有很高的抗黏着 性能、 抗氧化性 、 高熔点和抗腐蚀性好 , 并且与基体 的粘接性好 , 结合强度高。因此 , 利用 C V D法获得 超硬耐磨镀层是提高模具使用寿命的有效途径。 P V D法和 C V D法相 比, 形成的涂层的成分相差 不大 , C V D法处理温度很 高, 模具基体承受相 当高 的沉积温度 , 容易产生变形和基体组织变化, 导致其 力学性能降低 , 所 以需要在 C V D沉积后进 行热处 理 , 这样会 增 大生产 成 本 , 因此 , C V D在 应 用 上受 到 很 大 的限制 。 另外 , 还 有很 多有效 的表 面处理方 法 , 如激 光熔 覆 L a s e r c l a d d i n g 、 等离子体扩渗 P D T 、 T o y o t a D i f f u s i o n C o a t i n g P r o c e s s T D “ 。这 些 方 法 效果 明显 , 但 是 由于设 备 昂 贵 、 工 艺 复杂 , 目前 还 不能普及使用 。 2 结 语 本文主要从两方面总结了延长粉末冶金模具寿 命的方法 改进热处理工艺、 表面强化处理。 1 针对 C r l 2型模具钢材料 的一系列复合强韧 化热处理工艺 , 如将材料在淬火后增加深冷处理等 在提高模具使用寿命方面有 明显的作用 , 具有模具 变形小 , 消除应力的优点 。并且这种方案在实际的 工厂加工 中容易进行 , 设备要求较低 , 模具的性能和 精确性较好 。 2 P V D法和 C V D法在传统表面改性技术的基 础上, 进一步提高了硬化层与基体的结合力 , 改善模 具的表面状态 , 延长模具 的使用寿命 。对 于精度要 求较高, 表面硬度要求一般的模具采用 P V D技术进 行 表 面处理 , 而 如果对 于精度 要求 一般 , 表面 硬度 要 求较高的模具一般采用 C V D法处理。 参考文献 [ 1 ]赵步青. 模具材料及热处理 . 金属加工 , 2 0 1 1 3 1 01 2 [ 2 ]J i n Y,Wa n g C H,G e n g L F .P r o c e s s P e rf o r m a n c e Me a s u r e s o f Mo u l d S t e e l Cr l 2 . 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J o u r n a l o f ma t e r i a l s p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , 2 0 0 2 ,1 2 4 1 1 0 51 1 2 [ 2 9 ]B o u r i t h i s L, Mi l o n a s A, P a p a d l mit r i o u G D .P l a s m a t r a n s f e r r e d a r c s u rf a c e a l l o y i n g o f a c o n s t r u c t i o n s t e e l t o p r o d u c e a me t a l ma t r i x c o mp o s i t e t o o l s t e e l wi t h Ti C a s r e i n f o r c i n g p a r t i c l e s .Su rfa c e a n d C o a t i n g s T e c h n o l o g y , 2 0 0 3, 1 6 5 3 2 8 62 9 5 [ 3 0 ]Y u a n Z , Wa n g Z , Z h a n g W, e t a 1 . P r e p a r a t i o n a n d p r o p e rt y o f c h r o mi u m c a r b i d e t h e r ma l dif f u s i o n c o a t i n g o n c o l d wo r ki n g d i e ma t e r i a l s .J o u r n a l o f W u h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y 一 Ma t e r i a l s S c i e n c e E d i t i o n , 2 0 1 0, 2 5 4 5 9 6 5 9 9 [ 3 1 ]李爱农 ,王秋领 ,王华 昌 .C r l 2钢 T D盐浴渗钒组织与性能研 究. 热加工 , 2 0 1 0, 3 9 6 1 1 61 1 8 I n o v a r c o m m u n i c a t i o n s出版公司及其 粉末注射成形 国际杂志 P I M,I n t e r n a t i o n a l 简介 在近两年 的国内有关粉末 冶金的会展 中, 尤其是 A P MA 2 0 1 3厦门会议召开 时, 好几百本的 P I M,I n t e r n a t i o n a l 与 P MR, 提前被会议代表 及参 观者索取一空 。 P I M, I n t e r n a t i o n a l 杂志 ,是英 国 I n o v a r C o mm u n i c a t i o n s出版公 司 的处 女 刊。提到 I n o v a r C o m m u n i c a t i o n s就得从 其 创 立 讲 起 。 众所周知享有盛誉 的 M P R Me t a l P o w d e r R e p o r t 金属粉末报告 为英 国威廉 斯先生Mr .B e r n a r d Wi l l i a m s 于上世纪 6 O年代所创 , 成为 当时半个世纪粉末 冶金业 界 的极 为重 要 的信 息源 。1 9 9 1 2 0 0 1年 , 威廉 斯先生 出任刚 成 立的欧洲粉末冶金协会全 职秘 书长 , 便把 MP R及 以后 的 R M H M 难熔 金属 与硬质 材料 国际杂志转卖 给英 国 E l s e v i e r 公 司经营 , 并将一 直出版的 I P MD 世 界粉末冶金 指南 年鉴 书 两年一 版 挂靠在 E l s e v i e r 公 司发 行。 2 0 0 2年 , Mr .N i c k Wi l l i a m s子承父业创办 了 I n o v a r C o m mu n i c a t i o n s L t d出版公 司, 仍然 编辑 出版迄今达 3 7年 之久 的 I P M D, 并帮助 E l s e v i e r 在 中国上海成 功举 办了 P MA s i a 2 0 0 5 ,P MA s i a 2 0 0 7两次亚洲国际粉末冶金会议及展览会 。随 着 E l s e v i e r 公 司对 MP R的经营不善 迄今 已停 刊 , I n o v a r 公 司 又于 2 0 1 2年秋创 刊 了 P MR 粉末冶 金评 论 , 她与 P I M形 成了“ 姊妹 刊” , 一 问世 , 就收到业界广泛关 注 。此刊笔 者 已于 2 0
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