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熱門關鍵詞:TBM處理金屬表面加硬處理金屬表面耐磨處理模具表面處理模具拉傷TD覆層處理TD處理

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拉伸類模具的表面拉傷問題及其防止措施

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人氣:-發表時間:2014-05-29 09:26【

摘要:本文分析了工件成型過程中表面拉傷問題及其產生的原因,并對其解決方法進行了討論,介紹了表面處理特別是TD覆層處理技術(簡稱TD處理)在此類模具上的應用。

關鍵詞:引伸模;成型模;拉傷;TD覆層處理

1 工件拉傷問題

引伸(拉延、拉伸),彎曲、翻邊、薄板輥壓成型等類模具,其共同特點是工件在成型過程中,模具與被加工材料的接觸表面要產生相對滑動。一般而言,被加工材料以各類鋼鐵材料及各類鍍層鋼板居多,而模具一般由鋼鐵制成。此類工況存在的一個很大問題是成型過程中,工件和模具表面易產生拉傷,也有稱為拉毛、劃傷、或拉絲的。拉傷的后果是影響產品的外觀和產品的質量。一些場合,工件表面拉傷,即是廢品。拉傷嚴重時形成咬死現象,無法進行正常生產。成型工作壓力比較大或奧氏體不銹鋼類材料成型時拉傷現象表現得尤為嚴重。對于此種現象,目前國內還缺乏較系統的研究,對其解決方法的選擇缺乏有效的指導原則,而國外則相反。本文結合筆者多年的科研和實踐經驗,就此問題進行分析,并對其解決方法進行了較詳細的介紹。

2 工件拉傷問題的實質及解決拉傷問題的基本措施

工件成型過程中拉傷問題分以下兩種狀況,一種情況是由于模具的宏觀機械凹凸不平或被成型材料與模具之間夾雜其它硬質顆粒,都會在工件表面形成機械的切削。此種情況在實際生產中可能會出現,其解決方法是完善模具設計和制模時對模具表面進行仔細研磨加工,并加強生產環境的管理。本文以下主要討論另一種情況的拉傷問題。

另一種情況是由于工件表面與模具表面粘著磨損[1]而形成的拉傷,也是生產中常見的又不容易解決的一種狀況,以下詳細分析粘著磨損的產生及減少粘著磨損的一些基本措施。

成型類模具加工工件時,模具與被加工材料表面相互接觸并相對滑動,組成一對接觸副或摩擦副。由于材料表面不可能是完全平整的,總存在可以測到的粗糙度,所以真正的接觸只發生在微觀接觸面上。分析表明,微觀真實接觸面積只是名義上的幾何接觸面積的一個小部分,由此微觀接觸面范圍內產生很大的機械應力,這些應力由于切向相對運動還會加強,以致受到負荷作用的粗糙面凸峰發生彈性或彈塑性變形,這樣摩擦副雙方表面的吸附層或反應層會遭到破壞,結果使暴露在表面的原子鍵聯結或多或少地得到加強,這種現象稱為粘著作用。當磨擦副發生相對運動時,這種原子鍵又會相互脫開,原子鍵脫開并不一定都在原始微觀接觸處斷開,而有可能在磨擦副雙方表面層附近斷開,其結果是材料從磨擦副的一方轉移到磨擦副的另一方上去,這就是所謂的粘著磨損[1]。實驗證明,出現粘著磨損的磨擦副的表面非常粗糙,并有拉傷,其程度與法向力,磨擦副之間相對運動速度以及溫度等負荷參數有關。當以上負荷參數超過了臨界值時,粘著磨損突然加劇,出現所謂膠合現象,極端情況摩擦副間的相對運動停止,出現咬死現象。由上分析可見,工件成型時表面出現拉傷或咬死現象就是粘著磨損所引起的結果。

要減少粘著磨損目前還缺乏統一的選擇判據,大多需要依靠經驗知識來確定,以下是減少粘磨損所采取的一些基本措施。

1)盡量減少接觸副之間的負荷,包括機械與熱負荷;

2)避免采用金屬配對副,而可采用陶瓷與陶瓷,塑料與塑料,塑料與金屬,陶瓷與金屬或塑料與陶瓷配對副來代替;

3)當使用金屬配對副時,應優先采用體心立方或六方體結構的材料,避免采用面心立方結構的材料;

4)采用非均質組織的材料;

5)采用潤滑油膜使接觸副隔開;

6)采用有EP(極壓)添加劑的潤滑油,使接觸副表面上形成保護性的吸附層或反應層。

具體到成型模具與工件原材料或半成品這對接觸副,由于成型負荷和所成型材料千差萬別,采用何種或幾種措施來解決工件的拉傷問題,除要考慮效果的有效性外,還必須考慮產品的批量大小,實現的難易程度及其經濟性等方面的問題,以下予以詳細討論。

3 解決工件拉傷問題的一些方法

解決工件成型過程中的拉傷問題應依照減小粘著磨損的基本原則,通過改變接觸副的性質,來改善或解決工件的拉傷問題。以下就構成此對接觸副的三方,即被成型工件的原材料方面,工件與模具之間,模具方面分別予以分析。

3.1 被成型工件的原材料方面

通過對原材料進行表面處理,如對原材料進行磷化,噴塑或其它表面處理,使被成型材料表面形成一層非金屬膜層,可以大大減輕或消除工件的拉傷問題,這種方法往往成本較高,并需要添加另外的生產設備和增加生產工序,盡管這種方法有時有些效果,實際生產中應用卻很少。

3.2 工件與模具之間

在模具與成型材料之間加一層PVC之類的薄膜,有時也可以解決工件的拉傷問題,對于生產線,通過機構可以達到連續供給薄膜,而對于周期生產的沖壓設備,每生產一件工件需加一張薄膜,影響生產效率,此種方法一般成本也很高,還會產生一大堆廢料,對于小批量的大型工件的生產采用此種方法是可取的。

在一些成型負荷很小的場合,有時通過添加潤滑油或加EP(極壓)添加劑的潤滑油就可以解決工件的拉傷問題。

3.3 模具方面

具并成功解決工件拉傷問題的報道。由于其性脆,成本高,不可能大批量推廣應用。

對于生產批量很小而形狀簡單的大型引伸類模具,也有采用橡膠等高分子類材料制作模具的報道,此類模具不會拉傷工件表面,但實際應用很少。

3.3.2 模具表面處理

通過對模具進行表面處理特別是對模具進行表面超硬化處理是解決工件表面拉傷問題經濟而有效的方法。表面處理方法有多種,比較常用的有:鍍層方面,有鍍硬鉻,化學鍍鎳磷,刷鍍特種合金等;化學熱處理方面有各類滲氮,滲硼,滲硫等;表面超硬化處理方面有化學氣相沉積(CVD),物理氣相沉積(PVD),物理化學氣相沉積(PVD),TD覆層處理。

電鍍、化學鍍、刷鍍是通過電化學或化學反應的方法,于工件表面形成合金鍍層,工藝不同,合金鍍層性能各異。就耐磨抗咬合用途,目前應用較多的是鍍硬鉻、化學鍍鎳磷、刷鍍鎳鎢合金等。對于成型負荷較輕,或大型模具采用這些方法有時可以取得一定的效果。這類表面處理存在的問題是一方面由于表面硬化層的硬度相比而言較低,容易出現磨損,而鍍層一旦磨損,拉傷又會出現;另一方面,也是不足的一點是,鍍層與基體材料機械結合,在負荷較大的場合,有時使用幾次鍍層就會剝落,而鍍層一旦剝落,其功效也就失去。

化學熱處理是將工件放入含某種或某幾種化學元素的介質中加熱保溫,通過工件與介質的物理化學作用,這種或這幾種元素滲入工件表面,然后以適當的方式冷卻,從而改變了工件表面的成分和組織結構,并賦予工件不同的物理,化學和機械性能。化學熱處理的種類很多,根據所滲元素分類為:各種滲碳,各種滲氮,各種氮碳或碳氮共滲,滲硼,滲硫,滲鋁,滲鋅,滲其它各種金屬等。以耐磨,減摩,抗拉傷為目的的化學熱處理目前常用的是:滲碳,滲氮,滲硼,滲硫幾種。

采用合適的模具材料輔以氮化,滲硼等

因此后續工序要求嚴格,稍有不慎,表面硬化層就會遭受破壞,嚴重制約了其在鋼模上的應用,而主要應用于硬質合金等無相變的材料。此外,CVD處理過程中的排放物對環境污染較大。

TD覆層處理是熱擴散法碳化物覆層處理Thermal Diffision Carbide Coating Process的簡稱,國內又名熔鹽滲金屬,滲釩等,其原理是通過熱擴散作用于工件表面形成一層數微米至數十微米的碳化釩覆層。TD覆層處理的主要特點是:其一,覆層硬度高,HV可達3000左右,具有極高的耐磨,抗拉傷,耐蝕等性能;其二,由于是通過擴散形成的,所以覆層與基體具有冶金結合,這一點對在成型類模具上的應用極其重要;其三,TD覆層處理后可以直接進行淬火,這一點特別適合于各類模具鋼材;其四,TD覆層處理可以重復進行。大量的實踐證明,在成型類模具上采用該技術具有其它表面處理無法比擬的使用效果,在一些場合具有比硬質合金更好的效果。由于TD覆層處理技術的設備相對而言比較簡單,成本較低,無公害,目前該技術在日本、美國等國都已得到廣泛的應用。國內七十年代即已開始研究該技術,

成型類模具加工工件時,模具與被加工材料表面相互接觸并相對滑動,組成一對接觸副或摩擦副。由于材料表面不可能是完全平整的,總存在可以測到的粗糙度,所以真正的接觸只發生在微觀接觸面上。分析表明,微觀真實接觸面積只是名義上的幾何接觸面積的一個小部分,由此微觀接觸面范圍內產生很大的機械應力,這些應力由于切向相對運動還會加強,以致受到負荷作用的粗糙面凸峰發生彈性或彈塑性變形,這樣摩擦副雙方表面的吸附層或反應層會遭到破壞,結果使暴露在表面的原子鍵聯結或多或少地得到加強,這種現象稱為粘著作用。當磨擦副發生相對運動時,這種原子鍵又會相互脫開,原子鍵脫開并不一定都在原始微觀接觸處斷開,而有可能在磨擦副雙方表面層附近斷開,其結果是材料從磨擦副的一方轉移到磨擦副的另一方上去,這就是所謂的粘著磨損[1]。實驗證明,出現粘著磨損的磨擦副的表面非常粗糙,并有拉傷,其程度與法向力,磨擦副之間相對運動速度以及溫度等負荷參數有關。當以上負荷參數超過了臨界值時,粘著磨損突然加劇,出現所謂膠合現象,極端情況摩擦副間的相對運動停止,出現咬死現象。由上分析可見,工件成型時表面出現拉傷或咬死現象就是粘著磨損所引起的結果。

要減少粘著磨損目前還缺乏統一的選擇判據,大多需要依靠經驗知識來確定,以下是減少粘磨損所采取的一些基本措施。

1)盡量減少接觸副之間的負荷,包括機械與熱負荷;

2)避免采用金屬配對副,而可采用陶瓷與陶瓷,塑料與塑料,塑料與金屬,陶瓷與金屬或塑料與陶瓷配對副來代替;

在模具方面,通過改變模具材料或對模具進行表面處理,使被成型材料與模具這對接觸副性質發生改變,實踐表明,這是解決拉傷問題經濟而有效的方法,也是目前廣泛采用的方法。

3.3.1模具材料方面

要是被加工的材料是鋼鐵材料,無論采用何種模具鋼或鑄鐵,在沒有采用合適的表面處理情況下,一般都很難解決工件的拉傷問題。

從模具材料入手解決工件的拉傷問題,人們可以采用硬質合金(江浙和廣東稱之為鎢鋼),一般情況下,由這種材料制作的模具抗拉傷性能很高,存在的問題是材料成本高,不易加工,對于較大型的模具,由于燒制大型硬質合金塊較困難,即使燒制成功,加工過程中也有可能出現開裂,成材率低,有些幾乎難以成型。此外硬質合金性脆,搬運、安裝,使用過程中都要極其小心,稍有不慎就有可能出現崩塊或開裂而報廢。另外,由于硬質合金的組織結構是由硬質的碳化鎢顆粒和軟的粘結相鈷所組成,硬質碳化鎢顆粒的耐磨抗咬合性能很高,而鈷相由于硬度很低,耐磨性能較差,使用過程中鈷相會優先磨損,使模具表面形成凹凸不平,如此生產出來的工件表面也會出現拉痕,此時需對模具表面進行拋光,研磨方可進行再生產。對于奧氏體不銹鋼工件,由于其面心立方結構也容易與鈷相形成咬合而使工件的表面出現拉傷。

采用合適的銅基合金,也可解決工件的拉傷問題,但銅基合金一般硬度較低,易出現磨損超差,在大批量生產的情況下,這種材料的性價比較低。

對于較大型的模具,如汽車覆蓋件的成型模具,大量采用了合金鑄鐵,鑄鐵只能減輕工件的拉傷,無法消除拉傷問題,要徹底解決拉傷問題需輔以氮化,鍍硬鉻等表面處理。但如此制作的模具往往壽命比較短,在使用一段時間后,如出現拉傷,又需修模并重新進行表面處理。

在模具材料方面,也有采用陶瓷制作模

化學熱處理往往具有較常規鋼制模具高得多的抗拉傷性能。在缺乏其它表面處理工藝方法的情況下,這不適為一種較好的選擇,也是我國較常用的方法。就氮化處理而言,氮化的化合物層具有很高的抗拉傷性能,但由于其硬化效果有限(一般HV1200以下),且化合物層較薄(十微米左右),其耐磨性有限,而化合物層一旦磨損,拉傷又會出現,所以在大批量生產過程中氮化處理往往還無法滿足生產要求;就滲硼工藝而言,其硬化層硬度可達HV1800,耐磨性較高,但依據筆者的經驗,滲硼質量的穩定性和滲硼工件變形較大以及滲硼層抗拉傷性能相比而言較差是制約該技術在成型類模具上應用的幾個重要因素。滲硫技術具有較高的減摩性能,在一些場合也取得了較好的效果,但對于負荷較大的成型類模具,效果有限。

表面超硬化處理是指化學氣相沉積(CVD),物理氣相沉積(PVD),物理化學氣相沉積(PVD),TD覆層處理。這幾種表面處理的共同特點是都可以在工件表面形成HV2000以上的硬化層,并具有極高的耐磨抗咬合等性能。實踐證明,化學氣相沉積(CVD),TD覆層處理技術是目前解決工件拉傷問題效果好的方法,而物理氣相沉積(PVD),物理化學氣相沉積(PCVD),雖然其表面硬度也可達到HV2000—3000,甚至更高,表面層硬化層也具有極高的耐磨,抗拉傷性能,但由于其膜基結合力較CVD和TD覆層處理差距較大,往往在使用過程中過早脫落,發揮不出表面超硬化層的性能特點,因此這兩種方法除在載荷較小的情況下有可能具有效果外,一般的成型類模具很難有滿意的效果。

化學氣相沉積(CVD)沉積的碳化鈦(Tic)或碳氮化鈦(TiNC)之類的材料,具有極高的硬度(HV3000以上),加上其膜基結合力很高,具有比一般模具材料或其它表面處理高得多的耐磨,抗拉傷性能,能夠數倍至幾十倍地提高模具的使用壽命。其缺點是處理溫度高,工件變形大,工件CVD處理完以后,需另外重新加熱淬火,而表面沉積層在空氣中于400—500℃以上的溫度下加熱會氧化,

到目前已有數十家單位對該技術進行過研究,大多技術不過關。筆者通過十余年的科研和實踐,已使該技術達到長期穩定生產的要求,并已成功應用到汽車、家電、五金、制管、冶金等行業的引伸、彎曲、翻邊、輥壓成型、冷鐓、粉末冶金等類模具上,取得了極優異的使用效果。

綜上所述,解決工件拉傷問題的方法很多,對于具體的個案,應根據工件和載荷大小,生產批量,被加工材料的種類等情況選擇相應的方法。在所有解決拉傷問題的方法中,以硬質合金為模具材料,和對模具進行化學氣相沉積(CVD),TD覆層處理為好。其中又以TD覆層處理性價比高。

4 結束語

工件拉傷問題是粘著磨損的結果,解決工件拉傷問題的方法較多,應根據具體情況予以選擇,一般情況下,采用硬質合金為模具材料,對模具進行化學氣相沉積和TD處理是解決模具拉傷問題有效的方法。


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參考文獻:

[1]【德】哈比希KH。材料的磨損與硬度[M].

北京機械工業出版社,1987

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