拉伸類模具的表面拉傷問(wèn)題及其防止措施

1、拉伸類模具的表面拉傷問(wèn)題及其防止措施 （2007/5/16）作者：彭智虎 1 唐麗文 2（ 1.長(zhǎng)沙特耐金屬材料科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙410011；2. 重慶工學(xué)院，重慶 400050）模具工業(yè) 2006 年第 32 卷第 1 期（ 6973）摘要：分析了工件成形過(guò)程中表面拉傷問(wèn)題及其產(chǎn)生的原因，并對(duì)期解決方法進(jìn)行了討論，重點(diǎn)介 紹了表面處理，特別是熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理（以下簡(jiǎn)稱 TD 覆層處理）技術(shù)在拉伸類模具上的應(yīng) 用。中圖分類號(hào)： TG17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)： 1001-2168 （2006）01-0069-04Surface Scratch Problem of Drawi

2、ng Drawing Dies and Treatmnt MeasuresPENG Zhi-hu1,TANG Li-Wen2（1. Changsha Topwellwear Metal Material Science Co,Ltd ,Changsha, Hunan 4110011, China;2. Chongqing Institute of Technology, Chongqing 4000500, China）Abstract: The reason of surface scratch during the forming process of workpiec-ewas anal

3、yzed and the solution was discussed. The application of surface treat-ment technolo gy, in particular thermal diffusion method carbide covering treatment（TD covering trea tment for short ） in drawing dies was introduced in detail . key words:drawing die; foming die;scratch;TD covering treatment.1、引言

4、：拉伸、彎曲、翻邊、薄板輥壓成形等模具，其共同特點(diǎn)是工件在成形過(guò)程中，模具與被加工材料的 接觸表面要產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。在成形過(guò)程中，工件和模具表面易產(chǎn)生拉傷，也有稱為拉毛、劃傷。拉 傷的后果是影響產(chǎn)品的外觀和產(chǎn)品質(zhì)量，無(wú)法進(jìn)行正常生產(chǎn)。在成形工作壓力比較大或在奧氏體不 銹鋼類材料拉伸成形時(shí)，拉傷現(xiàn)象表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重。下面結(jié)合多年科研和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就此問(wèn)題進(jìn)行 分析，并對(duì)其解決方法進(jìn)行了探討。2、拉傷的實(shí)質(zhì)及解決措施 工件成形過(guò)程中拉傷產(chǎn)生的原因主要有以下 2 種，一是由于模具凸、凹模表面的宏觀機(jī)械凹凸不平 或被成形材料與模具凸、凹模面之間夾雜其他硬質(zhì)顆粒，都會(huì)在工件表面或模具凸、凹模表面形成 機(jī)械的磨

5、損，解決方法是對(duì)模具凸、凹模表面進(jìn)行仔細(xì)研磨加工，并加強(qiáng)生產(chǎn)環(huán)境的管理。另一種 是由于工件表面與模具凸、凹模表面粘著磨損而形成的拉傷，也是生產(chǎn)中最常見(jiàn)的又不容易解決的 一種狀況，以下詳細(xì)分析粘著磨損的產(chǎn)生及減少粘著磨損的一些基本措施。工件成形時(shí)，模具凸、凹模與被加工材料表面相互接觸并相對(duì)滑動(dòng)，組成一對(duì)摩擦副。由于材料表面不可能是完全平整的，總存在可以測(cè)到的粗糙度，所以真正的接觸只發(fā)生在微觀接觸面上。分析表明，微觀真實(shí)接觸面積只是名義上的幾何接觸面積的一個(gè)小部分，在此微觀接觸面產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，這些應(yīng)力由于切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)還會(huì)加強(qiáng)，以致受到負(fù)荷作用的粗糙面凸峰發(fā)生彈性或彈塑性變形，這樣磨擦副雙方表

6、面的吸附層或反應(yīng)層會(huì)遭到破壞，結(jié)果使暴露在表面的原子鍵聯(lián)結(jié)或多或少地得到了加強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為粘著作用。當(dāng)摩擦副發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種原子鍵又會(huì)相互脫開(kāi)，原子鍵脫開(kāi)并不一定都在原始微觀接觸處斷開(kāi)，而有可能在摩擦副雙方表面層附近斷開(kāi)，其結(jié)果是材料從磨擦副的一方轉(zhuǎn)移到磨擦副的另一方上去，這就是所謂的粘著磨損。實(shí)驗(yàn)證明，出現(xiàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度以及溫度等負(fù) 荷參數(shù)有關(guān)。當(dāng)以上負(fù)荷參數(shù)超過(guò)了臨界值時(shí)，粘著磨損突然加劇，出現(xiàn)所謂膠合現(xiàn)象，極端情況磨擦副間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)停止，出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。由上分析可見(jiàn)，工件成形時(shí)表面出現(xiàn)拉傷或咬死現(xiàn)象就 是粘著摩損所引起

7、的結(jié)果。要減少粘著磨損目前還缺乏統(tǒng)一的選擇依據(jù)，大多需要依靠經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)確定，以下是減少粘著磨損 所采取的一些基本措施：（1）盡量減少接觸副之間的負(fù)荷，包括機(jī)械與熱負(fù)荷。（2）避免采用金屬配對(duì)副，而采用陶瓷與陶瓷、塑料與塑料，塑料與金屬，陶瓷與金屬或塑料與陶 瓷配對(duì)副來(lái)代替。（3）當(dāng)使用金屬配對(duì)副時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用體心立方或六方體結(jié)構(gòu)的材料，避免采用面心立方結(jié)構(gòu)的材 料。（4）采用非均質(zhì)組織的材料。（5）采用潤(rùn)滑油膜使接觸副隔開(kāi)。（6）采用有EP （極壓）添加劑的潤(rùn)滑油，使接觸副表面上形成保護(hù)性的吸附層或反應(yīng)層。3、解傷決拉傷問(wèn)題的一些方法 解決模具及工件成形過(guò)程中的拉傷問(wèn)題應(yīng)依照減小粘著磨損的基本

8、原則，通過(guò)改變接觸副的性質(zhì)作 為出發(fā)點(diǎn)。以下就構(gòu)成此對(duì)接觸副的 3 方，即被成形工件的原材料方面、工件與模具之間、模具方 面分別予以分析。3.1 被成形工件的原材料方面 通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行表面處理，如對(duì)原材料進(jìn)行磷化、噴塑或其他表面處理。使被成形材料表面形成 一層非金屬膜層，可以大大減輕或消除工件的拉傷，這種方法往往成本較高，并需要添加另外的生 產(chǎn)設(shè)備和增加生產(chǎn)工序，盡管這種方法有時(shí)有些效果，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用卻很少。3.2 工件與模具之間在模具與成形材料之間加一層 PVC之類的薄膜，有時(shí)也可以解決工件的拉傷問(wèn)題。對(duì)于生產(chǎn)線，通過(guò)機(jī)構(gòu)可以達(dá)到連續(xù)供給薄膜，而對(duì)于周期生產(chǎn)的沖壓設(shè)備，每生產(chǎn)一件工件需加

9、一張薄膜，影響 生產(chǎn)效率，此方法一般成本也很高，還會(huì)產(chǎn)生大量廢料，對(duì)于小批量的大型工件的生產(chǎn)采用此種方 法是可取的。在一些成形負(fù)荷很小的場(chǎng)合，有時(shí)通過(guò)添加潤(rùn)滑油或加EP （極壓）添加流劑的潤(rùn)滑油就可以解決工件的拉傷問(wèn)題。3.3 模具方面通過(guò)改變模具凸、凹模材料或?qū)δ＞咄?、凹模進(jìn)行表面處理，使被成形材料與凸、凹模這對(duì)接觸副 性質(zhì)發(fā)生改變。實(shí)踐表明，這是解決拉傷問(wèn)題經(jīng)濟(jì)而有效的方法，也是目前廣泛采用的方法。3.3.1 模具材料若被加工的材料是鋼鐵材料，無(wú)論采用何種模具鋼或鑄鐵，在沒(méi)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(wèn)題。從模具凸、凹模材料入手解決工件的拉傷問(wèn)題，可以采用硬質(zhì)合金

10、，一般情況下，由這種材料制作 的凸、凹?？估瓊阅芎芨?，存在的問(wèn)題是材料成本高，不易加工，對(duì)于較大型的模具，由于燒制 大型硬質(zhì)合金塊較困難，即使燒制成功，加工過(guò)程中也有可能出現(xiàn)開(kāi)裂，成材率低，有些幾乎難以 成形。此外硬質(zhì)合金性脆，搬運(yùn)、安裝使用過(guò)程中都要極其小心，稍有不慎就有可能出現(xiàn)崩塊或開(kāi) 裂而報(bào)廢。另外，由于硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)是由硬質(zhì)的碳化鎢顆粒和軟的粘結(jié)相鈷所組成，硬質(zhì)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(guò)程中鈷相會(huì)優(yōu)先磨 損，使凸、凹模表面形成凹凸不平，如此生產(chǎn)出來(lái)的工件表面也會(huì)出現(xiàn)拉痕，此時(shí)需對(duì)模具凸、凹 模表面進(jìn)行研磨拋光后方可進(jìn)行再生產(chǎn)。對(duì)于奧

11、氏體不銹鋼工件，由于其面心立方結(jié)構(gòu)也容易與鈷 相形成咬合而使工件的表面出現(xiàn)拉傷。采用合適的銅基合金也可解決工件的拉傷問(wèn)題，但銅基合金一般硬度較低，易出現(xiàn)磨損超差，在大 批量生產(chǎn)的情況下，這種材料的性價(jià)比較低。對(duì)于較大型的模具，如汽車覆蓋件的成形模具，大量采用了合金鑄鐵，鑄鐵只能減輕工件的拉傷， 無(wú)法消除拉傷問(wèn)題，要徹底解決拉傷問(wèn)題需鋪以滲氮，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(shí)間后，如出現(xiàn)拉傷，又需修模并重新進(jìn)行表面處理。在模具材料方面，也有采用陶瓷制作模具凸、凹模并成功解決工件拉傷問(wèn)題的報(bào)道。由于其性脆， 成本高，不可能大批量推廣應(yīng)用。對(duì)于生產(chǎn)批量很小而形狀簡(jiǎn)單的

12、大型拉伸類模具，也有采用橡膠等高分子類材料制作模具凸、凹模 的報(bào)道 ,此類模具不會(huì)拉傷工件表面，但實(shí)際應(yīng)用很少。3.3.2 模具表面處理 通過(guò)對(duì)模具進(jìn)行表面處理特別是對(duì)模具凸、凹模進(jìn)行表面超硬化處理是解決工件表面拉傷問(wèn)題經(jīng)濟(jì) 而有效有方法。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(xué)鍍鎳磷、刷鍍特種 合金等；化學(xué)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(xué)氣相沉積（ CVD）、 物理化學(xué)氣沉積（PVD、TD覆層處理。電鍍、化學(xué)鍍、刷鍍是通過(guò)電化學(xué)或化學(xué)反應(yīng)的方法，在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(yīng)用較多的是鍍硬鉻、化學(xué)

13、鍍鎳磷、刷鍍鎳鎢等合金等。對(duì)于成形負(fù)荷較輕或大型模具采和這些方法有時(shí)可以取得一定的效果。這類表面處理存在問(wèn)題是一 方面由于表面硬化層的硬度相對(duì)較低，容易出現(xiàn)磨損，而鍍層一旦磨損，拉傷又會(huì)出現(xiàn)。另一方面， 鍍層與基本材料機(jī)械結(jié)合，在負(fù)荷較大的場(chǎng)合，有時(shí)使用幾次鍍層就會(huì)剝落，而鍍層一旦剝落，其 功效也就失去?；瘜W(xué)熱處理是將工件放入含某種或某幾種化學(xué)元素的介質(zhì)中加熱保溫，通過(guò)工件與介質(zhì)的物理化學(xué) 作用，將這種或這幾種元素滲入工件表面，然后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s，從而改變了工件表面的成分和 組織結(jié)構(gòu)，并賦予工件不同的物理、化學(xué)和機(jī)械性能?；瘜W(xué)熱處理的種類很多，根據(jù)所滲元素不同 分類為：各種滲碳、各種滲氮、各

14、種氮碳或碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲鋁、滲鋅、滲其他各金屬等。 以耐磨、減磨、抗拉傷為目的的化學(xué)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滲氮、滲硼等化學(xué)熱處理往往具有較常規(guī)鋼制模具高得多的抗拉傷性能。 在缺乏其他表面處理工藝方法的情況下，這不適為一種較好的選擇，也是較常用的方法。就滲氮處 理而言，滲氮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1200HV以下），且化合物層較?。?0呵左右），其耐磨性有限，而化合物層一旦磨損，拉傷又會(huì)出現(xiàn)，所以在大批量 生產(chǎn)過(guò)程中滲氮處理往往還無(wú)法滿足生產(chǎn)要求。就滲硼工藝而言，其硬化層硬度可達(dá)1800HV,耐磨性較高，但

15、依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滲硼質(zhì)量的穩(wěn)定性和滲硼工件變形較大以及滲硼層抗拉傷性能較差是制約該 技術(shù)在成形類模具上應(yīng)用的幾個(gè)重要因素。滲硫技術(shù)具有較高的減摩性能，在一些場(chǎng)合也取得了較 好的效果，但對(duì)于負(fù)荷較大的成形類模具、效果有限。表面超硬化處理是指化學(xué)氣相沉積（CVD、物理氣相沉積（PVD、物理化學(xué)氣相沉積（PVD、TD覆層處理。這幾種表面處理的共同特點(diǎn)是都可以在工件表面形成2000HV以上的硬化層，并具有極高的耐磨抗咬合等性能。實(shí)踐證明，化學(xué)氣相沉積（PVD、TD覆層處理技術(shù)是目前解決工件拉傷效果最好的方法，而經(jīng)物理氣相沉積（ PVD 和物理化學(xué)氣相沉積（ PCVD 的工件，雖然其表面硬度也可 達(dá)到2000

16、3000HV,甚至更高，表面硬化層也具有極高的耐磨、抗拉傷性能，但由于其膜基結(jié)合力 較CVD和 TD覆層處理差距較大，往往在使用過(guò)程中過(guò)早脫落，發(fā)揮不出表面超硬化層的性能特點(diǎn)， 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，一般的成形類模具很難有滿意的效果?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD的碳化鈦（TNC之類的材料，具有極高的硬度（3000HV以上），加上其膜基 結(jié)合力很高，具有比一般模具材料或經(jīng)其他表面處理后高得多的耐磨、抗拉傷性能，能夠數(shù)倍至幾 十倍地提高模具的使用壽命。其缺點(diǎn)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，而表面沉積層的空氣中于 400500° C

17、以上的溫度下加熱會(huì)氧化， 因此后續(xù)工序要求嚴(yán) 格，稍有不慎，表面硬化層就會(huì)遭受破壞，嚴(yán)重制約了其在鋼模上的應(yīng)用，而主要應(yīng)用于硬質(zhì)合金 等無(wú)相變的材料。此外，CVD處理過(guò)程中的排放物對(duì)環(huán)境污染較大。TD覆層處理國(guó)內(nèi)又名熔鹽滲金屬、滲釩等，其原理是通過(guò)熱擴(kuò)散作用于工件表面形成一層數(shù)微米到 數(shù)十微米的碳化釩覆層。TD覆層處理的主要特點(diǎn)是： 覆層硬度較高，硬度可達(dá) 3000HV左右，具有極高的而磨、抗拉傷、耐蝕等性能；由于是通過(guò)擴(kuò)散形成的，所以覆層與基體具有冶金結(jié)合，這一點(diǎn)對(duì)在成形類模具上的應(yīng)用極其重要； TD 覆層處理后可以直接進(jìn)行淬火， 這一點(diǎn)特別適合于 各類模具鋼材； TD 覆層處理可以重復(fù)進(jìn)行。 大量的實(shí)踐證明， 在成形類模具上采用該技術(shù)具有其 他表面處理無(wú)法比擬的使用效果，在一些場(chǎng)合具有比硬質(zhì)合金更好的效果。由于TD覆層處理技術(shù)的設(shè)備相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，成本較低，無(wú)公害，目前該技術(shù)在日本、美國(guó)等都已得到廣泛的應(yīng)用。國(guó) 內(nèi) 70 年代即已開(kāi)始研究該技術(shù)， 到目前已有數(shù)十家單位對(duì)該技術(shù)達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)的要求， 并已成 功應(yīng)用到汽車、家電、五金、制管、冶金等行業(yè)的位伸、彎曲、翻邊、輥壓成形、冷鐓、粉末冶金 等類模具上，取得了極優(yōu)的使用效果。綜上所述，解決工件及模具凸、凹模表面拉