淺談冷沖頭制造選材及熱處理

材料的強(qiáng)度與韌性以及韌性與耐磨性之間往往此消彼長(zhǎng)。因此，在冷沖頭的選材與熱處理過(guò)程中，我們應(yīng)著重考慮鋼的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。

大家都知道影響模具壽命的8大基本因素是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具材料、冷熱加工工藝、熱處理、研磨、機(jī)床的調(diào)整與操作、被加工材料的性質(zhì)與狀態(tài)、潤(rùn)滑條件及模具的服役環(huán)境。

一、冷沖頭的受力分析

對(duì)于冷沖頭應(yīng)主要考慮鋼的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。強(qiáng)度與韌性以及韌性與耐磨性之間往往此消彼長(zhǎng)。當(dāng)主要失效方式是脆性開(kāi)裂時(shí)，可考慮選擇強(qiáng)度較低但韌性更好的材料，或制訂合理的熱處理工藝以改善鋼的韌性。從兼顧韌性和耐磨性的角度來(lái)看，除了整體合理選材外，亦可考慮在保證韌性的同時(shí)采用合理的表面處理以改善模具的耐磨性。

按使用工況，常用的冷沖頭可分為三種，即沖裁沖頭、冷鐓沖頭和冷擠壓沖頭。

沖裁沖頭主要受到較小的沖擊載荷、較重的摩擦，主要的早期失效方式是磨損，因此選材和熱處理時(shí)應(yīng)著重考慮提高其強(qiáng)度和耐磨性，其次才是韌性。

冷鐓沖頭主要受到很大的沖擊載荷和強(qiáng)烈的摩擦，主要的早期失效方式是斷裂，因此選材和熱處理時(shí)應(yīng)著重考慮提高其韌性，同時(shí)結(jié)合表面處理改善其耐磨性。

冷擠壓沖頭主要受到很大的壓縮載荷和強(qiáng)烈的摩擦，主要的早期失效方式是壓潰和磨損，因此選材和熱處理時(shí)應(yīng)著重考慮提高其屈服強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合表面處理改善其耐磨性。

二、熱處理與材料力學(xué)的性能分析

為準(zhǔn)確把握常用沖頭材料的材質(zhì)與熱處理的關(guān)系，我們做了許多的力學(xué)性能試驗(yàn)，上表中列出了部分?jǐn)?shù)據(jù)。分析表中數(shù)據(jù)：

1、淬火溫度的影響

以No1、2為例，當(dāng)淬火溫度提高時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗壓屈服強(qiáng)度都得到較大提高，即強(qiáng)度提高了;

但同時(shí)抗彎強(qiáng)度和撓度降低了，即韌性略有降低。這是因?yàn)樘岣叽慊饻囟龋m然可以在組織中融入更多的合金元素和碳元素，提高了硬化效果，但也使鋼的晶粒長(zhǎng)大，使韌性降低。

2、深冷處理的影響

以No3、4為例，深冷處理同時(shí)提高了SKH51的強(qiáng)度和韌性。深冷處理具有改善許多模具鋼強(qiáng)度、韌性的現(xiàn)象已得到公認(rèn)，但其改善機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。有文獻(xiàn)表明深冷處理過(guò)程中，微細(xì)碳化物在馬氏體的位錯(cuò)線和孿晶面等微觀缺陷處析出，并認(rèn)為這是其改善強(qiáng)韌性的原因。

三、冷沖頭選材與熱處理實(shí)例

1. 沖孔翻邊沖頭

某客戶生產(chǎn)空調(diào)機(jī)冷卻用鋁翅片，原用HAP40材料經(jīng)1160℃淬火，560℃回火，硬度達(dá)到65.5HRC，使用壽命可達(dá)1100萬(wàn)次，失效方式為磨損。

分析鋁薄膜厚度也就在0.15mm左右，沖擊載荷很小，壽命低的主要原因是耐磨性差，應(yīng)從提高耐磨性著手。遂提高淬火溫度為1180℃淬火，仍560℃回火，硬度達(dá)到66.5HRC，使用壽命就提高到2000萬(wàn)次以上。

2. 冷鐓沖頭

某客戶使用冷鐓模生產(chǎn)自行車(chē)用零件，原用SKH51材料經(jīng)1180℃淬火，560℃回火，硬度達(dá)到63HRC，使用壽命只有幾千次，失效方式為斷裂。

分析這主要是材料韌性不足，便改為韌性更好的DC53經(jīng)1030℃淬火，530℃回火，硬度為61HRC?？紤]到DC53不如SKH51耐磨，又對(duì)表面進(jìn)行PVD鍍膜處理，使用壽命就提高到20萬(wàn)次。

3. 冷擠壓沖頭

長(zhǎng)沙博潤(rùn)某客戶使用冷擠壓模生產(chǎn)汽車(chē)用零件，沖頭直徑達(dá)φ38，原用SKH51材料經(jīng)1180℃淬火，560℃回火，硬度達(dá)到62HRC，在試模時(shí)僅壓了一次，就被壓短了2mm，外徑也變粗。經(jīng)磨細(xì)后使用，只用了1000次即告斷裂。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，理論上該沖頭工作時(shí)所受的壓強(qiáng)高達(dá)2600MPa，接近SKH51的抗壓屈服強(qiáng)度，加上該沖頭較粗，由于材料不均或熱處理的體積效應(yīng)原因，很難做到內(nèi)外均勻一致，導(dǎo)致沖頭的抗壓強(qiáng)度低于理論值。后改用強(qiáng)度更高、均勻性更好的HAP40材料，用1180℃淬火，560℃回火，硬度達(dá)到66.5HRC，使用壽命就提高到20000萬(wàn)次以上。