模具表面處理技術的研究進展

模具表面處理技術的研究進展

0表面處理技術該模型是現(xiàn)代生產(chǎn)中各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝置。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,特別是汽車、家電工業(yè)、航空航天的迅猛發(fā)展,對模具工業(yè)提出了更高的要求。如何提高模具的質(zhì)量、使用壽命和降低生產(chǎn)成本成為當前迫切需要解決的問題。表面處理在模具中的應用是提高模具質(zhì)量和使用壽命,降低成本的最有效途徑。通過采用不同的表面處理技術,只改變模具表層的成分、組織、性能,從而大幅度地改善和提高模具的表面性能,如硬度、耐磨性、摩擦性能、脫模性能、隔熱性能、耐腐蝕和高溫抗氧化性能、提高型腔表面抗擦傷能力、脫模能力、抗咬合等特殊性能,數(shù)倍、幾十倍地提高模具使用壽命。這對于提高模具質(zhì)量,大幅度降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率和充分發(fā)揮模具材料的潛能都具有重要意義。在模具上使用的表面技術方法多達幾十種,主要可以歸納為物理表面處理法、化學表面處理法和表面覆層處理法。本文綜述了模具表面處理中常用的部分表面處理技術。1物理表面處理法1.1模具設計與熱處理高頻淬火是把模具置于一個交變磁場中,模具產(chǎn)生感應電流而被加熱。電流頻率越高,電流加熱層愈薄。淬火以后,由于奧氏體化是在較大的過熱度下進行的,因此晶核多,不易長大,淬火后組織為細隱晶馬氏體。表面硬度高,比一般淬火提高HRC-3,而且脆性較低。顯著提高模具的疲勞強度,小尺寸模具可以提高-倍,大件也可以提高0%-30%。加熱溫度和淬硬層厚度易控制,便于實現(xiàn)機械化和自動化,得到了廣泛的應用。但對于形狀復雜的模具處理比較困難。1.2加熱表面澆析火焰表面淬火是用乙炔-氧或煤氣-氧等火焰加熱模具表面?；鹧鏈囟群芨?3000℃以上),能將工件表面迅速加熱到淬火溫度。然后空冷或立即用水噴射冷卻。調(diào)節(jié)加熱時間和冷卻速度可以調(diào)節(jié)淬硬層厚度和硬度。和高頻表面淬火相比,具有設備簡單,成本低等優(yōu)點,但是生產(chǎn)率低,模具表面存在不同程度的過熱,質(zhì)量控制比較困難。因此主要適用于單件、小批量和質(zhì)量要求不高的模具的表面處理。1.3激光硬化激光激光用于模具表面的處理方法包括激光相變硬化(LTH)、激光表面涂覆及合金化(LCS/LSA)、激光表面融化處理(LSM)、激光沖擊(LSH)和激光非晶化等。目前激光相變硬化和激光表面涂覆及合金化已被研究應用于提高模具壽命。其中激光相變硬化應用較為廣泛。激光相變硬化(激光淬火)是利用激光輻照到金屬表面,使其表面迅速升溫達到相變溫度而形成奧氏體,當激光束離開后,利用金屬本身的熱傳導而發(fā)生“自淬火”,使金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的淬火方法相比,激光淬火是在較高的溫度梯度下進行的,在表面形成了一層硬度極高的特殊淬火組織。淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高5%-0%,淬硬層深度可達0.-.5mm。因此可以大幅度地提高模具的耐磨性和使用壽命。如對T8A鋼制沖頭和CrMo鋼制的凹模進行激光硬化處理后,由沖壓.5萬件提高到0萬件。噴丸強化和加工硬化也是模具表面處理常用的表面處理方法。2改進表面的測定,滿足技術要求化學表面處理法是將模具置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫,使一種或幾種元素滲入模具表面,改變模具表面的化學成分和組織,達到改進表面性能和滿足技術要求。按照表面滲入的元素不同,化學表面處理法可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁、釩等金屬?；瘜W表面處理能有效提高模具表面的耐磨性、疲勞強度、耐蝕性和抗氧化性能。2.1模具芯部穩(wěn)定性滲碳是使模具表面形成一層-mm的含碳量為0.8%-.05%滲層。經(jīng)過適當淬火與回火處理,可提高模具表面的硬度、耐磨性及疲勞強度,使模具芯部仍保持良好的韌性和塑性。因此滲碳主要用于同時受嚴重磨損和較大沖擊載荷的模具。由于滲碳溫度較高,滲后還需熱處理,模具變形較大,因此精度要求較高的模具不宜采用。模具的滲碳工藝有固體滲碳、氣體滲碳、真空滲碳和離子滲碳。與傳統(tǒng)滲碳相比,離子滲碳具有滲碳效率高、碳濃度梯度平緩、工件變形小、環(huán)境污染小以及狹縫和小孔都能處理的優(yōu)點。2.2氣體組分調(diào)節(jié)模具經(jīng)過滲氮處理后,表面的耐磨性、抗疲勞作用、抗熱、抗蝕、硬度和抗咬合性能都比滲碳處理后優(yōu)越。與滲碳相比,滲氮的溫度較低(500℃-600℃),模具滲氮后變形小。滲氮工藝復雜、時間長、成本高,一般用于耐磨性和精度或抗熱都要求較高的模具。隨著軟氮化、離子氮化等新工藝的發(fā)展,逐漸解決了普通滲氮時間長、功效低的缺點?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)氣體組分來調(diào)節(jié)控制氮化組織、降低滲氮層的脆性,不易產(chǎn)生剝落和熱疲勞。W6Mo5Cr4V鋼制冷擠凸模經(jīng)過離子滲氮后,使用壽命可提高-3倍:5CrMnMo鋼熱鍛模離子氮化后,磨損量減到原來的/4。離子滲氮在所有的模具處理中都有應用,但是對于形狀復雜的模具,難以獲得均勻的加熱和滲層,同時滲層較淺。2.3碳氮滲流劑碳氮共滲就是同時向零件表面滲入碳和氮的化學處理工藝,也稱氰化。主要有液體和氣體碳氮共滲兩種。液體碳氮共滲有毒,污染環(huán)境,勞動條件差,已很少應用。共滲處理速度快,模具變形小,較高的耐磨性、抗粘著性,模具壽命可提高-5倍。2.4碳滲法td滲硼方法有固體滲硼、氣體滲硼、鹽浴滲硼等。國內(nèi)外應用較多的是鹽浴滲硼和固體滲硼。蘇聯(lián)將該法用于冷熱加工模具上,對溶鹽電解法研究的很多;日本發(fā)展了以硼砂溶鹽為主的液體滲硼及其它元素的TD法,提高模具壽命4-0倍;德國、美國也都搞了很多硼與其它元素的共滲工藝。通過滲鉻后可顯著提高模具使用壽命,尤其是對在熱態(tài)工作或承受強烈磨損的模具。適用于錘鍛模、壓鑄模、塑料模、拉深模等冷熱作模具,滲鉻后使用壽命可提高幾到數(shù)十倍。3表面涂層處理方法3.1刷鍍模具技術的應用電鍍硬鉻、硬鎳是模具表面處理技術中的傳統(tǒng)技術,通過利用電化學的方法在模具工作面上沉積薄層金屬或合金的一種濕式鍍覆。電鍍操作溫度低,模具發(fā)生變形較小,模具本身的性能幾乎不受影響,鍍層的摩擦系數(shù)低,顯微硬度可達800HV,可以大大提高模具的耐磨性。但是,鍍層的孔隙較大,耐腐蝕性能不高,不適用于耐腐蝕性要求高的模具。同時,由于電鍍具有尖端效應,對于多孔、形狀復雜的模具也不適用。刷鍍工藝簡單,沉積速度快,操作方便,鍍層質(zhì)量和性能較好。易于現(xiàn)場操作,不受模具大小和形狀的限制,用在報廢模具和大模具的修復上經(jīng)濟效益明顯。刷鍍應用于熱作模具,可提高模具壽命50%-00%,主要原因是刷鍍層有良好的紅硬性、耐磨性和抗氧化能力。劉元義研究表明材料為3CrW8V的熱沖模刷鍍處理后表面硬度達750HV,模具壽命提高-3倍。刷鍍也可以大幅度提高冷作模具的壽命,這是因為刷鍍層有高的硬度和良好的抗粘著性能。北京內(nèi)燃機總廠的連桿蓋模3CrW8V經(jīng)刷鍍處理后提高壽命54.5%?；瘜W鍍是利用還原劑把電解質(zhì)溶液中的金屬離子化學還原在呈活性催化的工件表面沉積出能與基體表面牢固結合的涂鍍層。化學鍍沒有電鍍中因為電力分布不均而造成的深鍍和分散能力差的問題。它對于形狀復雜、多孔洞、有棱邊夾角的模具的處理最為有效,克服了電鍍的缺點與不足。在汽車用鑄模、鋁模具上化學鍍鎳,不僅可以提高脫模效果,還可提高模具50%的使用壽命,且零部件的光潔度高。如用45#鋼加表面Ni-P化學鍍代替不銹鋼制作塑料型材擠出模,不但降低模具制造成本,而且可以提高模具壽命,由于鍍層改善了脫模性能,塑料成形周期縮短,型材表面質(zhì)量顯著改善。在生產(chǎn)應用中對模具表面性能要求是多元的,因此單金屬的鍍層往往不能滿足質(zhì)量要求,這些促使了復合鍍技術的發(fā)展?，F(xiàn)在復合鍍技術的實施主要借助于電鍍、刷鍍、化學鍍。復合鍍后膜層質(zhì)量和性能提高顯著,模具壽命更長。在模具表面上復合電鍍Ni-W-P、Ni-Fe-P、Co-W-P合金顯著提高了汽車模具的耐磨性和使用壽命。如Ni-PTFE、AlO3鍍層可提高抗蝕性能;Ni-WC、SiC、SiO、SiO鍍層可提高耐磨及抗蠕變性能;Ni-Mo鍍層可提高減磨自潤性能;Ni-Cr鍍層可提高高溫強度。3.2wc-co拉深模熱噴涂大致可分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、激光噴涂、電熱熱源噴涂以及“冷噴”。在生產(chǎn)中應用的主要是等離子噴涂(48%)和高速火焰噴涂(5%)。在模具上采用熱噴涂金屬陶瓷涂層對其表面進行強化,可提高其硬度、抗黏著、抗沖擊、耐磨和抗冷熱疲勞等。如不銹鋼制品拉深模表面采用高速火焰噴涂工藝制備30-50um厚的WC-Co涂層后,修模頻率由原來的500件/次提高到7000件/次,壽命也由原來的拉制3萬件提高3-8倍,而且制品質(zhì)量也得到改善。熱噴涂也用于模具的制造,國外均采用火焰噴焊鎳基自熔合金制造和修復玻璃模具,壽命成倍提高。熱噴涂技術在不斷的發(fā)展之中,主要向以下幾個方向發(fā)展:(1)向在較低溫度下具有高速飛行速度的噴涂方向發(fā)展;(2)向能在長時間大功率下穩(wěn)定高效的工藝及設備發(fā)展;(3)向精密高效節(jié)能的工藝和設備發(fā)展;(4)采用噴涂法制備納米結構涂層;(5)用熱噴涂法部分替代電鍍硬鉻的工藝研究與應用;(6)新型熱障涂層(TBC)的研制。3.3納米模具表面處理化學氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面上進行化學反應,生成固態(tài)沉積物。按照沉積化學反應能量激活分,可分為熱CVD技術、等離子化學氣相沉積技術(PCVD)、激光輔助化學氣相沉積技術(LCVD)和金屬有機化合物沉積(MOCVD)等。美國將CVD用于緊固件模具,提高壽命3-5倍,日本用CVD技術來沉積TiC和TiN于拉深凹模,提高壽命8倍。目前模具表面處理中應用較多的是PACVD,鋁型材擠壓模具和精密葉片熱鍛模具經(jīng)過處理后,有較好的耐磨性和抗疲勞性,使用壽命提高一倍,由原來.5t的通料量提高到5t?，F(xiàn)在CVD技術發(fā)展是以等離子體、電子束、激光束、離子束、微波等先進科學技術的成就為基礎,向著高效、節(jié)能、控制高度自動化、精確化的方向發(fā)展。3.4d模具處理的應用PVD是在真空條件下利用物理方法產(chǎn)生的原子或分子沉積到基體上形成薄膜或涂層的過程。PVD的優(yōu)點在于鍍膜材料廣泛,容易獲得;沉積溫度低;無污染。通過PVD處理后模具的變形小,適合于形狀、尺寸精密的塑料模。在模具主要是沉積耐磨性薄膜(TiC、TiAlCN、ZrCN),減磨潤滑膜(MoS、DLC),耐熱膜M-CoCrAlY等各種要求的膜層。在模具的強化方面陰極濺射法和多弧離子鍍法應用較多,處理得到的TiN膜層有較高的硬度和耐磨性,較小的摩擦系數(shù),較好的抗粘著性和抗咬合性,可使塑料模的使用壽命提高3-9倍。但是,PVD的繞鍍性也很差,難以適用于多孔、有尖角、形狀復雜的模具。3.5離子注入模具設計的應用離子注入是把氣體或金屬元素蒸氣,通入電離室電離形成正離子,經(jīng)高壓電場加速,使離子獲得很高速度后打入固體中的物理過程。利用離子注入的方法,可獲得高度的飽和固溶體、壓穩(wěn)相、非晶態(tài)和平衡態(tài)合金等不同組織的結構。離子注入改善了模具工作零件的表面力學性能,包括提高表面硬度,降低表面摩擦因素,提高抗磨損能力和增強抗疲勞強度。極大改變了工件的使用性能,已在模具的表面處理上取得了突出效果。張蓉研究得出在YG拉絲模N+離子注入后模具壽命提高了-3倍。4納米表面技術的應用和完善表面處理技術[,7]已經(jīng)大量的應用于模具的表面處理上,在提高模具壽命和制品質(zhì)量上已有了顯著的進步和巨大的經(jīng)濟效益,但是先進表面技術的應用和發(fā)展與國外相比還有一定的差距。復合表面技術和納米表面技術在模具上的應用還有待