陶瓷模具研究进展 许崇海 (山东轻工业学院机械工程学院济南250100) 摘要：新型陶瓷模具的研制、开发与应用是当前模具研究领域的重要内容。本文主要综述了在拉拔、 挤压、冲裁等各类模具中应用的陶瓷材料如金属陶瓷、ZTA、TZP、TZP／A1203、PSZ、Si3N4、Sialon等的 组分、力学性能和使用性能等方面的研究现状，探讨了陶瓷模具研究与应用中存在的问题，展望了陶瓷模 具的应用前景，提出模具材料的纳米复合和梯度功能复合、表面陶瓷化改性、模具结构的优化设计以及模 具可靠性研究等将是提高陶瓷模具力学性能和使用性能的有效措施。 关键词：陶瓷；模具；力学性能；使用性能 1、引言 模具是现代工业中不可缺少的重要装备。目前，模具材料主要是各种模具钢，其次是硬质合金n1。模 具钢强度虽高，但硬度低，耐磨性能较差，因而模具的使用寿命较低。八十年代以来，硬质合金以其良好 的力学性能和耐磨性能在模具材料方面得到了广泛的应用，使得模具寿命大大提高。但是随着生产的飞速 发展，硬质合金的高温强度和耐磨性已经落后于实际生产的需要。因此，新一代具有室温和高温强度高、 韧性好、耐磨性能优异的模具材料的研制与开发已迫在眉睫。 应该看到，陶瓷模具的研究在国外已有较大发展，在日本、美国、法国等国家已有多项专利【2’3】，而 国内相关方面的研究正处于起步阶段。虽然已经作了一些理论和应用方面的研究工作【5’6】，但结果并不尽 如人意。实际上，由于陶瓷材料具有高硬度、耐高温、不粘模等特点，其耐磨性比高速钢和硬质合金好， 可以作为模具材料使用。但陶瓷是脆性材料，断裂韧性低，几乎不能承受拉应力，因而在模具设计、制造、 使用中要充分注意陶瓷的性能特点：以提高陶瓷模具的可靠性和稳定性。陶瓷模具在种类、性能以及应用 范围等多方面均需要进一步的加强和深化。为此，本文全面综述了几种主要陶瓷模具的研究与应用现状， 并展望了陶瓷模具的应用前景。 2、陶瓷模具的研究现状 2．1拉拔模 螺旋拉拔模材料需要良好的综合性能，要有高的强度、硬度、耐磨性、韧性和耐热性。考虑到陶瓷材 料的难加工性，材料还应具备良好的电加工性。孙康宁等[4】设计出一种牌号为MC5的金属陶瓷材料，该材 料以A1 203为耐磨相，WC为硬质相，以co为粘结相，添加TaC、VC、MgO组成的金属陶瓷，其抗弯强 度为1420．1540MPa，断裂韧性11．4．12．13MPam¨2，硬度92．92．4HRA。MC5材料是一种综合性能良好的金 属陶瓷材料，也是首次专门为螺旋钢丝冷拔模设计的材料。耐磨性能试验采用现场对比试验，将该材料与 硬质合金YG8做成同样尺寸规格的模具，在拔丝机上进行拉拔试验，然后在相同时间内比较磨损量大小， 试验结果见表1。可见，其耐磨性能是YG8硬质合金模具的10倍一J。 采用3Y—TzP．A1203陶瓷材料，也成功地开发出TZP陶瓷拉拔模【5】。采用共沉淀法制得粉末，经冷压成 型法双向压制，1450℃烧结，保温4h。该材料具有较高的强度、硬度和韧性，尤其是其断裂韧性Kxc超过 10MPam“2，这主要是由于Zr02增韧机制的作用。A1203作为第二相颗粒用以增加基体的硬度和烧结性能， 可显著提高其室温和高温力学性能，并提高其抗低温时效老化能力，使其抗弯强度达到1450～1490MPa， 显微硬度达到15～16．5GPa，性能指标完全达到拉拔模的要求。通过现场拉丝线材试验表明睁J，在拉制线陶瓷拉拔模寿命为YG8硬质合金拉拔模的4倍以上，‘能连续 拉拔26h。 ’ 拉丝模用于拉制各种黑色、有色金属丝材。通常应用的是硬质合金拉丝模，由于硬质合金拉丝模在拉 丝过程中容易与金属丝材引起粘附作用，影响金属丝材表面性能，尤其是拉制有色的硬质丝材如w、Mo 丝时，在高温状况下操作，影响更甚，且影响拉丝模的寿命。为此，合肥工业大学陶瓷研究组研制了一种 ZTA陶瓷拉丝模设法替代硬质合金拉丝模【6】，它具有耐磨、耐温及耐腐蚀的特点。其制备工艺为采用化学 液相法制备Y—ZTA超细复合粉，经热压烧结制得Y．ZTA陶瓷，其断裂韧性和抗弯强度分别达到约7．2MPamu2 和740MPa。实验表明：拉制w、Cu丝时，ZTA陶瓷拉丝模寿命优于硬质合金拉丝模，约为后者的1．3～2．5 倍(表2)；丝材表面质量提高，而且拉制软丝材比拉制硬丝材更能充分发挥其高硬度、高耐磨性的优点。 表1陶瓷模具材料的性能对比‘4】 根据拉丝模的工况条件，杨刚等采用共沉淀法制得了3Y一8Ce—TZP陶瓷粉末。然后将压制成型的样品置 于硅钼棒箱式加热炉中，在大气气氛下常压烧结，所制得的拉丝模模具材料的断裂韧性、抗弯强度和硬度 分别为10MPam“2、1335MPa和15GPanJ。拉拔试验的结果表明：在拉拔H08JMn2SiA焊丝，拉拔速度为3．5～ 4．5m／s时，TZP拉丝模的平均连续拉拔时间可以达到22．2h，因而其平均寿命为YG8硬质合金拉丝模的3．05 倍。在拉制纯铜时，其拉拔速度可达到12m／s及15m／s，大于拉制H08JMn2SiA的速度。这一方面是因为铜 线较软，另一方面是因为拉制铜线的拉丝模经过了镶套处理的缘故，其寿命也大于或等于YG8拉丝模的3 倍。 si3N4陶瓷尤其是反应烧结si3N4陶瓷，具有良好的机械性能、耐磨性能、耐热冲击性和化学稳定性， 而且可以非常方便地制成形状复杂的零件。因此，Si3N4陶瓷材料可以作为一种有潜力的模具材料。梁金生 等瞄’将100目硅粉在YA．100液压机上模压成型后，在300MPa压力下等静压压实。粗加工后，在50kW电 炉中1450℃x50h常压氮气下烧结，所得到的陶瓷模具材料的抗弯强度和硬度分别为200MPa和82—87，摩 擦系数0．05，热膨胀系数(2．5．3．0)x10一／C。 此外，从90年代开始，对用于等温拉丝模具的常压烧结Zr02和HIP—Si3N4陶瓷19J、拉丝模用A1203和 SiC陶瓷【9．z】等也进行过可行性研究，材料的力学性能基本都能满足模具的要求。 2．2挤压模 钢材、铝材的热挤压成形是目前金属型材加工行业中最常见的生产方法。而热挤压模且是这一成型工 艺设备中的关键零部件，对产品的质量和生产效率起着决定性的作用。目前，一般用3Cr2W8V热作模具 钢，小规格模具亦用YG8硬质合金。由于3Cr2W8V合金钢模具硬度相对偏低(52—54HRC)，在较高的热挤 压温度下会发生软化现象，耐磨性明显下降，使用寿命低，产品表面质量差，成为制约生产的重要因素。 考虑到模具在加工、使用过程中对韧性有较高要求，刘军等11叫选用(Ce—TZP)一A1203复相陶瓷制作热挤 压模具。为了提高材料的耐磨性，在Zr02基体中复合一定量的高硬度A1203颗粒，可显著提高材料的硬度， 并改善其力学性能。材料性能指标为抗弯强度892MPa，断裂韧性14．3MPam“2，维氏硬度10．9GPa，允许 工作温度650。C。 在日产UBEl250UST管棒材挤压机上，用(Ce—TZP)．A1203陶瓷热挤压模具与3Cr2W8V合金钢模具进行 钢材热挤压的生产对比试验，挤压材料为HPb59—1(黄铜)。试验表明，(Ce—TZP)．A1203陶瓷模具的使用寿命 是3Cr2W8V合金钢模具的3．4倍【l们，并且改善了黄铜制品的表观质量(表3)。首先，在工作温度下，陶瓷 模具保持了足够的硬度，与塑性流变状态下的铜相互作用时，工作面有足够的抗刻伤能力；其次，由于陶 瓷与铜之间的亲和力比钢与铜之间的低得多，使粘着倾向大大降低，减小了工作时的摩擦力，合金钢模具 使用时由于软化及粘着产生的定径区堆堵失效现象也不再出现。这就便铜棒表面质量提高，产品尺寸更稳 定。 表3两种热挤压模具的生产应用结果㈣ PSZ陶瓷是一种很有潜力的热挤压模具材料之一【111。采用共沉淀法生产PSZ超细粉体，采用预压造粒、 压制成品、常压烧结、磨削加工、热镶套工艺制备相应的热挤压模具，其断裂韧性、抗弯强度和硬度分别 为10—14MPam“‘、650—850MPa和大于90HRA【l引。在日产UBEl250UST管棒材挤压机上，用PSZ陶瓷热 挤压模具进行HPb59—1(黄铜)热挤压的生产试验。结果发现，采用普通合金模具，使用寿命短，易出现定 径区拉毛和尺寸超差失效。如进行加工后再用，易使产品质量不稳定。在相同服役条件下，PSZ模具拉出 的产品表面光洁，定径区无拉痕，尺寸变化小(O．Olmm)[121 o由于陶瓷一金属摩擦系数小，高温强度高， 不仅挤出速度快，而且可减少直至不用润滑剂，并可以防止堵塞。 由于热挤压模的工作温度较高(根据挤压材料的不同约在600．1200℃之间)，并要承受很高的拉应力， 所以还可选择具有优良高温力学性能的B’．Sialon陶瓷制备热挤压模n31。其典型的组成为：75．88％Si3N4， 4-6％A1N，6．10％Y203及少量A1203和La20j。采用模压成型、冷等静压、无压烧结的方法制备模具材料， 其断裂韧性和抗弯强度分别达到9．55MPam¨2和682MPa，1000℃时的抗弯强度更是达到814 MPa，该材料 具有很好的高温性能和抗热震性能。 金属热挤压模在使用时多因耐热磨损性能不足而失效。为了研究陶瓷材料在高温下的耐磨性，用销一 盘式摩擦副在MG．200型高温高速磨损试验机上进行热磨损试验。当试验温度从400℃提高到800℃时， B’一Sialon陶瓷摩擦磨损性能显著改善，表现为磨损因子、磨损速率及摩擦系数均显著降低。结合考虑这种 材料优良的抗热震性能，可以认为， 该陶瓷适合应用于较高温度的耐磨场合，而且在高温下，其耐磨性 比3Cr2W8V钢高得多【l31。因此，虽然其常温强度和断裂韧性均低于Ce．TZP陶瓷，但由于B’．SiMon陶瓷热 挤压模的高温性能更好，工作温度更高，而在较高的温度下铜材的塑性增大，挤压力减小，改善了模具的 受力状态。对于Ce．TZP陶瓷挤压模来说，由于在Zr02相变温度以上材料的强韧性会大幅度降低，且摩擦应 力会加速相变的进行，故使用温度不宜太高。而挤压温度的降低使挤压力增大，这是造成Zr02陶瓷挤压模 寿命
2、成为VIP后，下载本文档将扣除1次下载权益。下载后，不支持退款、换文档。如有疑问请联系我们。
3、成为VIP后，您将拥有八大权益，权益包括：VIP文档下载权益、阅读免打扰、文档格式转换、高级专利检索、专属身份标志、高级客服、多端互通、版权登记。
4、VIP文档为合作方或网友上传，每下载1次， 网站将根据用户上传文档的质量评分、类型等，对文档贡献者给予高额补贴、流量扶持。如果你也想贡献VIP文档。上传文档
除尘技术全面自主创新的典范——全功能静电帘式高效除尘机的设计和研制.pdf
DB13T 1844-2013 绿色食品（A级）薄皮甜瓜生产技术规程.docx
原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者
