CN102560504A - 提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺，其特征在于，对于铸铁材料模具，模具的压边圈部位采用等离子氮化来提高耐磨性和增强润滑能力，模具的关键成形部位采用感应热处理来提高硬度，以确保零件的精度，感应热处理采用移动式感应热处理设备，移动式感应热处理设备的工艺参数选定为加热频率10kHz～25kHz，SV 850℃～950℃，AT 30℃～70℃，Al1 850℃～900℃，Al2 900℃～950℃，P 60％～80％，I 0s，D 0s，移动速度为3～10mm/s。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面处理工艺，尤其涉及一种模具表面处理工艺。
背景技术
汽车生产的大批量和高精度的要求，决定无论是汽车冷作模具还是热作模具，一般均属长寿命模具。汽车模具生产工艺要求、技术含量高，导致高的生产成本，对冷作模具设计寿命都在几十万，乃至上百万件，因而一般不会出现模具彻底报废的事故，但为保持其生产产品的精度，模具需定期或不定期的维修，否则影响产品质量、精度和生产效率。传统的模具维修手段是：堆焊加打磨，这种方法只能保证模具的尺寸精度，不能保证硬度均匀和合理分布，更不能保持其加工精度，主要原因是焊接时的重熔造成模具局部自回火，硬度降低；另外焊接材料与母体材料存在差异。因此，未经表面处理的覆盖件模具一旦投入生产，由于模具工作表面缺少有效的保护层，模具表面极易拉伤，这种传统的修模方式不仅仅增加了模具的维修保养工作量，更重要的是影响生产进程，而且还降低产品的生产质量(表面粗糙度、尺寸精度)；因此，如何通过表面处理的方法提高大型模具的使用寿命，降低维修频率是迫在眉睫的问题。
在国外，大型覆盖件模具均经过表面处理，如表面火焰淬火、表面感应淬火、表面渗氮、表面镀铬、物理气相沉积PVD、表面电刷镀、表面激光淬火等。在众多的模具表面处理工艺中，各个国家和厂家均有其特定的表面处理工艺，并根据模具大小、工作条件、要求高低、制造或维护为目的的不同来选择不同的工艺。它们可概括地分为三类：第一类，通过相变改变模具表层组织，获得高硬度，如火焰淬火、感应热处理、激光热处理等。这类方法的特点是，不改变模具表面的化学成分，仅通过加热-冷却相变达到提高硬度的目的，方法简单。但有其局限性，很大程度上硬度取决于模具的化学成分及原始组织。第二类，在模具表面采用镀覆或涂层方法获得高硬度，其特征是表面高硬度层主要是通过物理方法获得，如电镀Cr、刷镀、PVD沉积、CVD沉积等。这类方法的最大问题是表面硬化层与基体的结合力相对较 差。第三类，采用扩散的方法改变模具表层的化学成分和组成相，达到提高表面硬度的目的，如渗碳、渗氮、渗硼、渗金属等。
近年来，现代表面处理技术在模具制造业中的应用逐渐为人们所认识，许多高等院校、研究机构和企业均投入了大量的科研力量从事模具的表面处理研究，均有针对性地获得良好的效果，但不具备通用性，主要表现在同样的处理工艺、同类的模具，其寿命相差很大，其原因是工艺装备及工艺的落后，处理质量相差太大，因此，国内模具表面处理技术还处于相对落后的水平。由于处理质量的不稳定，我国模具制造业采用表面处理技术相对较少。
发明内容
本发明提出一种提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺。
本发明的提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺，对于铸铁材料模具，模具的压边圈部位采用等离子氮化来提高耐磨性和增强润滑能力，模具的关键成形部位采用感应热处理来提高硬度，以确保零件的精度，感应热处理采用移动式感应热处理设备，移动式感应热处理设备的工艺参数选定为加热频率10kHz～25kHz，SV850℃～950℃，AT 30℃～70℃，Al1850℃～900℃，Al2900℃～950℃，P 60％～80％，I 0s，D 0s，移动速度为3～10mm/s。
所述的提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺，其进一步的特点是，等离子氮化的过程是在抽炉内真空、对炉内进行预热处理、然后升温至一恒定温度、并在该恒定温度下进行等离子氮化处理、等离子氮化处理后进行降温处理、最后将模具出炉，其中在该恒定温度下进行等离子氮化处理的温度范围是500℃到580℃的区域，并且气压范围在300Pa到1000Pa之间。
本发明的提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺，对于模具材料选用冷作模具材料的模具，采用复合等离子硫氮碳共渗和物理气相沉积结合的复合表面处理工艺，模具的压边圈部位采用复合等离子硫氮碳共渗来提高材料的耐磨性和抗擦伤性，同时大幅度降低模具与板料之间的摩擦系数；模具的关键成形部位，采用物理气相沉积工艺来改善模具工作时的润滑条件和耐粘着性能，同时强化模具表面，提高模具耐磨性，其中物理气相沉积处理的工艺参数为气体氛围是氮气(体例比例55％-80％)和氩气混合气体，Cr靶偏流恒定为5A，基体偏压/Mo靶偏流选为60V/1A、60V/2A、60V/3A、60V/5A、45V/5A或75V/5A。
所述的表面处理复合工艺，其进一步的特点是，复合等离子硫氮碳共渗的处 理气氛配比(体积比例)CS2∶NH3在1∶10到1∶5之间，处理温度在200℃-500℃。
所述的表面处理复合工艺，其进一步的特点是，所述关键成形部位为圆角部位。
本发明采用前述技术方案解决汽车大型冷冲压模具在生产过程中出现的刃口钝化、棱角变圆、表面沟痕、剥落粘膜等影响冲压件质量的磨损失效问题，能大幅度提高模具使用寿命。
附图说明
图1是等离子氮化处理工艺步骤的示意图。
具体实施方式
模具材料选用铸铁材料的模具，采用感应热处理和等离子氮化结合的复合表面处理工艺，模具的压边圈部位采用等离子氮化来提高耐磨性和增强润滑能力；模具的关键成形部位，如圆角部位，采用感应热处理来提高硬度，从而确保零件的精度。
模具材料选用冷作模具材料的模具，采用复合等离子硫氮碳共渗和物理气相沉积(PVD)结合的复合表面处理工艺，模具的压边圈部位采用复合等离子硫氮碳共渗来提高材料的耐磨性和抗擦伤性，同时大幅度降低模具与板料之间的摩擦系数；模具的关键成形部位，如圆角部位采用物理气相沉积技术(PVD)来改善模具工作时的润滑条件和耐粘着性能，同时强化模具表面，提高模具耐磨性。
实施例1
一种副车架模具的模具材料为铸态GGG70L(一种球铁材料)，其化学成分如表1所示：
| C | Si | Mn | P | S | Cu | Mo | Ni |
| 3.65 | 2.34 | 0.32 | 0.045 | 0.093 | 0.89 | 0.43 | 0.28 |
首先对模具的圆角和棱角部位进行感应热处理，采用移动式感应热处理设备进行对该模具进行表面处理，移动式感应热处理设备可以是市售产品，也可以按照表面感应淬火原理自行设计。该感应热处理设备采用的是PID(比例积分微分)控制输出，关键参数为加热频率、SV、AT、AI1、AI2、P、I、D。加热 频率选择为20kHz。工艺参数SV是控制器设定的目标输出值，一般为850℃～950℃，在本实施例中为900℃，工艺参数AT是积分分离区，在30℃到70℃之间合适，在本实施例中50℃最佳。工艺参数AI1是下限温度，即输出的最低温度不能低于AI1设定的值，一般为850～900℃，在本实施例中为900℃。工艺参数AI2是上限温度，即输出的最高温度不能高于AI2设定的值，一般为900～950℃，在本实施例中为950℃。P是比例系数，在PID调节中起主要调节作用，用来解决幅值震荡的问题，一般为60％～80％，在本实施例中为60％。I是积分时间，是解决动作响应速度快慢的。D是微分时间，用来消除静态误差。在本实施例中，I和D都选取为0s。此外，在本实施例中移动式感应热处理设备的移动速度为5.0mm/s。加热后的冷却方式是空冷。
感应处理完了之后，对模具的压边圈再进行等离子氮化处理。等离子氮化处理工艺步骤如图1所示。首先对炉内工作区域抽真空，然后对工作区域进行预热，如图1所示，预热区间的温度是以第一上升速度上升，然后对工作区域进行升温操作，升温区间的温度是以第二上升速度上升，第二上升速度大于第一上升速度，上升到预定温度后，使工作区域的温度保持平稳，使温度保持在500℃到580℃的区域，并且气压在300Pa到1000Pa的区域，开始等离子氮化处理，此时，氨流量参数控制在2L-8L/min，丙酮流量控制在0.1L-0.6L/min。等离子氮化处理后，使工作区域降温，并在降温一端时间后，使模具出炉。
处理完成之后，表面硬化层深度达到了0.33mm。该模具的设计寿命是20万次，进过处理之后实际使用寿命达到43万次。
实例2
上海汇众汽车制造有限公司的B5弹簧底座拉伸整平模，其模具材料为Cr12MoV，其化学成分如表2所示：
| C | Si | Mn | Cr | Mo | V | P | S |
| 1.62 | 0.25 | 0.28 | 11.8 | 0.55 | 0.26 | 0.014 | 0.002 |
首先对模具的圆角和棱角部位采用物理气相沉积工艺(PVD)进行处理，其工艺参数选为气体氛围是氮气(55％-80％)和氩气混合气体，Cr靶偏流恒定为5A，基体偏压/Mo靶偏流是60V/5A。处理完之后，表层CrMoN涂层硬度为2103HV0.25N，厚度约为3.0um。PVD处理完了之后，再对模具的压边圈进行复合等离子硫氮碳共渗处理，其工艺参数选定为气体氛围是氩气和氮气按1∶1比例的混合气体，处理温度是400℃。经过复合渗硫处理后，在油润滑条件下的 摩擦系数能维持在0.07左右。在未经过表面处理之前，模具使用仅几百次后就失效；通过处理之后，模具寿命可达30000次以上。
Claims (5)
1.提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺，其特征在于，对于铸铁材料模具，模具的压边圈部位采用等离子氮化来提高耐磨性和增强润滑能力，模具的关键成形部位采用感应热处理来提高硬度，以确保零件的精度，感应热处理采用移动式感应热处理设备，移动式感应热处理设备的工艺参数选定为加热频率10kHz～25kHz，SV850℃～950℃，AT 30℃～70℃，Al1 850℃～900℃，Al2 900℃～950℃，P 60％～80％，I 0s，D 0s，移动速度为3～10mm/s。
2.如权利要求1所述的提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺，其特征在于，等离子氮化的过程是在抽炉内真空、对炉内进行预热处理、然后升温至一恒定温度、并在该恒定温度下进行等离子氮化处理、等离子氮化处理后进行降温处理、最后将模具出炉，其中在该恒定温度下进行等离子氮化处理的温度范围是500℃到580℃的区域，并且气压范围在300Pa到1000Pa之间。
3.提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺，其特征在于，对于模具材料选用冷作模具材料的模具，采用复合等离子硫氮碳共渗和物理气相沉积结合的复合表面处理工艺，模具的压边圈部位采用复合等离子硫氮碳共渗来提高材料的耐磨性和抗擦伤性，同时大幅度降低模具与板料之间的摩擦系数；模具的关键成形部位，采用物理气相沉积工艺来改善模具工作时的润滑条件和耐粘着性能，同时强化模具表面，提高模具耐磨性，其中物理气相沉积处理的工艺参数为气体氛围是氮气(体例比例55％-80％)和氩气混合气体，Cr靶偏流恒定为5A，基体偏压/Mo靶偏流选为60V/1A、60V/2A、60V/3A、60V/5A、45V/5A或75V/5A。
4.如权利要求3所述的表面处理复合工艺，其特征在于，复合等离子硫氮碳共渗的处理气氛配比(体积比例)CS2∶NH3在1∶10到1∶5之间，处理温度在200℃-500℃。
5.如权利要求1或2所述的提高冲压模具寿命的表面处理复合工艺，其特征在于，所述关键成形部位为圆角部位。
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