Si3N4 陶瓷材料在精密塑性成形模具中的应用

罗永欣，姚春荣

（南通中集罐式储运设备制造有限公司，江苏 南通 226300）

0 引言

精密塑性成形工艺以其节能、节材、减少机加工工时和成本低、效率高等优点成为工业发达国家汽车零件生产的重要方法之一。但是由于精密塑性成形模具材料的限制，在成形过程中往往易造成模具的损坏［1］，这不但在一定程度上提高了精锻件的成本，也使得一些需要成形力较大的复杂零件难于成形。目前，国外发展了多种冷、温精密塑性成形用钢，如LXR33就是日本广泛采用的温锻模具用钢［2］，该温锻模具钢具有较好的力学性能，是目前应用性能最好的温锻模具钢。尽管如此，还是远远不能满足精锻件生产的需要。

陶瓷材料是目前研究较为广泛且性能优良的材料之一，具有广泛的应用前景。其中Si3N4陶瓷由于具有高温强度高、耐磨性和耐蚀性好等优异的高温力学性能，是发展较为迅速的高温结构材料［3］，如果将其应用于精密塑性成形模具的关键零件设计与制造，必将大大提高精密塑性成形时的模具寿命，使模具能在较高的温度和较大的载荷下工作，从而使诸如爪极和转向节等形状复杂的枝杈类零件的温挤成形工艺变得简单易行。

1 陶瓷材料应用的可行性分析

目前Si3N4陶瓷材料还仅能应用于一些简单的冲压零件的成形模具［4］。对于形状较为复杂的零件成形模具的应用还存在着诸多困难，其主要是由于复杂零件的成形模具的形状复杂，并且目前陶瓷材料的发展还存在不足之处的缘故。其中，对Si3N4陶瓷材料的增韧补强技术［5，6］的发展还不够完善是一个主要原因，另外一个重要原因就是对于陶瓷材料的加工方法［7－9］目前还是很有限的，这些都限制了陶瓷材料的应用。

随着纳米技术的高速发展，纳米陶瓷已经得到了广泛的重视［10］。纳米陶瓷具有较为优良的力学性能，尤其是它具有超塑性，这说明陶瓷材料也能采用传统的塑性成形方法成形，这就使得将陶瓷材料应用于精密塑性成形模具设计成为可能。在诸多的陶瓷材料中，由于Si3N4优良的特性而倍受瞩目。Si3N4陶瓷材料超塑性研究的进展情况［11，12］见表1。

表1 Si3N4 陶瓷材料超塑性研究进展

2 应用设想

目前精密塑性成形多采用一火多序或多火多序等工艺。以汽车发电机上的爪极零件来说，其成形流程如图1所示，是一火六序成形工艺［13］，它不但降低了劳动生产率，而且要想组织连续生产，需要占用大量的设备。如果采用Si3N4陶瓷—钢铁组合模具，由于Si3N4陶瓷材料的优良的抗高温性能和陶瓷材料较好的保温性能，可保持成形毛坯的温度，提高其流动性。同时，又由于陶瓷材料在高温下仍具有较高的弹性模量和较低的线膨胀系数，因此，模具设计时可忽略凹模的热胀冷缩和弹性变形，即将模具的修正量计算公式［14］（1）中kt与kE均近似为0，从而无需对模具尺寸进行修正，降低了模具设计的复杂程度，提高了成形零件的尺寸精度。综合以上两点就可以实现一火两序、甚至一火一序成形。

其中：Δ 为模具的修正量；ΔT为模具的温度修正量；ΔE为模具的弹性修正量；kt为温度修正系数；T1为零件终成形温度；T2为模具终成形温度；β1 为零件材料线膨胀系数；β2 为模具材料线膨胀系数；kE为弹性修正系数；σs1为齿轮材料在成形温度下的屈服应力；E1为齿轮材料的弹性模量；σs2为模具材料在成形温度下的屈服应力；E2为模具材料的弹性模量。

图1 爪极零件一火六序成形方案

3 结论

将Si3N4陶瓷材料应用于精密塑性成形模具的关键零件的设计与制造过程是完全可能的，也是非常现实的，对我国的汽车工业具有重要的意义。这将有效地解决温精密塑性成形过程中的模具材料问题，从而实现复杂枝杈类零件的一火少序或一火一序成形工艺。

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