內六角螺絲沖頭是一種用于六角螺栓頭部內六角螺絲 盲孔 冷沖擠壓加工的成形模具, 在標準件行業用量很大。 但目前國內生產的內六角螺絲 沖頭, 特別是不銹鋼螺栓用 沖頭, 與國外相比, 其使用壽命普遍較低。國外沖頭常 采用TiN涂層, 其壽命得到進一步提高。因此, 國內大 多數標準件生產廠家對于該類模具仍較多地依賴進 口。為了提高內六角螺絲 沖頭的使用壽命, 達到國外同類 沖頭的水平, 本文在沖頭服役條件及失效分析的基礎 上, 對模具材料的合理選用、強韌化工藝及QPQ表面 處理工藝進行了詳細研究, 獲得了較好的效果。
1 內六角螺絲 沖頭的服役條件及失效形式 內六角螺絲 沖頭在整個工作過程中的受力狀況是大壓 小拉的交變應力和附加彎曲應力的疊加。此外, 沖頭 桿部還需承受回彈應力波的作用, 它的刃帶部分與流 動金屬之間存在強烈的摩擦, 工作部位溫度可達 400e ~500e , 甚至更高; 沖頭肩部需承受很高的接觸 壓應力和摩擦力。在此種受力情況下, 其主要失效形 式表現為刃口磨損、疲勞剝落、鐓粗和折斷等, 其中前 兩者屬正常失效, 后兩者為不正常失效。因此, 要求沖 頭(特別是M5以上規格)材料具有高硬度、高的壓縮 屈服強度以及足夠的韌性和紅硬性。 2 內六角螺絲 沖頭的選材及熱處理
211 模具材料的選用及熱處理工藝 模具材料的選用應根據模具的服役條件和主要失 效形式, 以保證模具的使用性能和服役壽命, 同時還應 考慮模具的生產工藝及成本。國產內六角螺絲 沖頭原采用 W6Mo5Cr4V2( 6542)鋼, 該材料若處理硬度>65HRC, 則常常因韌性不足易折斷; 若處理硬度63HRC, 則常 常因抗壓強度低易鐓粗, 且紅硬性也略顯不足。 W8Co3N(W8Mo3Cr4VCo3N) 鋼是一種國產新型的超 硬高速鋼, 在6542鋼的基礎上, 增加了鈷和氮, 使鋼的 強度、耐磨性、抗回火穩定性和紅硬性都有明顯提高, 同時又具有一定的韌性, 其性能和成分與SKH55、M42 相當。據文獻[ 2] 介紹, 經淬火回火后硬度相同時, W8Co3N鋼的抗彎強度和M42鋼處于同一水平; 硬度 在66HRC~ 69HRC時, 兩鋼種的抗彎強度2bb都在 2000~2600MPa; W8Co3N鋼沖擊韌性略高于M42, 其 下限值與M42的上限值大致相同, 在68~ 69HRC時, W8Co3N鋼的?k值為15~20J/cm2
, 而M42則為10~15J/cm2 。兩種鋼最佳的二次硬化狀態分別為540e (W8Co3N)和520e (M42)。W8Co3N鋼抗回火軟化 能力明顯高于M42鋼。因此, 本文選用抗壓性、耐磨 性、紅硬性及強韌性匹配較好的超硬高速鋼W8Co3N 作為試驗材料, 其主要化學成分見表1, 以6542鋼作 為對比, 兩種材料熱處理工藝為: 1200e ~ 1220e, ( 540~560) e @1h回火3次。處理后W8Co3N鋼硬 度為64HRC~ 67HRC, 6542鋼硬度為64HRC~ 66HRC。
212 模具材料的顯微組織 W8Co3N和6542兩種模具材料的碳化物級別分 別為1級和3級, 經試驗處理后的晶粒度分別為1015 級和11級, 顯微組織見圖1( 4%硝酸酒精腐蝕)。由 圖1可見, 兩種模具鋼組織均為回火馬氏體加碳化物, 碳化物顆粒細小, 無尖角狀, 有少量偏析, 相比較而言 6542鋼的碳化物偏析較大。213 內六角螺絲 沖頭的使用壽命 經試驗工藝處理后的內六角螺絲 沖頭在生產現場進行 使用壽命考核,被加工材料為304HC, 結果見表2。由表 2可見, 對于M4規格的沖頭, 6542鋼尚能應用于生產, 大于M4規格的沖頭則不能滿足生產的需要。而 W8Co3N鋼可以滿足M4~M16規格的性能要求。
311 QPQ表面處理工藝 QPQ工藝指碳氮共滲+一次氧化+拋光+二次 氧化, 零件的表層組織為碳氮共滲層+Fe3O4 層。經 QPQ工藝處理后的零件具有良好的耐磨與防腐特性。 由于該工藝在處理中間過程有一道拋光工序, 再加上 膜層本身特性, 使得零件表層具有較低的摩擦系數, 因 此, 具有較好的減磨特性。將QPQ工藝應用于內六角螺絲 沖頭, 主要是利用表層組織的耐磨和減磨特性。QPQ 工藝常規處理溫度為580e ,
內六角螺絲 但對于承受高沖擊載荷 的內六角螺絲 沖頭, 必須降低加熱溫度。這是因為模具基 體的回火溫度為550e , 降低加熱溫度可保證不降低 基體硬度及紅硬性, 使得基體能夠支撐高硬度的表面 復合滲層; 也可降低氧、碳、氮元素的滲入速度, 減少或 消除白亮層組織, 降低滲層脆性, 提高滲層與基體的結 合力; 另外可提高表面滲層的致密性, 增加硬度和耐磨 性。處理過程中應控制鹽浴的活性, 降低滲速。過高 的滲速, 使得表面滲層孔洞增加, 與基體的結合強度下 降。本文通過控制鹽浴氰酸根的含量來調整鹽浴成 分。在此基礎上, 對W8Co3N鋼制沖頭進行了QPQ表 降。本文通過控制鹽浴氰酸根的含量來調整鹽浴成 分。在此基礎上, 對W8Co3N鋼制沖頭進行了QPQ表 正式投入批量生產, 產品應用于國內許多標準件生產 廠家, 該產品具有精度高, 使用壽命與同類臺灣省的模 具水平相當, 并具有性能穩定、可修復使用及生產成本 低等優點。
5 結論 ( 1) W8Co3N鋼經過淬火和回火處理后, 能滿足 生產M4~M12不銹鋼螺栓用的內六角螺絲 沖頭的使用性 能要求。
( 2) 選用W8Co3N鋼制作的內六角螺絲 沖頭, 經QPQ 工藝處理后的使用壽命與SKH55鋼制造的同類涂氮 化鈦沖頭的水平相當, 而價格明顯降低。
