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模具是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝置，模具工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)。模具在國(guó)際上被喻為金屬加工的“帝王”，模具工業(yè)是衡量一個(gè)國(guó)家綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的標(biāo)志和晴雨表。世界各國(guó)都十分重視模具工業(yè)的發(fā)展。我國(guó)的模具工業(yè)發(fā)展迅速，從1996年至今，產(chǎn)值以每年10%~20%的速度快速增長(zhǎng)。但由于人才匱乏，技術(shù)落后，造成模具制造周期長(zhǎng)，質(zhì)量差，成本高，模具壽命不盡人意。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)分析，在模具失效諸多因素中，材料和熱處理因素占50%，可見模具的選材及熱處理是何等重要。

 

一、國(guó)內(nèi)外模具壽命對(duì)比

 

據(jù)《中國(guó)模具信息》2001年第11期報(bào)道，國(guó)內(nèi)外模具壽命對(duì)比見表1。時(shí)間過(guò)去近20年，我國(guó)模具整體水平比國(guó)外低的格局并未改變，我國(guó)的模具技術(shù)發(fā)展很快，有的已達(dá)國(guó)際水平，少數(shù)領(lǐng)先，但就總體而言，在大型、精密、復(fù)雜的長(zhǎng)壽命模具方面和國(guó)外相比，仍有較大的差距。

 

表1  國(guó)內(nèi)外模具壽命對(duì)比

模具類型	模壓零件、材料、尺寸	模具材質(zhì)	模具總壽命（沖次、件）
			國(guó)際先進(jìn)水平	國(guó)內(nèi)水平
沖裁模	黃銅、低碳鋼板；平板沖裁件；料厚≤1mm、尺寸40mm×40mm、φ45mm	凹凸模用碳素工具鋼T8、T10	400萬(wàn)~700萬(wàn)	<100萬(wàn)
		用合金工具鋼G12、G12MoV	800萬(wàn)~1000萬(wàn)	300萬(wàn)~500萬(wàn)
		用硬質(zhì)合金YG15、YG20	6億~30億	<5000萬(wàn)
	電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、定子片硅鋼板，料厚≤0.5mm，尺寸＜200mm	硬質(zhì)合金（多工位連續(xù)沖裁模）	美國(guó)Linina公司：3億	3800萬(wàn)~5000萬(wàn)
			日本黑田精工：2.7億
			瑞士Statomat：8000萬(wàn)
			英國(guó)Stellrem公司：1億
精沖模	wC≤0.2%的軟鋼；料厚＜3mm或3 ~6mm的拉桿、凸輪、墊板類精沖件	合金工具鋼：Cr12MoV	50萬(wàn)~100萬(wàn)	<15萬(wàn)
		合金工具鋼：Cr12MoV	30萬(wàn)~60萬(wàn)	10萬(wàn)~12萬(wàn)
		高速工具鋼：W6Mo5G4V2
壓鑄模	鋁合金件	Cr-Ni鋼、3Cr2W8	＞45萬(wàn)	<20萬(wàn)
鍛模	鋼、曲軸	Cr-Ni鋼、5CrNiMo	1.4萬(wàn)~2萬(wàn)	0.5萬(wàn)~0.7萬(wàn)
注塑模	ABS，中型件	合金工具鋼	＞50萬(wàn)	20萬(wàn)~30萬(wàn)
	聚乙烯，中型件	合金工具鋼	＞200萬(wàn)	50萬(wàn)

 

二、提高模具壽命的技術(shù)措施

 

3.1 采用純凈高性能的模具鋼

材料是基礎(chǔ)，基礎(chǔ)不牢地動(dòng)山搖，GB/T 1299—2014《工模具鋼》中列出了冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼的具體成分，并對(duì)雜質(zhì)、含量提出了嚴(yán)格要求，但市售的模具鋼買賣雙方質(zhì)量糾紛不斷。我們應(yīng)從正規(guī)渠道采購(gòu)，不能貪便宜，應(yīng)優(yōu)先選用粉末鋼、噴射鋼和純凈度高的優(yōu)質(zhì)鋼。

 

另外，選用3Cr2W8V鋼制造熱作模具時(shí)，應(yīng)關(guān)注其含碳量，國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)均為wC=0.25%~0.35%，而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為wC=0.30%~0.40%，此鋼一直沿用前蘇聯(lián)3X2B8Ø鋼標(biāo)準(zhǔn)，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)TOCT 5950—2000早已改成wC=0.27%~0.33%，而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)一直未作修改。實(shí)踐證明，3Cr2W8V鋼含碳量高則有害無(wú)益，好多早期失效皆由它引起。趙步青早于1994年7月在“哈爾濱舉行的第七屆全國(guó)工具熱處理年會(huì)”上提出修訂3Cr2W8V鋼含碳量的建議。

 

3.2 進(jìn)行強(qiáng)韌化處理

中碳中合金熱作模具鋼在鍛后緩慢冷卻或模坯截面較大時(shí)（φ＞100mm），其組織中易出現(xiàn)鏈狀碳化物，導(dǎo)致模具早期脆斷、熱裂和龜裂失效。因此，需采用組織預(yù)處理予以消除，以提高模具強(qiáng)韌性和使用壽命。

 

3CrMoW2V鋼采用1130℃正火，可使M6C碳化物溶解，在空冷速度＞15℃/min時(shí)，超過(guò)形成鏈狀碳化物的臨界冷速，可消除鏈狀碳化物，并在隨后的球化退火后獲得顆粒勻細(xì)分布的碳化物。

 

3.3 采用節(jié)能降耗的預(yù)處理熱處理新工藝

1）采用鍛后余熱退火的形變熱處理。

 

2）采用快速勻細(xì)球化退火新工藝。

 

3）熱作模具鋼由常規(guī)高溫回火改為中溫回火處理。

 

4）增加調(diào)質(zhì)處理。

 

3.4 采用真空淬火或保護(hù)氣氛熱處理

自20世紀(jì)80年代末Cr12MoV鋼模具真空淬火成功后，模具真空淬火應(yīng)用日益普及，特別是高壓氣淬。

 

3.5 深冷處理

淬火后的模具在-110℃以下作深冷處理時(shí)，析出微細(xì)碳化物殘留物，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，可提高耐磨性、抗回火穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性。M12螺母冷鐓模經(jīng)深冷處理后使用壽命提高兩倍，鋁合金熱擠壓模使用壽命提高1倍。

 

3.6 降溫淬火

選用高速鋼制模，其淬火溫度不同于刀具，普遍采用較低的淬火加熱溫度，即降溫淬火，如W18BCrV鋼淬火溫度為1180~1200℃，M2、W9鋼淬火溫度為1160~1180℃。采用低溫淬火，可獲得良好的強(qiáng)韌性，減少變形、開裂、崩刀傾向，提高模具性能、質(zhì)量和壽命。

 

3.7 高溫淬火

用5CrNiMo、5CrMnMo、3CrW8V等鋼制造的熱作模具，宜采用較高的溫度淬火，以獲得較多的板條馬氏體，提高斷裂韌度和熱疲勞抗力，提高其性能和壽命。

 

3.8 復(fù)合強(qiáng)韌化

M2鋼制模具，1180~1190℃加熱，在稍低于Ms點(diǎn)以下等溫1~1.5h，560℃×2h×2次硝鹽回火，可獲得B下+M的復(fù)相組織，與淬油相比，抗彎強(qiáng)度提高56%，在擠壓08鋼制工件時(shí)，壽命大幅提高，以磨損失效。再如，H13鋼制模具，由常規(guī)淬火＋回火改用1030℃加熱淬火，250℃×10min等溫分級(jí)，使aK值提高33.4%，壽命比3CrW8V鋼提高1.6~6倍。

 

3.9 在第一類回火脆性區(qū)回火

世間一切事物都是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的。T10A鋼和GCr15鋼的第一類回火脆性區(qū)在230~270℃，一般用180~200℃回火。國(guó)內(nèi)有人偏選在該鋼的第一類回火脆性區(qū)回火，可獲得高的疲勞抗力。對(duì)于應(yīng)力集中不嚴(yán)重、承受拉伸-壓縮-彎曲應(yīng)力的冷作模具，因其壽命主要取決于疲勞裂紋的萌生，所以應(yīng)盡可能提高強(qiáng)度，用此工藝可收到奇效。

 

3.10 表面強(qiáng)化

縱觀各種模具失效，大多從表面開始，因此應(yīng)做好“表面文章”。其中包括碳氮共滲、氮碳共滲、滲氮后氧化、蒸汽處理、TD處理、表面涂層、滲硼、滲金屬、硫化、硼硫復(fù)合滲，以及表面感應(yīng)加熱、激光淬火等。不是所有模具都可以進(jìn)行各種強(qiáng)化，應(yīng)有所針對(duì)性。

 

目前，世界上模具表面強(qiáng)化方法如圖1所示。

圖1  國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)表面處理工藝

 

3.11 提高熱作模具的抗熱疲勞性能

熱開裂和熱疲勞決定了材料的高溫強(qiáng)度和模具表面狀態(tài)，劃痕和電火花加工變形層會(huì)促使裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)大，為此人們采取了一系列的措施。

 

1）Y10鋼制模，應(yīng)適當(dāng)提高淬火溫度、回火溫度，以增強(qiáng)熱疲勞抗力。

 

2）避免脫碳，因?yàn)槊撎紩?huì)使熱疲勞裂紋擴(kuò)大，降低熱疲勞強(qiáng)度。

 

3）滲氮，特別是有化合物層時(shí)，滲氮能防止熱疲勞裂紋的產(chǎn)生。

 

4）表面粗糙度差和磨紋會(huì)降低熱疲勞抗力。

 

5）提高高溫強(qiáng)度和塑性有利于提高熱疲勞強(qiáng)度。

 

6）電火花加工出現(xiàn)大的變形層有損于熱疲勞強(qiáng)度。

 

7）熱作模具高溫回火比低溫回火有低的熱沖擊裂紋敏感性。

 

8）熱作模具涂層可提高熱疲勞性能及耐磨性。

 

3.12 模具熱處理變形的矯正法

熱處理變形實(shí)屬正常，關(guān)鍵是掌握變形規(guī)律并設(shè)法矯正。變形矯正的方法簡(jiǎn)介如下：

 

1）利用馬氏體相變超塑性的原理適時(shí)矯正，4m機(jī)械刀片、1.5m長(zhǎng)拉刀淬火后冷至適當(dāng)溫度，輕輕施壓就可矯正好，模具校直亦然。

 

2）加壓回火：系指施加壓力以矯正淬火畸變的回火，如大薄刀片。

 

3）冷處理矯正：殘留奧氏體多的不銹鋼淬火件，-70℃×1~2h深冷處理時(shí)尺寸脹大，制作Cr12鋼模具最合適。

 

4）熱點(diǎn)矯正：在彎曲件的最凸處，用氧乙炔火焰或高頻感應(yīng)加熱裝置，快速加熱到700℃左右，迅速冷卻收縮，予以矯正。

 

5）高頻縮孔矯正：脹大的工件，放在感應(yīng)圈內(nèi)加熱至700℃左右，迅速冷卻可起到縮孔作用?？s孔多次時(shí)應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力處理。

 

6）電鍍?cè)龊癯C正法。

 

7）化學(xué)腐蝕矯正：腐蝕劑有40%HNO3+60%H2O或20%HNO3+20%H2SO4。不需腐蝕處用瀝青或石蠟保護(hù)。

 

8）急冷縮孔矯正：對(duì)于孔脹大的工件，可退火加熱到700℃后迅速冷卻1~2次進(jìn)行矯正。

 

三、 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，以上展現(xiàn)的提高模具壽命的12項(xiàng)技術(shù)措施經(jīng)濟(jì)實(shí)用。只要我們認(rèn)真研究模具失效的原因，制訂整改方案，有針對(duì)性地采取相應(yīng)技術(shù)措施，就一定能造出高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命的模具。