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发表于 2020-5-11 09:02:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 chexw 于 2020-5-11 09:03 编辑

模具材料及热处理工艺的选择研究

高茂涛1,韦召模2
(1.柳州职业技术学院,广西柳州545006;2.柳州奥源汽车零部件有限公司广西柳州545036)
【中国汽车材料网】摘要:模具材料以及热处理工艺的选择对模具的质量和使用寿命有着极为重要的影响作用。以某微型车汽车格栅注射模具为例,探讨了模具材料的选用标准和模具材料的热处理工艺。
关键词:模具材料;热处理工艺;工艺选择

模具是重要的加工工艺设备。其性能的好坏、寿命高低直接影响产品的质量和经济效益。而模具材料与热处理、表面处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。本文以某微型车汽车格栅注射模具为例,对模具材料及热处理工艺的选择进行研究,以期为模具制造业的发展提供可借鉴的参考经验。

本文的格栅是某微型车的前通风格栅,外形如图所示。产品尺寸为690×150×22mm,产量每月3500件。格栅为塑料件,通常使用改性聚丙烯(PP-T15)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)。

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图1 格栅实物图

1 模具材料选择

材料的选用应该考虑材料的使用性能、工艺性能和经济性的要求,综合考虑这三个方面的要求,才能保证最佳的经济效益。

1.1 模具材料的使用性能选用标准

模具材料使用性能是模具完成指定功能的必要条件,包括力学性能、物理性能和化学性能。

力学性能是根据模具是否能满足工作条件和避免失效的标准来判断的,主要体现在对模具材料强度、硬度、韧度、耐磨以及抗疲劳性能的要求。物理性能是金属材料在重力、电磁场和热力(温度)等物理因素作用下,材料所表现的性能或固有属性,主要体现在对模具材料导热性和热膨胀性的要求。化学性能是金属材料在抵抗其周围介质侵蚀的能力,主要体现在对模具材料化学腐蚀和热稳定性的要求。

表1 模具材料使用性能分类比较一览表
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1.2 模具材料的工艺性能分析

模具材料工艺性能是指在将模具材料加工成型过程中对不同加工方法的适应性,主要包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削性能和热处理性能。

格栅为塑料件,使用注射模注塑成型。注射模零件可分为成形零件和结构零件两类。成形零件是指与塑料接触构成模腔的零件,即型腔和型芯。结构零件是指除了成形零件以外的其他模具零件,主要包括模架(各模板、导柱和导套)、浇口套、抽芯机构等。

由于格栅表面复杂,所以型腔选择先铣削,然后电火花,最后研磨的成形工艺。

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图2 格栅模具的凹模(型腔)结构

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图3 格栅模具的型芯结构

1.3 格栅模具材料的选用

模具钢是制造模具的主要材料,常用的塑料模具钢可分为:1)碳素塑料模具钢,常见的牌号SM 45、SM 50、SM 55等;2)预硬化型塑料模具钢,常见的牌号3Cr2Mo、3Cr2N iMo、40Cr、42Cr-M o等;3)渗碳型塑料模具钢,常见的牌号20Cr、12CrN i3A等;4)时效硬化型塑料模具钢,常见的牌号06N i6CrMoVTiAl、1N i3M n2CuAlMo等;5)耐腐蚀性塑料模具钢,常见的牌号2Cr13、4Cr13、9Cr18Mo等。

如果使用改性聚丙烯(PP-T15)作为格栅材料,则注塑模具钢可选择预硬化型塑料模具钢,如40Cr、3Cr2M o、3Cr2N iM o、5CrN iM nM oVSCa等,如果使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)作为格栅材料,则注塑模具钢可选择耐腐蚀性塑料模具钢,如2Cr13、Cr14Mo4V等或对40Cr、3Cr2M o等材料镀铬或渗氮。

2 模具材料热处理工艺研究

热处理是机械零件及工具制造过程中的必要工序,它是对钢在固态范围内采用适当的方式进行加热、保温和冷却,以改变钢的组织,从而获得所需性能的一种工艺方法。模具材料的热处理应考虑满足以下四方面基本要求:1)获得适中的硬度和足够的强韧度;2)确保淬火微小变形;3)表面无缺陷易于抛光;4)有足够的变形抗力。

格栅型腔和型芯模具是中型模具,使用热塑性材料注塑,模具材料的工作硬度在HRC35以上就能满足工作要求。现在以3Cr2Mo和2Cr13为例研究模具材料的热处理工艺过程。

表2 3Cr2Mo和2Cr13模具钢的化学成分(w t.%)
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3Cr2M o钢是预硬化型塑料模具钢,一般先进行调质处理,硬度为HRC28~35(即预硬化),再经冷加工制造成模具后,可直接使用。这样,既保证模具的使用性能,又避免热处理引起模具的变形。3Cr2Mo钢的工艺路线为:下料-调质(即预硬化)-粗铣-半精铣-精铣-研磨抛光-镀铬(渗氮)。其中调质(即预硬化)的加热温度860-900°C,油冷,回火温度570-70O°C,空冷,回火硬度28~35HRC,如果需要提高表面硬度,还可以在镀铬前进行渗碳处理,表面硬度可提升至HRC60~62;或者在研磨后进行渗氮处理,得到高的表面硬度和耐腐蚀性。

2Cr13钢是耐腐蚀型塑料模具钢,该钢机械加工性能较好,经热处理后具有良好的耐腐蚀性能,较好的强度和韧度。2Cr13钢的工艺路线为:下料-粗铣-淬火回火-半精铣-精铣-研磨抛光。其中淬火980-1010℃,油或气冷回火180-220℃,可得到35~40HRC。

淬火的目的是为了得到马氏体(或贝氏体)组织,提高钢的强度、硬度及耐磨度,再经适当回火后使工件获得良好使用性能,更好地发挥钢材的潜力。淬火工艺需要考虑以下几点因素:加热温度、加热时间、淬火介质、淬火方法、冷处理。

回火是紧接淬火的一道热处理工序,其目的是获得工件所需组织,以改善性能;消除残留奥氏体,稳定工件尺寸;消除淬火内应力,防止工件变形与开裂。回火过程中,随着回火温度的增高,淬火钢种的马氏体和残留奥氏体会向铁素体和渗碳体转变,钢的性能也会随之发生改变。一般随回火温度的升高,钢的强度、硬度降低,而塑性、韧性升高。

调质通常指淬火+高温回火,以获得回火索氏体的热处理工艺。目的是得到强度、塑性都比较好的综合机械性能。

镀铬,渗氮属于化学热处理,是为了提高塑料模表面的耐磨性和耐蚀性进行的表面处理。该工艺将工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入工件表层,以改变工件表层的化学成分和组织,达到所要求的性能。镀铬层硬度达1000HV,渗氮层硬度达1000HV-1200HV,因而都具有优良的耐磨性,此外镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力,在多种酸性介质中均不发生化学反应,具有良好的耐蚀性。

3 结束语

我国模具制造业正处于高速发展阶段,其各种工艺都在不断的提高和完善过程中,而模具材料选择以及热处理工艺选择,则是所有模具制作工艺中的重点。因此,应该加强对各种模具制作材料以及热处理工艺的研究和了解,并以此为基础有针对性地选择材料和热处理工艺,更好地提升模具的质量,延长模具的使用寿命。

参考文献:

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