模具材料及热处理技术对模具寿命影响的研究

刘赛堂

摘 要：在国民经济中，模具是发展制造业的基础和重要保障。如果模具热处理不当，或者选择制造模具的材料不合理，都会影响模具的质量，影响模具的使用寿命。对此，文章从模具材料、热处理技术的角度分析其对模具寿命的影响，同时提出相应的建议，为制作模具提供参考。

关键词：热处理技术 模具 模具处理

中图分类号：TG162.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）02（c）-0107-02

近年来，随着金融行业的发展，制造业的发展受到不同程度的制约。然而在工业化进程中，模具制造业作为国民经济发展的基础，受到政府、企业的高度关注。在工业生产中，如何提高模具的精度，缩短模具设计周期，延长模具使用寿命，这是一个急需解决的问题。从实际情况来看，模具使用寿命的长短直接影响生产效率、产品质量等，通常情况下，模具材料、热处理技术、设计结构、成形工艺等因素都会对模具使用寿命产生不同程度的影响，其中模具材料、热处理技术是影响模具使用寿命的关键。

1 模具材料对模具寿命的影响

对于模具材料来说，影响模具寿命主要表现在3个方面。

（1）4Cr5SMoSiV1钢制热挤压冲頭。

该冲头在工作过程中，容易在模具表面发生氧化，以及热疲劳开裂现象，并且容易受冲刷磨损的影响。如果采用3Cr2W10V钢制作模具，同时利用2 000 kN水压机对D60钢材料进行处理，使用寿命一般为400～500次，反之如果采用H10改型钢制造模具，其使用寿命可以大幅度延长，一般可以延长到2 000次。

（2）5NiSCa钢制精密密封橡胶模。

这种模具在尺寸方面要求比较高，具有良好的工艺性能、抛光性能，其特点主要表现为热处理变形小、硬度高、耐磨性好等。该模具的制造原材料一般选择45#钢，在调质和镀铬状态下使用该模具，通常会出现硬度低、易磨损、凹坑、麻点等问题，并且橡胶制品的外观质量比较差。如果采用5NiSCa制造，往往可以获得良好的加工工艺和使用寿命，例如，利用密封条压模（材料为45#钢），模具寿命一般为2 500～3 000次，如果采用5NiSCa钢制作，其寿命高达9 000～10 000次。

在模具制造工艺方面，5NiSCa一般按照改锻—退火—调质—抛光的工艺流程制造模具。

（3）利用GD钢制作中、厚板冲裁模。

在制作（厚度为3～6 mm）厚（厚度超过6 mm）板冲裁模具的过程中，一般选择Cr-12型钢，由于碳化物存在严重的偏析现象，并且强韧性差，模具容易发生崩裂等现象，进而在一定程度上影响模具的使用寿命。如果选用GD钢制作模具，可以大幅度延长模具使用寿命，并且模具制作成本低，热处理工艺简单。通常情况下，采用Cr12MoV钢制作垫片落料模，模具使用寿命一般在2 000～3 000次，而利用GD钢制作模具，模具使用寿命长达10 000次，并且不容易发生断裂失效现象。

在制作模具工艺方面，利用GD钢制作模具，一般按照改锻—球化退火—机加工—淬火、回火—磨削加工—消除应力低温回火的工艺流程制作模具。

2 热处理技术对模具寿命的影响

对于热处理技术来说，主要从3个方面影响模具使用寿命，分别介绍如下。

（1）拉深模离子渗氮。

选用Cr12MoV钢制作拉深模，材料选择厚度为1mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板。在制作模具的过程中，容易损害拉深件外侧壁和凹模表面，对模具表面质量和凹模寿命产生严重影响。利用离子渗氮对凹模表面进行处理，无论是模具的表面性能，还是模具的使用寿命都明显提升。

在模具制作工艺方面，一般按照锻造—球化退火—机加工—淬火、回火—精加工—离子渗氮—装配的流程，利用Cr12MoV钢加工凹模。

（2）热挤压凹模复合强化。

在服役条件方面，对于热挤压凹模来说，一般要求比较高，这是因为热挤压凹模要承受高温、高压、交变循环负荷，以及剧烈摩擦等。基于此，在选择制作材料时，一般侧重高温耐磨、高温强度、高温硬度，以及抗热蠕变等，在这种情况下，新型HMI热作模具钢成为首选，这种材料的特点是复合强化热处理工艺效果好。另外，这种材料合金含量低，同时具有良好的高温强度、抗冷热疲劳性、抗回火性等性能。由于钢中的链状碳化物无法用常规的热处理工艺消除，进而导致模具在服役过程中，容易发生疲劳脆断、型腔擦伤塌陷等现象。但是，采用新工艺，能够消除HMI钢中的链状碳化物，模具使用寿命一般可以延长4～5倍，使得HMI钢的潜力被充分挖掘。

对于链状碳化物来说，由于稳定性比较强，常规的处理工艺，例如球化退火、正火、淬火等都无法破坏链状碳化物的稳定性，但是采用热固溶淬火工艺可以有效解决这一问题。

对于HMI钢挤压凹模复合强化处理工艺来说，通过渗硼强硬化处理，在一定程度上可以有效提高热挤压凹模型面的硬度、耐磨性能、抗腐蚀性能等，进一步延长热挤压凹模的使用寿命。

（3）压铸模NQN复合强化。

在压力铸造中，铝压铸模是主要的热作模具，应用范围比较广。在压铸模材料中，3Cr2W8较为常用。受各种因素的影响和制约，传统的铝压铸模热处理强化工艺在铸模效果方面不太理想，采用NQN复合强化方法改进传统的压铸模热处理工艺，可以使铝压铸模的使用寿命明显延长。

对于传统的铝压铸模热处理工艺来说，普遍存在以下问题：

第一，热处理生产周期长，处理工艺复杂。

第二，在消除应力阶段温度比较高，在空气中进行加热处理，容易发生氧化脱碳现象。

第三，淬火温度高，淬火冷却容易发生裂痕。

第四，有效硬化层比较薄。

第五，模具表面容易粘铝，增加了脱模难度。

相对来说，NQN复合强化工艺的特点主要表现为以下几点。

首先，将氮碳共渗与去应力处理工艺进行结合，由于加热温度相近，增强了对模具去应力效果。并且，可以控制炉内气氛，模具表面氧化脱碳现象可以避免，同时可以在模具表面形成氮碳化合物层，以及扩散层。

其次，按照传统的铸模热处理强化工艺，模具经过氮碳共渗处理后，一般不采取任何热处理。对于铝压铸模来说，经过氮碳共渗处理后，需要进行淬火操作，通过淬火在一定程度上可以保证模具的整体性能，并且淬火加热可以将氮向内部扩散，在冷却过程中，可以形成含氮马氏体，进而增加有效硬化。

最后，淬火后，结束第一次回火，在进行第二次回火时，再进行氮碳共渗处理，这种方式可以对模具进行双重保护，一方面強化模具表面，另一方面通过对模具进行二次回火，将钢中残余奥氏体进一步转变为二次马氏体，同时对模具进行二次硬化，在一定程度上增加了压铸模的强度，防止模具发生变形，确保模具的机械性能，同时延长模具的使用寿命。从实际情况来看，采用NQN复合强化技术对模具进行处理，压铸模的使用寿命普遍提升3～4倍，并且大大提高了模具的表面质量，使得模具更加美观。

3 结论

从实际情况来看，在使用模具的过程中，影响模具使用寿命的因素比较多，而且比较复杂，为了提高模具的质量，需要延长模具的使用寿命。随着经济的发展，科学技术的进步，可以从以下方面着手，采取措施延长模具使用寿命。

（1）研究制作模具的新材料，对原有制作模具的材料进行二次开发。

（2）改进热处理工艺，采用新设备，对新的强化处理方法进行探索。

（3）按照产、学、研、金的模式，尽快将新材料的研究成果商业化。

（4）采用新技术（CAD、CAM等），将模具设计、模具制造标准化、专业化，最大限度提升模具设计质量，延长模具使用寿命。

参考文献

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