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先進陶瓷在模具材料中的應用

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先進陶瓷在模具材料中的應用

發布日期:2019-05-07 作者: 點擊:

       模具是指在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的製件的工具。可以說,沒有模具,就沒有現代工業,模具工業的發展水平是衡量整個國家製造業水平的關鍵指標,故又被稱為“工業之母”。在電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通訊等產品中,60%~80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產製件所表現出來的高精度、高複雜程度、高一致性、高生產率和低消耗,是其他加工製造方法所不能比擬的。舉個例子,最為常見的汽車上,由衝壓模具成形的汽車覆蓋件、注塑模具成形的汽車內飾件、精密鍛造成形的各種發動機傳動件等,無不展現著模具工業的精密與高效。

       但是,傳統模具加工一般都在惡劣環境下進行,交替變化的溫度、應力條件使得模具易於發生各種疲勞損傷;並且,金屬塑性流動時與模具型腔的劇烈摩擦使得模具磨損成為重要失效形式之一。因此,開發出新型高硬度、高耐磨性、高強度的模具材料一直備受關注不過,陶瓷材料在擁有高硬度、耐高溫、不粘模等優點的同時,應用的最大困難是陶瓷的脆性,作為脆性材料,其斷裂韌性低,幾乎不能承受拉應力,這一缺點限製了其作為整體式模具的應用。為了解決這個難題,陶瓷材料可以與金屬材料複合,在保證高硬度高耐磨性的同時,兼具金屬材料良好的塑性與韌性;還可以作為表麵塗層材料,附著在傳統模具材料表麵,形成“外硬內韌”的模具。這兩種“取長補短”的方法已經獲得了廣泛的應用。

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金屬陶瓷模具

       2017年,江西省機械科學研究所的熊偉等公布了一種應用熱擠壓工藝的金屬陶瓷模具。該研究通過在金屬陶瓷混料中,配入W、Ti等金屬碳化物,經過幹壓成型、冷等靜壓、無壓燒結、機械加工等工序,研製出新一代的W-Ti金屬陶瓷熱擠壓模,突破了以高合金鋼生產熱擠壓模的傳統技術。試驗表明,W-Ti金屬陶瓷熱擠壓模的使用壽命是傳統合金鋼的7.5倍。

       (小tip:擠壓工藝對模具的要求非常高,常見的擠壓力在2000MPa以上。因此對新型模具材料的研究,相關的文獻常常落在擠壓模具新材料的開發。最初鋼的大批量擠壓一直被認為難以實現,因為必須有超高強度的模具材料才能承受如此大的擠壓力,冷擠壓首次大批量生產鋼製零件是二戰時期,德國采用了新型合金工具鋼及磷化皂化技術才實現的。傳統的擠壓是在室溫下進行,近些年對一些高強度的材料,必須在高溫下進行擠壓,這對模具材料提出更高要求)

       除此之外,早期的研究一般采用熱壓燒結法製備金屬陶瓷,這是利用金屬顆粒增韌氧化鋁陶瓷模具,以克服陶瓷材料的脆性。除了氧化鋁陶瓷的增韌技術以外,中南大學聯合中國鋁業公司研製出利用金屬Ti增強氮化矽陶瓷的新型模具材料,並認為氮化矽相較氧化鋁更為優異的紅硬性、耐磨性及綜合力學性能,是製造熱擠壓模具最為理想的材料之一。

“外硬內韌”的陶瓷塗層

       陶瓷塗層相較於金屬陶瓷新型模具材料的研發,理論更加簡單,實際操作成本更為低廉。目前的主要方法包括化學氣相沉積技術(CVD)和物理氣相沉積技術(PVD),其中後者應用更為廣泛。PVD技術是在真空條件下,采用低電壓、大電流的電弧放電技術,利用氣體放電,使靶材蒸發並使被蒸發物質與氣體都發生電離,利用電場的加速作用,使被蒸發物質及其反應產物沉積在工件上。

       瑞士Hatebur公司是世界一流的模具設備供應商,其率先將氮化鈦塗層通過PVD塗覆在冷擠壓模具的凸模上。(小tip:在擠壓工藝中,一般PVD法塗層的氮化鈦隻能在450℃下使用,這個溫度是冷擠壓劇烈摩擦時,材料與模具界麵已經能達到的溫度;而要想用到溫熱擠壓中,為了防止塗層的脫落,常采用CVD法,這樣工作溫度才能達到800℃以上。此外,采用碳化鈦的CVD法進行塗層,工作溫度能達到950℃到1100℃)

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       2017年11月,在全國第三屆“互聯網+”大學生創新創業大賽上,西安交通大學“匠心雲塗”項目榮獲金獎,並被組委會認為是最有價值的創業項目,目前公司啟動千萬級Pre-A輪融資,擬出讓股份10%,主要用於代工廠投建和專業團隊建設等。據悉,“匠心雲塗”項目由西安交大85後博士生錢旦發起,目前依托自主研發的塗層技術、高校專家團隊與研發平台,開發了包括氮化鈦、碳氮化鈦、氮化鉻、氮化鉻鋁在內的多種陶瓷PVD塗層技術,替代了傳統電鍍金屬或合金的塗層方法,為模具穿上了“軟蝟甲”。

       綜合而言,傳統模具鋼或硬質合金模具材料的應用已經非常成熟,但是在一些更為惡劣的工況下,性能與壽命麵臨巨大挑戰。正如tip中所言,傳統冷擠壓技術目前正向溫熱擠壓方向發展,在溫熱擠壓工藝中,由於溫度較高,傳統材料的紅硬性差問題愈發暴露,采用陶瓷材料塗層後的硬質材料性能提升,壽命延長,減少了頻繁更換模具的動作,取得了更好的經濟效益。與之相比,利用金屬顆粒增強的陶瓷材料在工業中的應用卻鮮有報道,這主要是因為整體式的金屬陶瓷模具價格仍非常昂貴,服役壽命預測僅局限在實驗室中。不過,組合式凹模的發展,使得模具具有更加靈活的形式,對於需要麵對高溫高壓力的模具工作部分,可以采用強化過的陶瓷材料,而剩餘部分,仍采用價格相對低廉的傳統材料。此外,不鏽鋼、耐熱合金鋼的需求推動著熱成形技術的發展,麵對變形抗力高、溫度高的加工環境,金屬陶瓷模具依然值得期待。

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