模具耐磨材料的分析与研究

模具耐磨材料的分析与研究

张珊珊1，张跃飞1，胡成川2

1、浙江工贸职业技术学院，温州，325000；2、联合汽车电子有限公司，上海，200135

摘 要:随着经济全球化，工业的快速发展，航空制造业与汽车制造业也因工业互联网飞速发展，作为其重要的零部件模具制造业技术也日新月异。其模具材料使用要求与性能也需要不断提升与改进，本文采用自耗电极直流电弧原位冶金制备铁基碳化钨耐磨，硬质合金。从而提高模具材料的性能与使用寿命，提高冲压件的质量，降低模具制造成本。实验中采用不同电极接法，对碳化钨硬质合金的制备工艺进行优化。

关键词: 模具材料；碳化钨；原位冶金，耐磨

中图分类号:文献标识码:

第*期张珊珊, 等: 模具耐磨材料研究与分析1

全球化经济的快速发展，国内交通快速发展，汽车产量每年至少上万辆，而汽车、农机中冲压件占75%-80%，电子产品中冲压件占80%-85%，轻工产品中冲压件占90%以上，航空中更多[1]。冲压模具主要的工作零件为凸模与凹模，其因冲压工序要求，其单边间隙比较小，凸、凹模耐磨性是影响模具寿命的关键因素之一。传统模具材料主要采用碳素工具钢，例如T10A等材料，根据图一所示，如果想提高模具的耐磨性，需要添加耐磨元素，如M，Cr，W等元素。

图1模具材料示意图

硬质合金由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。随着冶金工业的发展，碳化钨硬质合金由于组织微细、WC与粘结相的结合强度大，使其同时兼有高韧性、高强度、高硬度而被誉为“三高合金”，其硬度比同种成分的普通合金高1.5-2HRA，室温抗弯强度高600-1500MPa，高温硬度也比普通的WC-Co合金要好。硬质合金的质量不仅取决于原料质量(纯度、粒度和粒度分布)，同时也取决于成型/烧结工艺和设备。硬质合金的烧结是最后一道工序，也是决定硬质合金质量好坏的关键工序，其工艺和设备选择是否恰当，对烧结产品的质量有着决定性的影响。[2-6]。

本试验采用直流电流的原位冶金制备工艺，既简单、省时又可充分利用原料。制备出高硬度，高耐磨性碳化钨硬质合金。

1实验过程与方法

实验采用粉末体系：钨粉+碳粉。采用Cr18Ni9Ti不锈钢无缝管作为冶金自耗电极焊管材料，焊管外径为Ф10 mm，壁厚1 mm，长度150 mm。自耗电极的制备过程为：

（1）、用金属清洗剂清洗不锈钢管，彻底清除油脂，再用清水冲洗干净，热风吹干。

（2）、将钨粉与石墨粉按摩尔分数比C：W＞1:1的配比与粘结剂和匀，填充到不锈钢管内并震实，在管中心贯穿一小孔，放置到通风干燥处晾干，再放入烘干箱内缓慢升温至300℃保温约1小时，随炉冷却至室温备用。

图2实验设备

1、控制系统 2、自耗电极 3、石墨 4、铁板 5、保温材料

在底部为石墨、上部为内径Ф20mm、深度40mm的耐火材料型腔内，把自耗电极夹持在一垂直升降机构上，与直流焊机的电极相联，坩埚底部的石墨接直流焊机的电极。熔炼时将自耗电极缓慢下降至坩埚底部接触引燃电弧，保持弧的一定长度匀速下降，高温电弧使自耗电极的下端不断熔化并加热下方的熔池，钨粉与石墨粉在高温熔池中混合扩散反应。采用自耗电极直流电弧设备，设置电流为1000A，钢管接负，铁板接正方式制备试样。

2 实验结果与分析

图3为试样侧面的高倍数扫描电镜图像，在此图像既可以看到三角形组织（d）又可以看到矩形组织（c）。a相为铁基相，b是没有规则的组织。

在图4可以明显观察到组织b含有大量的Fe、W元素，根据图5可以确定该相为Fe3W3C、铁基相为Fe3C三角形典型的碳化钨。同时采用硬度测试仪器测出硬质相平均显微硬度为2100HV0.2，最高显微硬度可高达3400HV0.2。

图4试样组织（图3）的能谱图

通过X射线谱和电子探针分析得知，WpC颗粒形状为规则的三角形和矩形，明显区别于加入的原始颗粒形状，说明这些颗粒是从熔池中反应析出的产物。析出的组织形态和大小取决于W、C元素局部性的溶解富集以及熔池的保持高温时间等因素。WPC颗粒以一种空间三棱柱的几何形状原位生长出来，近似于一种规则的多面体结构，所观察到的三角形是三棱柱的底面，矩形是侧面。这也证明了WPC颗粒是从溶解进熔池中的W和C反应生成。

图5试样组织X射线谱

3结论

本文验证采用钢管接电源负极、铁板接电源正极工艺制备的硬质合金性能比较高。试样没有发现明显的裂纹和气孔，特别是下部含碳化钨多，组织致密。试样最高显微硬度可高达3442HV0.2，试样的平均显微硬度比较高。

第*期张珊珊, 等: 模具耐磨材料研究与分析1

图3试样高倍数扫描电镜图像

参考文献:

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