【文章內(nèi)容簡介】 直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品成本，采取哪些得力措施來延長模具的使用壽命，不少企業(yè)都有自己的獨到之處。為了更好地改善鋁擠壓模具的質(zhì)量和提高其使用壽命，本文從模具的材質(zhì)選擇、模具的優(yōu)化設計、熱處理工藝的選擇與模具的科學使用四個方面作了剖析，并有針對性地提出切實可行的對策。　　影響因素分析　　2．1 模具材料性能的影響　　擠壓模具是在高溫高壓下作業(yè)，并承受周期載荷的作用，因此對模具鋼的性能要求相當高，一般制造模具的材料應具有熱穩(wěn)定性、熱疲勞性、熱耐磨性和足夠的韌性。前些年國內(nèi)常采用3Cr2W8V鋼制造模具，但它的韌性低，抗疲勞強度不好，即使采用高溫淬火等工藝處理措施亦不能滿足要求，模具的早期失效十分嚴重，近年來已被優(yōu)質(zhì)模具鋼4Cr5MoSiV1（H13鋼，其化學成分見表1）所取代，與3Cr2W8V鋼相比，4Cr5MoSiV1鋼具有兩個突出特點：一是有良好的高溫綜合性能和較高的熱疲勞抗力；．二是組織中含有較多的Cr、Mo元素，氮化處理時能生成豐富穩(wěn)定的氮化物并彌散分布。所以，就延長模具的使用壽命而言，選用H13鋼加工模具還是比較合適的。統(tǒng)計數(shù)字表明：用H13鋼和3Cr2W8V鋼制造同種模具，前者的使用壽命是后者的3～5倍?！　　　”? 4Cr5MoSiV1的化學成分　　2．2 模具設計方案的影響　　模具設計的合理得當，是延長其使用壽命的重要環(huán)節(jié)。擠壓鋁型材一般存在斷面不對稱和壁厚不相等現(xiàn)象，在設計模具時應給予重視，既要考慮?？孜恢玫呐帕校忠Y(jié)合具體情況，通過改變?？坠ぷ鲙У母叨葋砀纳平饘俚牧鲃有?。下面就模具設計存在的一般問題略作分析：　　（1）對于壁厚不相等的型材，采用不等長工作帶的方法設計。見圖1的丁字型材，通常依據(jù)經(jīng)驗公式h1/h2＝b1/b2來確定工作帶的高度?！　∈街?hh2－－－－表示截面處的相應工作帶高度；　　bb2－－－－表示截面處的相應型材厚度?！　∫驗檫@樣設計更能保證金屬流動的均勻性?！　　　D1 壁厚不相等的丁字型材　?。?）適當調(diào)整過渡圓角的半徑和工作帶長度，以避免應力集中現(xiàn)象。見圖1，A處過渡圓角流動阻力較大，金屬不易充滿，此處工作帶的設計應稍小于正常值，而B處過渡圓角的流動阻力就較小，金屬易充滿，對應的工作帶長度應略大于正常值?！　。?）模孔尺寸的確定應綜合考慮型材性質(zhì)和模具材料的收縮率，對于6063鋁合金與常用模具鋼4Cr5MoSiV1，設計時模孔的收縮率應取1．01%－1．09%（可根據(jù)?？壮叽绲拇笮∵m當選取）?！　。?）根據(jù)延伸系數(shù)確定模孔數(shù)目。?？讛?shù)目直接影響到延伸系數(shù)的大小，擠壓比過大會使擠壓力超過正常值而損壞模具，過小則會使擠壓制品的機械性能下降，一般擠壓系數(shù)（延伸系數(shù)）宜在10－50之間?！　。?）合理布置?？孜恢?。在設計時不宜將模孔布置得過于靠近邊緣，否則將會降低模具強度，導致死區(qū)金屬參與流動而影響制品表面質(zhì)量。擠壓三角型材時，圖2的模孔布置就比較適宜。　　　　圖2 角型材?？撞贾脠D　　2．3 熱處理工藝的影響　　要延長模具的使用壽命，熱處理工藝的恰當與否甚為重要，影響熱處理質(zhì)量的主要因素有加熱速度、淬火溫度、淬火速度和回火溫度等。經(jīng)過分析與實踐，下列熱處理工藝適合一般企業(yè)，能滿足4Cr5MoSiV1鋼在高溫下的機械性能要求（見圖3）。　　　　圖3 4Cr5MoSiV1鋼的熱處理工藝示意圖　?。?）預熱：溫度為600－630℃，保溫時間為1．5－2．Oh（視模具大小而定），然后升溫到830～850℃，保溫1．5－2．Oh。此工藝過程為淬火前的預處理，它能合理調(diào)整工件內(nèi)部的微觀缺陷，為淬火準備必要的條件。　?。?）淬火：在預處理的基礎上，把加熱溫度升高到1040－1080℃，保溫2－2．5h出爐油淬，待工件溫度降到130℃左右時從油中取出空冷?！　。?）回火：淬火后的模具內(nèi)部有較大的內(nèi)應力，必須在1～2h內(nèi)對工件進行回火，以消除淬火時產(chǎn)生的應力。為了避免工件開裂，回火前也應加熱均勻，具體方法為：把工件加熱到380－400℃保溫1小時左右再緩慢升溫到580－600℃進行一次回火，保溫時間為2．Oh，然后出爐空冷至常溫后進行二次回火，回火溫度為560－580℃，保溫時間為2h，隨后出爐空冷?！　♂槍ι鲜鰺崽幚砉に?，需要補充說明的是：由于4Cr5MoSiVI（H13）鋼對淬火溫度很敏感（見圖4），且在高溫下的淬火性能優(yōu)良，所以應對其實行高溫淬火?！　　　D4 淬火溫度與疲勞強度的關(guān)系　　2．4 模具使用機制的影響　　要延長模具的壽命，科學地使用模具也是不容忽視的一個方面。由于模具的工作環(huán)境極為惡劣（高溫高壓），生產(chǎn)中要采取一定的措施來確保它的組織性能。以下列出要注意的三個重要方面：　?。?）采用適宜的擠壓速度。在擠壓過程中，當擠壓速度過快時，會造成金屬流動不均勻、模具溫度較高等現(xiàn)象，如果此時金屬變形產(chǎn)生的余熱不能及時帶走，模具就可能因局部過熱而失效，當擠壓速度較適宜時，就避免了上述不良后果的發(fā)生，擠壓速度一般控制在25mm/s以下?！　。?）采用低一高一低的使用強度。模具剛進入服役期時，組織性能還處在浮動階段，此時應采用低強度的作業(yè)方案，使模具向平穩(wěn)期過渡；模具使用中期，可適當提高使用強度，因為此時模具的綜合性能處在最佳狀態(tài)；到模具的使用后期，其內(nèi)部組織已部分惡化，熱疲勞強度也較低，應適當降低模具的使用強度，以免使用中出現(xiàn)模具變形、裂紋等缺陷?！　。?）使用前期對模具進行反復氮化處理。滲氮處理能使模具在保持足夠韌性的情況下大大提高其表面硬度，以減少模具使用時的熱磨損，但表面氮化并不是一次性就能完成的，在模具服役期間，應對之進行3－4次反復滲氮處理，一般要使氮化層厚度達到0．15－0．20mm。　　結(jié)束語　　擠壓模具的使用壽命是一個綜合性的技術(shù)問題，以上介紹的四個方面只是其中的部分，要全面理解模具使用壽命的含義，在模具的加工制造中選擇最佳工藝和模具使用后的及時修正，對延長模具的壽命也至關(guān)重要。壓鑄模具中的表面處理技術(shù)壓鑄模具是模具中的一個大類。隨著我國汽車摩托車工業(yè)的迅速發(fā)展，壓鑄行業(yè)迎來了發(fā)展的新時期。同時，也對壓鑄模具的綜合力學性能、壽命等提出了更高的要求。要滿足不斷提高的使用性能需求僅僅依靠新型模具材料的應用仍然很難滿足，必須將各種表面處理技術(shù)應用到壓鑄模具的表面處理當中才能達到對壓鑄模具高效率、高精度和高壽命的要求。壓力鑄造是使熔融金屬在高壓、高速下充滿模具型腔而壓鑄成型，在工作過程中反復與熾熱金屬接觸，因此要求壓鑄模具有較高的耐熱疲勞、導熱性耐磨性、耐蝕性、沖擊韌性、紅硬性、良好的脫模性等。因此，對壓鑄模具的表面處理技術(shù)要求較高近年來，各種壓鑄模具表面處理新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但總的來說可以分為以下三個大類：(1)傳統(tǒng)熱處理工藝的改進技術(shù)；(2)表面改性技術(shù)，包括表面熱擴滲處理、表面相變強化、電火花強化技術(shù)等；(3)涂鍍技術(shù)，包括化學鍍等。 1 傳統(tǒng)熱處理工藝的改進技術(shù) 傳統(tǒng)的壓鑄模具熱處理工藝是淬火回火，以后又發(fā)展了表面處理技術(shù)。由于可作為壓鑄模具的材料多種多樣，同樣的表面處理技術(shù)和工藝應用在不同的材料上會產(chǎn)生不同的效果。史可夫最近提出針對模具基材和表面處理技術(shù)的基材預處理技術(shù)，在傳統(tǒng)工藝的基礎上對不同的模具材料提出適合的加工工藝，從而改善模具性能，提高模具壽命。熱處理技術(shù)改進的另一個發(fā)展方向，是將傳統(tǒng)的熱處理工藝與先進的表面處理工藝相結(jié)合，提高壓鑄模具的使用壽命。如將化學熱處理的方法碳氮共滲，與常規(guī)淬火、回火工藝相結(jié)合的NQN(即碳氮共滲 淬火碳氮共滲)復合強化，不但得到較高的表面硬度，而且有效硬化層深度增加、滲層硬度梯度分布合理、回火穩(wěn)定性和耐蝕性提高，從而使得壓鑄模具在獲得良好心部性能的同時，表面質(zhì)量和性能大幅提高。 2 表面改性技術(shù) 表面熱擴滲技術(shù) 這一類型中包括有滲碳、滲氮、滲硼以及碳氮共滲、硫碳氮共滲等。 滲碳和碳氮共滲 滲碳工藝應用于冷、熱作和塑料模具表面強化中，都能提高模具壽命。如3Cr2W8V鋼制的壓鑄模具，先滲碳、再經(jīng)1140～1150℃淬火，550℃回火兩次，表面硬度可達HRC56～61，使壓鑄有色金屬及其合金的模具壽命提高1. 8～。進行滲碳處理時，主要的工藝方法有固體粉末滲碳、氣體滲碳、以及真空滲碳、離子滲碳和在滲碳氣氛中加入氮元素形成的碳氮共滲等。其中，真空滲碳和離子滲碳則是近20年來發(fā)展起來的技術(shù)，該技術(shù)具有滲速快、滲層均勻、碳濃度梯度平緩以及工件變形小等特點，將會在模具表面尤其是精密模具表面處理中發(fā)揮越來越重要的作用。 滲氮及有關(guān)的低溫熱擴滲技術(shù) 這一類型中包括滲氮、離子滲氮、碳氮共滲、氧氮共滲、硫氮共滲以及硫碳氮、氧氮硫三元共滲等方法。這些方法處理工藝簡便、適應性強、擴滲溫度較 低(一般為480～600℃)、工件變形小，尤其適應精密模具的表面強化，而且氮化層硬度高、耐磨性好，有較好的抗粘模性能。3Cr2W8V鋼壓鑄模具， 經(jīng)調(diào)質(zhì)、520～540℃氮化后，使用壽命較不氮化的模具提高2～3倍。美國用H13鋼制作的壓鑄模具，不少都要進行氮化處理，且以滲氮代替一次回火，表 面硬度高達HRC65～70，而模具心部硬度較低、韌性好，從而獲得優(yōu)良的綜合力學性能。氮化工藝是壓鑄模具表面處理常用的工藝，但當?shù)瘜映霈F(xiàn)薄而脆的 白亮層時，無法抵抗交變熱應力的作用，極易產(chǎn)生微裂紋，降低熱疲勞抗力。因此，在氮化過程中，要嚴格控制工藝，避免脆性層的產(chǎn)生。最近，國外提出采用二次 和多次滲氮工藝。采用反復滲氮的辦法可以分解容易在服役過程中產(chǎn)生微裂紋的氮化物白亮層，增加滲氮層厚度，并同時使模具表面存在很厚的殘余應力層，使模具 的壽命得以明顯提高。此外還有采用鹽浴碳氮共滲和鹽浴硫氮碳共滲等方法。這些工藝在國外應用較為廣泛，在國內(nèi)較少見。如TFI+ABI工藝，是在鹽浴氮碳 共滲后再于堿性氧化性鹽浴中浸漬。工件表面發(fā)生氧化，呈黑色，其耐磨性、耐蝕性、耐熱性均得到了改善。經(jīng)此方法處理的鋁合金壓鑄模具壽命提高數(shù)百小時。再如法國開發(fā)的硫氮碳共滲后進行氮化處理的oxynit工藝，應用于有色金屬壓鑄模具則更具特點。 由于滲硼層的高硬度(FeB:HV1800～2300、Fe2B:HV1300～1500)、耐磨性和紅硬性，以及一定的耐蝕性和抗粘著性，滲硼技術(shù)在模具工業(yè)中獲得較好的應用效果。但因壓鑄模具工作條件十分苛刻，故滲硼工藝較少應用于壓鑄模具表面處理中，但近年來，出現(xiàn)了改進的滲硼方法，解決了上述問題，而得以應用于壓鑄模具的表面處理，如多元、涂劑粉末滲等。涂劑粉末滲硼的方法是將硼化合物和其他滲劑混合后涂覆在壓鑄模具表面，待液體揮發(fā)后，再按照一般粉末滲硼的方法裝箱密封，920℃加熱并保溫8h，隨之空冷。這種方法可以獲得致密、均勻的滲層，模具表面滲層硬度、耐磨性和彎曲強度都得到提高，模具使用壽命平均提高2倍以上。 近年來，在模具表面強化中采用加入稀土元素的方法得到廣泛推崇。這是因為稀土元素具有提高滲速、強化表面及凈化表面等多種功能〔13〕，它對改善模具表面組織結(jié)構(gòu)，表面物理、化學及力學性能均有極大地影響，可提高滲速、強化表面、生成稀土化合物。同時可消除分布在晶界上微量雜質(zhì)的有害作用，起著強化和穩(wěn)定模具型腔表面晶界的作用。另外，稀土元素與鋼中的有害元素發(fā)生作用，生成高熔點化合物，又可抑制這些有害元素在晶界上偏聚，從而降低深層的脆性等。在壓鑄模具表面強化處理工藝中加入稀土元素成分，能夠明顯提高各種滲入法的滲層厚度、提高表面硬度，同時使得滲層組織細小彌散、硬度梯度下降，從而使得模具的耐磨性、抗冷、熱疲勞性能等顯著提高，從而大幅度提高模具壽命。目前應用于壓鑄模具型腔表面的處理方法有:稀土碳共滲、稀土碳氮共滲、稀土硼共滲、稀土硼鋁共滲、稀土軟氮化、稀土硫氮碳共滲等。 近年來由于冷焊技術(shù)的發(fā)展，使得表面處理技術(shù)得到很大的提高，特別是ESD05上市以后，可以使用碳化物等不同材質(zhì)的焊材對表面進行處理，這種方式方便簡單，成本低，使用方便。同時效果也好，漸漸的已經(jīng)成為行業(yè)的主選。 激光表面處理是使用激光束進行加熱，使工件表面迅速熔化一定深度的薄層，同時采用真空蒸鍍、電鍍、離子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其與基體金屬充分融合，冷凝后在模具表面獲得厚度為10～1000μm具有特殊性能的合金層，冷卻速度相當于激冷淬火。如在H13鋼表面采用激光快速熔融工藝進行處理，熔區(qū)具有較高的硬度和良好的熱穩(wěn)定性，抗塑性變形能力高，對疲勞裂紋的萌生和擴展有明顯的抑制作用。最近，薩哈和達霍特若采用在H13基材上進行激光熔覆VC層的方法，研究表明，獲得的模具表面實質(zhì)是連續(xù)、致密無孔的VC鋼復合覆層，它不僅有很強的在600℃下的氧化抗力，而且有很強的抗熔融金屬還原的能力〔19〕。23電火花沉積金屬陶瓷工藝在表面改性技術(shù)的不斷發(fā)展中，出現(xiàn)了一種電火花沉積工藝。該工藝在電場作用下，在母材表面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓區(qū)，同時滲入離子態(tài)的金屬陶瓷材料，形成表面的冶金結(jié)合，而母材表面也同時發(fā)生瞬間相變，形成馬氏體和微細奧氏體組織〔20〕。這種工藝不同于焊接，也不同于噴鍍或者元素滲入，應該是介于兩者之間的一種工藝。它很好地利用了金屬陶瓷材料的高耐磨、耐高溫、耐腐蝕的特性，而且工藝簡單，成本較低廉。是壓鑄模具表面處理的一條新路。 WS焊機與激光焊機的原理是一樣的，都是通過脈沖點焊的方式進行的。相對于激光焊來說更方便更靈活，同時上面內(nèi)置氬弧焊的功能，這樣更方便靈活。 涂鍍技術(shù) 涂鍍技術(shù)作為模具強化技術(shù)的一種，主要應用在塑料模、玻璃模、橡膠模、沖壓模等工作環(huán)境相對簡單的模具表面處理。壓鑄模具需要承受冷熱應力交替的苛刻環(huán)境，所以一般不使用涂鍍技術(shù)來強化壓鑄模具表面。但近年來，有報道采用化學復合鍍的方法強化壓鑄模具表面，以提高模具表面抗粘著性、脫模性。該方法在鋁基壓鑄模具上將聚四氟乙烯微粒浸潤后進行(NiP)聚四氟乙烯復合鍍。實驗證明，此方法在工藝上和性能上均為可行，大大降低了模具表面的摩擦系數(shù)。 結(jié)語 模具壓力加工是機械制造的重要組成部分，而模具的水平、質(zhì)量和壽命則與模具表面強化技術(shù)休戚相關(guān)。隨著科學技術(shù)的進步，近年來各種模具表面處理技術(shù)出現(xiàn)較大的進展。表現(xiàn)在:①傳統(tǒng)的熱處理工藝的改進及其與其他新工藝的結(jié)合。②表面改性技術(shù)，包括滲碳、低溫熱擴滲(各種滲氮、碳氮共滲、離子氮化、三元共滲等)、鹽浴熱擴滲、