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表面工程技術(shù)在模具制造和修復(fù)中的應(yīng)用

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2014-08-05 09:52:27點擊率：

　　表面強化技術(shù)不僅能夠提高模具表面耐磨性及其它性能，而且能夠使模具內(nèi)部保持足夠的強韌性，這對于改善模具的綜合性能、節(jié)約合金元素、大幅度降低成本、充分發(fā)揮材料的潛力以及更好地利用模具新材料都是十分有效的。實踐證明，表面強化處理是提高工模具質(zhì)量和延長模具使用壽命的重要途徑。

　　模具表面強化處理按其原理可分為化學(xué)熱處理、表面涂覆處理和表面加工強化處理。模具表面強化處理的方法多種多樣，不僅包括傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)(如感應(yīng)淬火、火焰淬火等)、熱擴滲技術(shù)(如滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等)、熱噴涂技術(shù)、堆焊技術(shù)和電鍍硬鉻技術(shù)外，還有近20年來迅速發(fā)展起來的激光表面強化技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)(PVD)、化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)、離子注入技術(shù)等。由于激光和電子束等新能源的能量集中、加熱迅速、加熱層薄、自激冷卻、變形很小、無需淬火介質(zhì)、有利于環(huán)境保護、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因而在金屬材料特別是模具材料表面強化方面的應(yīng)用越來越廣。

　　表面工程技術(shù)應(yīng)用于模具表面，可達到如下目的。

　　(1)提高模具表面硬度、耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性能，大幅度提高模具的使用壽命;

　　(2)提高模具表面抗擦傷能力和脫模能力，提高生產(chǎn)率;

　　(3)采用碳素工具鋼或合金鋼，經(jīng)表面涂層或合金化處理后，可達到甚至超過高合金化模具材料甚至硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)，不僅可以大幅度降低材料成本，而且可以簡化模具制造加工工藝和熱處理工藝，降低生產(chǎn)成本。

　　(4)可用于模具的修復(fù)。尤其是電刷鍍技術(shù)可在不拆卸模具的前提下完成對模具的修復(fù)，且能保證修復(fù)后的工作面仍有足夠的粗糙度，因而倍受工程技術(shù)人員的重視。

　　(5)可用于模具表面的紋飾，以提高其塑料制品的檔次和附加值。

　　1表面強化技術(shù)在模具制造和修復(fù)中的應(yīng)用

　　(1)表面形變強化技術(shù)。

　　表面形變強化可以使模具表面產(chǎn)生冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除電火花加工而產(chǎn)生的表面變質(zhì)層，提高模具的疲勞強度，抗沖擊磨損性能，從而達到提高模具使用壽命的目的。主要適用于落料模、冷沖模、冷鐓模和熱鍛模等以疲勞失效形式主的模具。模具經(jīng)噴丸強化后使用使命的提高見表1。

　　表1噴丸對模具壽命的影響[1]

　　模具名稱模具材料噴丸介質(zhì)

　　Φ/mm一次刃磨使用壽命/萬次

　　噴丸前噴丸后

　　電動機定、轉(zhuǎn)子模Cr120.5鑄鋼丸1.2~3.211.49

　　定子單槽沖模Cr120.25~0.35玻璃丸5270

　　一字槽光沖模60Si2Mn0.25~0.35玻璃丸0.96~1.352.0~2.3

　　活扳手熱精壓模3Cr2W8V0.5鑄鋼丸0.1750.263

　　0.25~0.35玻璃丸0.3880.517

　　(2)表面熱擴滲技術(shù)。

　　用加熱擴散的方式使欲滲金屬或非金屬元素滲入模具的表面，形成表面合金層，從而提高模具表面的耐磨性、耐腐蝕性以及疲勞強度等性能。其突出特點是擴滲層與基材之間是靠形成合金來結(jié)合的(即所謂冶金結(jié)合)，具有很高的結(jié)合強度，這是其它涂層方法如電鍍、噴鍍或化學(xué)鍍、甚至物理氣相沉積技術(shù)所無法比擬的。熱擴滲技術(shù)又稱為熱滲鍍技術(shù)或化學(xué)熱處理技術(shù)[2-3]。用于熱擴滲的元素很多，常用的滲入元素有碳、氮、硅、硼、鋁、釩、鈦、鎢和硫等，二元乃至多元共滲工藝以及稀土多元共滲工藝正在模具表面強化或改性中發(fā)揮著越來越大的作用。稀土元素的加入對改善鋼的表層組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)及機械性能都有極大影響。稀土元素具有提高滲速(滲速可提高25%～30%，處理時間可縮短1/3以上)、強化表面(稀土元素具有微合金化作用，能改善表層組織結(jié)構(gòu)，強化模具表面)、凈化表面(稀土元素與鋼中P、S、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點有害雜質(zhì)發(fā)生作用，形成高熔點化合物，同時抑制這些雜質(zhì)元素在晶界上的偏聚，降低滲層脆性等多種功能。例如，3Cr2W8V鋼制鋁合金壓鑄模經(jīng)900oC×4h稀土硼鋁共滲后，深層厚度30～40μm，硬度1800～2000HV，與基體結(jié)合良好，脆性低;滲層主要由FeAlB和(FeAl)2B相組成，其抗高溫氧化性能、耐磨性能均優(yōu)于離子氮化和固體滲硼。生產(chǎn)試驗結(jié)果表明，該工藝生產(chǎn)周期短，氧化脫碳容易控制，零件變形小，表面光潔度高，使用壽命成倍增長[2]。

　　(3)堆焊技術(shù)。

　　堆焊技術(shù)主要用于制造雙金屬模具和損壞模具的修復(fù)。在碳素鋼或鑄鋼基體的表面上，堆焊一層具有特殊性能的表面層，使其達到耐磨、耐熱或耐腐蝕的目的，可以節(jié)省大量的貴重金屬，提高材料的使用壽命，具有很大的經(jīng)濟效益。一些經(jīng)常在特殊環(huán)境下工作的模具零件，其表面磨損很嚴重，有的甚至破碎或斷裂。采用堆焊工藝進行修復(fù)，不僅可以節(jié)省大量的貴重材料，而且堆焊修復(fù)模具的使用壽命與新制造模具壽命相當(dāng)，有的甚至比新模具的使用壽命還長。例如，選用文獻[3]研制的新型冷沖模堆焊焊條，采用堆焊工藝在普通鑄鐵基體上進行了大型修邊模具的堆焊制造和損壞模具的堆焊修復(fù)，結(jié)果表明，采用新型冷沖模堆焊焊條在灰鐵毛坯上堆焊制造大型修邊模具工藝簡單，堆焊模具的使用壽命與工具鋼鑲塊模具的使用壽命相當(dāng)[4]。

　　(4)熱噴涂技術(shù)。

　　熱噴涂是將噴涂材料經(jīng)特定熱源加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化并噴射到工件表面，形成耐磨、耐腐蝕以及抗高溫等特殊性能涂層的一種表面加工方法。特別適合于大型模具以及嚴重磨損條件下工作的模具。熱作模具不僅在較高的溫度環(huán)境下工作，而且遭受磨損、擠壓、沖擊及冷熱疲勞作用，可以選用鈷基自熔合金以及陶瓷來提高耐熱磨損性能。例如，用工具鋼制作的高熔點金屬擠壓模，擠壓溫度在1320oC以上時只能進行一次作業(yè)，采用等離子噴涂0.5～1.0mm的氧化鋁涂層后，擠壓溫度可達1650oC，噴涂氧化鋯涂層，擠壓溫度可達2370oC，模具的使用壽命可延長5~10倍[5]。表2列出了模具表面熱噴焊工藝的部分實例。

　　表2模具表面熱噴涂強化應(yīng)用實例[6]

　　模具名稱原材料及處理工藝新用材料及噴焊工藝使用效果

　　基材處理工藝基材噴焊合金噴焊工藝

　　耐火磚模45鋼熱處理45鋼Ni55火焰二步法壽命提高9倍

　　玻璃模具鑄鐵熱處理鑄鐵Ni25火焰一步法壽命提高5倍

　　熱作模具3Cr2W8V熱處理45鋼鈷基合金等離子噴焊壽命提高2倍

　　冷沖模沖頭2Cr13熱處理Q235-AFeNi15火焰二步法壽命提高7倍

　　(5)電鍍及化學(xué)鍍技術(shù)。

　　作為模具表面強化技術(shù)，鍍鉻層，它具有耐磨、減摩、耐熱、耐腐蝕、摩擦系數(shù)低、防咬合等特點，改善模具表面性能，提高模具壽命功能。主要用于塑料模、橡膠模、玻璃模等型腔模的表面硬化。鍍硬鉻層既可以作為模具表面的耐磨層，也可以對舊模具進行修復(fù)。例如塑料膜型腔鍍硬鉻或通過鍍硬鉻進行修復(fù)后，不僅模具使用壽命延長，而且壓縮過程中有利于塑料流動充滿型腔，便于脫模，塑料件表面光亮。但電鍍層與鋼的結(jié)合強度有限，以及熱膨脹系數(shù)差異大等問題，不能用于經(jīng)受急冷急熱作用的熱作模。電刷鍍Co-N、Co-Mo鍍層，化學(xué)鍍Ni-P鍍層，Ni-SiC、Ni-B彌散鍍層等都在模具表面得到了應(yīng)用，提高了模具的使用壽命，多新的特點而被廣泛用于微電子和光電子工業(yè)，用于沉積多種功能膜層。目前正在耐磨、耐蝕、裝飾等領(lǐng)域開展應(yīng)用研究。

　　(6)電火花強化技術(shù)。

　　電火花表面強化技術(shù)是利用電火花放電時釋放的能量把作為火花放電電極的導(dǎo)電材料(如WC、TiC)熔滲進模具的表面，起到強化模具表面的作用。模具經(jīng)過電火花強化之后，為了得到所要求的精度，可進行適當(dāng)?shù)哪ハ骷庸?，但磨削后并不會影響強化層的硬度和耐磨?在保持表面層硬度的條件下)。磨削后在強化表面會殘留微孔，將顯著改善配合零件的潤滑條件，另一方面又可改善耐磨性能。使用壽命可延長數(shù)倍。

　　該方法較其他方法簡單，效果好，因而它在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。利用電火花裝置，可強化冷沖模、壓彎模、拉深模、擠壓模、壓鑄模和某些熱沖、熱鍛模具。一般經(jīng)強化的模具，可提高使用壽命0.5～2倍[7]。

　　(7)激光表面強化技術(shù)。

　　近幾年來，激光熱處理技術(shù)在汽車工業(yè)、工模具工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它改善金屬材料的耐蝕性，特別是在模具工業(yè)中，經(jīng)激光熱處理的模具的組織性能比常規(guī)熱處理有很大的改善。激光表面強化技術(shù)主要包括激光淬火、激光熔凝硬化、激光合金化、激光熔覆等。

　　1)激光表面淬火;

　　由于激光處理時的冷速極快，可使奧氏體晶粒內(nèi)部形成的亞結(jié)構(gòu)在冷卻時來不及回復(fù)及再結(jié)晶，從而可獲得超細的隱針馬氏體結(jié)構(gòu)，可顯著提高強韌性，延長模具使用壽命?，F(xiàn)用于激光淬火的模具材料有CrWMn、Cr12MoV、9CrSi、T10A、W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、GCr15等。這些鋼種經(jīng)激光淬火后，其組織性能均得到很大的改善。例如GCr15沖孔模，把其硬度由HRC58～62降至HRC45～50，并用激光進行強化處理，白亮層硬度為HV849，基體硬度為HV490，硬化層深度為0.37mm，模具使用壽命提高2倍以上[8]。又如CrWMn鋼加熱時易在奧氏體晶界上形成網(wǎng)狀的二次碳化物，顯著增加脆性，降低沖擊韌性，耐磨性也不能滿足要求。采用激光淬火可獲細馬氏體和彌散分布的碳化物顆粒，消除了網(wǎng)狀。在淬火回火態(tài)下激光淬火可獲得大硬化層深度及硬度HV1017[9]。Cr12MoV鋼激光淬火后的硬度、抗塑性變形和抗粘磨損能力均較常規(guī)熱處理有所提高[10]。W6Mo5Cr4V及W18Cr4V高速鋼激光淬火后具有較常規(guī)淬火更高的硬度,中溫回火可以進一步提高激光硬化層的硬度，這是由于激光超快速加熱時固溶了更多的碳及合金元素所致[11，12]。

　　2)激光表面熔凝硬化;

　　用高能激光照射模具表面，被照射區(qū)將以極高的速率熔化，由于熔化區(qū)相對于模具基體來說非常下，冷卻速度極快。5CrMiMo滲硼層在激光熔凝處理后，與原始滲硼層相比，強化層深度增加，強化層硬度趨于平緩，滲硼層的脆性得以改善[13]。

　　3)激光表面合金化;

　　激光表面合金化是采用激光照射預(yù)先涂敷在模具表面的合金涂敷層，使之熔化并與基體表面混合，形成物理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分不同于基體的新表層，從而提高模具表面的耐磨性、耐腐蝕性和高溫抗氧化性等。CrWMn經(jīng)復(fù)合粉末激光合金化，可使耐磨性大大提高，其體積磨損量為淬火CrWMn的1/10，壽命提高14倍[14]。M2高速鋼激光表面鈷合金化后，表面層Co含量可達2%～5%，合金化層中Co含量的變化受激光工藝參數(shù)和預(yù)沉積Co厚度控制，合金化層硬度可達700~800HV，再經(jīng)過熱處理后硬度可達HV1150，明顯高于M2高速鋼基體[15]。

　　4)激光表面熔覆;

　　激光表面熔覆采用激光束在選定的模具表面熔覆一層特殊性能的材料，以達到模具表面具有耐磨、耐熱、耐腐蝕等特殊性能。激光表面熔覆與火焰噴焊、等離子噴焊相比具有以下優(yōu)點：①熔覆層稀釋率低，且可以精確控制;②激光束的能量密度高，作用時間短，對模具基體熱影響區(qū)及熱變形均可降低到小程度;③熔覆層組織細密微觀缺陷少，結(jié)合強度高;④熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制;⑤激光表面熔覆對環(huán)境無污染，無輻射，噪音低，勞動條件得到較大改善。例如，在有送粉器的2KWCO2激光器上，對4Cr5MoV1Si基體表面熔覆一層由Ni基高溫合金和WC+W2C粒子組成的高溫耐磨合金粉末，可獲得多道搭接的大面積高溫耐磨合金。該工藝應(yīng)用于軋鋼機導(dǎo)向板效果顯著，經(jīng)生產(chǎn)檢驗，激光熔覆導(dǎo)向板的壽命較4Cr5MoV1Si鋼導(dǎo)向板提高4倍以上。另外采用激光熔覆方法還可以將失效的導(dǎo)向板重新熔覆繼續(xù)使用[16]。目前如何避免大型工件的熔覆層開裂以及如何降低激光熔覆成套設(shè)備的成本仍是該方法需要解決的關(guān)鍵問題。

　　(8)物理氣相沉(PVD)。

　　物理氣相沉積技術(shù)具有處理溫度低、熱畸變小、無公害、容易獲得超硬層、涂層均勻等特點，被應(yīng)用于精密模具表面強化處理，顯示出良好的應(yīng)用效果。采用PVD處理獲得的TiN層可保證將塑料模的使用壽命提高3～9倍，金屬壓力加工工具壽命提高3～59倍。例如，錄音機磁頭外殼拉深模采用PVD涂敷TiN處理后，可大大提高模具的使用壽命，如表3。

　　表3用PVD涂敷TiN的拉深模具壽命[17]

　　模具平均壽命/萬次

　　Cr12MoV鋼制模具1~3

　　YG20硬質(zhì)合金模具13

　　YG20硬質(zhì)合金模具經(jīng)TiN沉積>45

　　日本進口硬質(zhì)合金模具80~100

　　從表3可以看出，YG20硬質(zhì)合金模具經(jīng)TiN沉積處理后，模具壽命可以提高3倍以上，但比日本進口的硬質(zhì)合金模具的壽命還有一定的差距。

　　(9)化學(xué)氣相沉積(CVD)。

　　化學(xué)氣相沉積技術(shù)初發(fā)展的原動力是微電子技術(shù)，用該方法可以在模具表面涂覆厚度為10μm左右的超硬陶瓷材料，如TiN、TiC、TiB2、Ti(CB)等，使模具表面具有硬度高、摩擦系數(shù)小、抗粘接性能好、耐磨性、耐蝕性以及耐氧化性好等優(yōu)點。CVD處理的模具形狀不受任何限制。CVD可以在含碳量大于0.8%的工具鋼、滲碳鋼、高速鋼、軸承鋼、鑄鐵以及硬質(zhì)合金等表面上進行。氣相沉積TiC、TiN能應(yīng)用于擠壓模、落料模和彎曲模，也適用于粉末成型模和塑料模等。在金屬模具上涂覆TiC、TiN覆層的工藝，其覆層硬度高達3000HV，且耐磨性好、抗摩擦性能提高、沖模的使用壽命可提高2～12倍。模具表面CVD法涂覆后使用壽命的提高如表4所示。

　　表4模具采用CVD法涂覆后對使用壽命的影響

　　模具種類模具材料涂層種類使用壽命提高倍數(shù)

　　切邊模W6Mo5Cr4V2TiC+TiN8

　　彎曲模Cr12TiN8

　　深沖模Cr12MoVTiC10

　　沖模Cr12MoVTiC+TiN8

　　(10)離子注入。

　　離子注入是將所需要注入的原子(通常有Ni、Ti、Ta、Cd、B、N等)在加速器的離子源中電力為離子，然后通過離子加速器的高壓電場將其加速成具有幾萬到幾十萬電子伏的高能離子束流，再經(jīng)磁分析器提純后，離子束流強行注入固體表面，獲得所期望的具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的工件表面。

　　從原理上講，各種工模具材料均可通過離子注入進行表面強化，改善抗磨損特性并使改性層韌化?？紤]到改性效果和大經(jīng)濟效益，常用合金元素含量較高的中高合金材料。目前研究和應(yīng)用較多的材料為W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、Cr12MoV、H13等。離子注入提高模具壽命的實例如表5所示[18]。

　　表5離子注入模具表面改性應(yīng)用實例

　　模具名稱模具材料注入離子改性效果

　　鉚釘沖模T10鋼N+延壽3倍

　　輪胎鋼絲拉絲模Co-WC合金N+延壽2.4倍

　　鋁型材擠壓組合模H13鋼Ti+降低擠壓力15%

　　鋁型材擠壓平模H13鋼Ti++C+降低擠壓力10%

　　拉絲模Co-W合金N,C,Co延壽3.5倍

　　孔沖模W18Cr4V鋼IBAD技術(shù)延壽5倍

　　切邊模Cr12MoV鋼IBAD技術(shù)延壽3倍

　　沖孔沖頭M2高速鋼N+,PSⅡ延壽70倍

　　2結(jié)束語

　　探討表面強化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用具有重要的實際意義。通過表面處理，可以改變模具表層的成份和組織，可使模具具有內(nèi)部韌、表面硬、耐磨、耐熱、耐蝕、抗疲勞、抗粘結(jié)的優(yōu)異性能，可幾倍乃至幾十倍地提高模具使用壽命。相對于模具制造的總費用來說，表面強化工藝成本較低，而模具壽命可提高幾倍甚至幾十倍，具有事半功倍之效。模具表面強化處理的方法很多，結(jié)合各種模具的工作條件及其使用的經(jīng)濟性等因素綜合考慮，正確運用表面強化技術(shù)是提高模具壽命的一個行之有效的重要途徑。盡管表面技術(shù)特別是新型表面強化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用還相對較少，但隨表面工程技術(shù)的發(fā)展，表面強化技術(shù)在模具制造領(lǐng)域?qū)玫綐O其廣闊的應(yīng)用，必將使模具的選材和制造技術(shù)產(chǎn)生巨大的變化。

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