金屬薄板拉伸凹模的理想材料
——氮化硅陶瓷

聶蘭啟，闞衛(wèi)東，季 楠，張道水，徐寶慶

（1.山東紅旗機電集團有限公司，山東濰坊 261108；2.山東鶴見紅旗環(huán)境科技有限公司，山東濰坊 261108）

1 引言

圖1所示防護殼體是某環(huán)保設(shè)備的零件之一，材料為不銹鋼SUS304L，生產(chǎn)批量較大。裝配后，制件外落在設(shè)備上，故要求其的表面質(zhì)量要求較為嚴格，拉伸后要求制件表面劃傷、劃痕不超過0.10mm。該制件成形采用落料、3次拉伸工序。

圖1 防護殼體

2 拉伸模材料的選擇

2.1 金屬薄板拉伸對模具材料的要求

（1）較高的硬度，良好的耐磨性。

（2）良好的抗粘附性。

（3）良好的熱處理性能（淬硬性、淬透性、微變形等）。

（4）一定的韌性。

（5）良好的機械加工性能。

2.2 黑色金屬拉伸對模具材料的選擇原則

模具材料的選擇原則：

不同材料的模具，熱處理、表面狀態(tài)不同、與被加工材料的親和性、抗高溫摩擦粘結(jié)的程度也不同。因此，需要根據(jù)拉伸材料的性質(zhì)、表面質(zhì)量要求、生產(chǎn)批量等因素，恰當、經(jīng)濟地選擇模具材料。通常拉伸硬材料時使用軟質(zhì)模具材料，而加工軟質(zhì)材料，應使用硬質(zhì)模具材料。

2.3 防護殼體拉伸模材料的選擇

將各次拉伸凹模材料都選用冷作模具鋼（如Cr12MoV、Cr12等），熱處理后進行氮化處理。在實際生產(chǎn)中，第一次拉伸20件左右，制件表面出現(xiàn)明顯的劃傷，不得不去拋光模具。由于經(jīng)常拋光凹模，制件尺寸超差，致使模具報廢，一度使生產(chǎn)無法進行。由于該制件批量較大，為保證模具具有較高的使用壽命，同時為避免毛坯制件表面劃傷、劃痕等缺陷，各次拉伸凹模選用硬質(zhì)合金材料。使用硬質(zhì)合金組合凹模后，盡管各次拉伸凹模的使用壽命得到一定程度的提高，但毛坯制件表面也經(jīng)常出現(xiàn)劃傷、劃痕等缺陷，需要拋光模具。由于硬質(zhì)合金材料由于硬度較高，拋光比較困難。

3 模具產(chǎn)生劃傷的原因及解決措施

3.1 模具產(chǎn)生劃傷的原因

不銹鋼板材在拉伸成形過程中，材料在變形流動過程中要產(chǎn)生很大的抗力，即使模具表面粗糙度很低，工件與模具之間必然要產(chǎn)生摩擦力。由于不銹鋼材料與模具材料具有一定的粘合性，加劇了工件與模具表面的相互摩擦。另外，不銹鋼板材在拉伸成形過程中，由于其內(nèi)部金屬晶格要發(fā)生錯移和畸變，加之不銹鋼與金屬模具存在親和性，將產(chǎn)生大量的熱能，工件與模具接觸部位由于瞬間高溫而出現(xiàn)冷焊粘接現(xiàn)象，高溫冷焊粘接，導致工件因表面劃傷嚴重，質(zhì)量無法保證，盡管硬質(zhì)合金硬度較高，需要經(jīng)常拋光模具。

3.2 解決措施

（1）氮化硅（Si3N4）陶瓷材料的特點。

氮化硅（Si3N4）陶瓷是將硅粉在液壓機上模壓成型后，粗加工后電爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1,450℃，時間為50h，燒結(jié)氣氛為常壓氮氣。燒結(jié)終了出爐空冷，磨削加工得到最終尺寸，最后拋光處理。

反應燒結(jié)的氮化硅陶瓷材料具有以下特點：

a.耐磨性高。氮化硅陶瓷材料耐磨性很高，可以保證拉伸模在工件允許的變形程度內(nèi)，都能長期工作，并保證拉伸件尺寸不變。

b.拋光性能優(yōu)良。氮化硅陶瓷材料具有良好的拋光性，能加工成鏡面狀態(tài)的?？?，保證引伸金屬制件表面的高質(zhì)量。

c.對拉伸金屬的粘附性小。氮化硅陶瓷為無機非金屬材料，與金屬材料不存在親和性，避免了因粘著磨損引起的工件表面劃傷。

d.氮化硅材料硬度高。硬度可達2,000HV以上。

e.摩擦系數(shù)小。當模具表面精加工到0.005～0.025mm 時，摩擦系數(shù)小到0.01，摩擦系數(shù)小，能量消耗比采用鋼模降低60%以上。

f.耐腐蝕性能好。氮化硅陶瓷材料為無機非金屬材料，對冷卻潤滑劑具有良好的耐腐蝕性。

g.熱膨脹系數(shù)接近于鋼。

h.氮化硅陶瓷材料抗壓強度雖然很高，但脆性較高，易于斷裂，為防止氮化硅陶瓷模具在拉伸時脹裂，在陶瓷模具外加上預應力模套。以保證陶瓷模具具有較高壽命。

（2）氮化硅陶瓷材料適用性廣。

由于氮化硅陶瓷材料具有以上特點，氮化硅陶瓷凹模材料可拉伸各種牌號的黑色金屬、有色金屬材料，尤其適合不銹鋼材料的拉伸。

（3）氮化硅陶瓷凹模對拉伸設(shè)備的要求。

針對氮化硅陶瓷脆性較高，不能承受較大的沖擊力的特點，采用氮化硅陶瓷凹模進行拉伸生產(chǎn)時，一般選用壓力平穩(wěn)、沖擊力小的液壓機或雙動拉伸壓力機。

4 拉伸凹模材料改為氮化硅陶瓷

由于氮化硅陶瓷材料具有上述優(yōu)點，選用氮化硅陶瓷材料制造防護殼體各次拉伸組合凹模，設(shè)計的第三次拉伸氮化硅陶瓷組合凹模，如圖2所示。

圖2 第三次拉伸氮化硅陶瓷組合凹模

由于我公司無氮化硅陶瓷模具加工能力，該氮化硅陶瓷組合凹模由任丘市大通硬質(zhì)合金有限公司制造，其實物如圖3所示。

圖3 氮化硅陶瓷組合凹模實物

避免了金屬材料與氮化硅陶瓷凹模之間由于瞬間高溫而出現(xiàn)冷焊粘接現(xiàn)象，制件表面質(zhì)量無劃傷、劃痕等缺陷。同時，摩擦系數(shù)較小，減小了拉伸力，降低了拉伸設(shè)備的噸位，節(jié)省了能源，氮化硅陶瓷組合凹模的使用壽命高與硬質(zhì)合金組合凹模相當。

5 結(jié)束語

通過近多年的實際應用，氮化硅陶瓷材料用于不銹鋼板材拉伸成形，顯著提高工件的外觀質(zhì)量，模具使用壽命顯著提高，比冷作模具鋼提高壽命5～10倍，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。