内六角螺丝冲头是一种用于六角螺栓头部内六角螺丝 盲孔 冷冲挤压加工的成形模具, 在标准件行业用量很大。 但目前国内生产的内六角螺丝 冲头, 特别是不锈钢螺栓用 冲头, 与国外相比, 其使用寿命普遍较低。国外冲头常 采用TiN涂层, 其寿命得到进一步提高。因此, 国内大 多数标准件生产厂家对于该类模具仍较多地依赖进 口。为了提高内六角螺丝 冲头的使用寿命, 达到国外同类 冲头的水平, 本文在冲头服役条件及失效分析的基础 上, 对模具材料的合理选用、强韧化工艺及QPQ表面 处理工艺进行了详细研究, 获得了较好的效果。
1 内六角螺丝 冲头的服役条件及失效形式 内六角螺丝 冲头在整个工作过程中的受力状况是大压 小拉的交变应力和附加弯曲应力的叠加。此外, 冲头 杆部还需承受回弹应力波的作用, 它的刃带部分与流 动金属之间存在强烈的摩擦, 工作部位温度可达 400e ~500e , 甚至更高; 冲头肩部需承受很高的接触 压应力和摩擦力。在此种受力情况下, 其主要失效形 式表现为刃口磨损、疲劳剥落、镦粗和折断等, 其中前 两者属正常失效, 后两者为不正常失效。因此, 要求冲 头(特别是M5以上规格)材料具有高硬度、高的压缩 屈服强度以及足够的韧性和红硬性。 2 内六角螺丝 冲头的选材及热处理
211 模具材料的选用及热处理工艺 模具材料的选用应根据模具的服役条件和主要失 效形式, 以保证模具的使用性能和服役寿命, 同时还应 考虑模具的生产工艺及成本。国产内六角螺丝 冲头原采用 W6Mo5Cr4V2( 6542)钢, 该材料若处理硬度>65HRC, 则常常因韧性不足易折断; 若处理硬度63HRC, 则常 常因抗压强度低易镦粗, 且红硬性也略显不足。 W8Co3N(W8Mo3Cr4VCo3N) 钢是一种国产新型的超 硬高速钢, 在6542钢的基础上, 增加了钴和氮, 使钢的 强度、耐磨性、抗回火稳定性和红硬性都有明显提高, 同时又具有一定的韧性, 其性能和成分与SKH55、M42 相当。据文献[ 2] 介绍, 经淬火回火后硬度相同时, W8Co3N钢的抗弯强度和M42钢处于同一水平; 硬度 在66HRC~ 69HRC时, 两钢种的抗弯强度2bb都在 2000~2600MPa; W8Co3N钢冲击韧性略高于M42, 其 下限值与M42的上限值大致相同, 在68~ 69HRC时, W8Co3N钢的?k值为15~20J/cm2
, 而M42则为10~15J/cm2 。两种钢最佳的二次硬化状态分别为540e (W8Co3N)和520e (M42)。W8Co3N钢抗回火软化 能力明显高于M42钢。因此, 本文选用抗压性、耐磨 性、红硬性及强韧性匹配较好的超硬高速钢W8Co3N 作为试验材料, 其主要化学成分见表1, 以6542钢作 为对比, 两种材料热处理工艺为: 1200e ~ 1220e, ( 540~560) e @1h回火3次。处理后W8Co3N钢硬 度为64HRC~ 67HRC, 6542钢硬度为64HRC~ 66HRC。
212 模具材料的显微组织 W8Co3N和6542两种模具材料的碳化物级别分 别为1级和3级, 经试验处理后的晶粒度分别为1015 级和11级, 显微组织见图1( 4%硝酸酒精腐蚀)。由 图1可见, 两种模具钢组织均为回火马氏体加碳化物, 碳化物颗粒细小, 无尖角状, 有少量偏析, 相比较而言 6542钢的碳化物偏析较大。213 内六角螺丝 冲头的使用寿命 经试验工艺处理后的内六角螺丝 冲头在生产现场进行 使用寿命考核,被加工材料为304HC, 结果见表2。由表 2可见, 对于M4规格的冲头, 6542钢尚能应用于生产, 大于M4规格的冲头则不能满足生产的需要。而 W8Co3N钢可以满足M4~M16规格的性能要求。
311 QPQ表面处理工艺 QPQ工艺指碳氮共渗+一次氧化+抛光+二次 氧化, 零件的表层组织为碳氮共渗层+Fe3O4 层。经 QPQ工艺处理后的零件具有良好的耐磨与防腐特性。 由于该工艺在处理中间过程有一道抛光工序, 再加上 膜层本身特性, 使得零件表层具有较低的摩擦系数, 因 此, 具有较好的减磨特性。将QPQ工艺应用于内六角螺丝 冲头, 主要是利用表层组织的耐磨和减磨特性。QPQ 工艺常规处理温度为580e ,内六角螺丝 但对于承受高冲击载荷 的内六角螺丝 冲头, 必须降低加热温度。这是因为模具基 体的回火温度为550e , 降低加热温度可保证不降低 基体硬度及红硬性, 使得基体能够支撑高硬度的表面 复合渗层; 也可降低氧、碳、氮元素的渗入速度, 减少或 消除白亮层组织, 降低渗层脆性, 提高渗层与基体的结 合力; 另外可提高表面渗层的致密性, 增加硬度和耐磨 性。处理过程中应控制盐浴的活性, 降低渗速。过高 的渗速, 使得表面渗层孔洞增加, 与基体的结合强度下 降。本文通过控制盐浴氰酸根的含量来调整盐浴成 分。在此基础上, 对W8Co3N钢制冲头进行了QPQ表 降。本文通过控制盐浴氰酸根的含量来调整盐浴成 分。在此基础上, 对W8Co3N钢制冲头进行了QPQ表 正式投入批量生产, 产品应用于国内许多标准件生产 厂家, 该产品具有精度高, 使用寿命与同类台湾省的模 具水平相当, 并具有性能稳定、可修复使用及生产成本 低等优点。
5 结论 ( 1) W8Co3N钢经过淬火和回火处理后, 能满足 生产M4~M12不锈钢螺栓用的内六角螺丝 冲头的使用性 能要求。
( 2) 选用W8Co3N钢制作的内六角螺丝 冲头, 经QPQ 工艺处理后的使用寿命与SKH55钢制造的同类涂氮 化钛冲头的水平相当, 而价格明显降低。