模具表面處理技術(shù)的研究進(jìn)展

模具表面處理技術(shù)的研究進(jìn)展

0表面處理技術(shù)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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,特別是汽車(chē)、家電工業(yè)、航空航天的迅猛發(fā)展,對(duì)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(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。表面處理在模具中的應(yīng)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(guò)采用不同的表面處理技術(shù),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(duì)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(shù)方法多達(dá)幾十種,主要可以歸納為物理表面處理法、化學(xué)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(shù)。1物理表面處理法1.1模具設(shè)計(jì)與熱處理高頻淬火是把模具置于一個(gè)交變磁場(chǎng)中,模具產(chǎn)生感應(yīng)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(guò)熱度下進(jìn)行的,因此晶核多,不易長(zhǎng)大,淬火后組織為細(xì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化,得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)于形狀復(fù)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(shí)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(shè)備簡(jiǎn)單,成本低等優(yōu)點(diǎn),但是生產(chǎn)率低,模具表面存在不同程度的過(guò)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(yīng)用于提高模具壽命。其中激光相變硬化應(yīng)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(dá)到相變溫度而形成奧氏體,當(dāng)激光束離開(kāi)后,利用金屬本身的熱傳導(dǎo)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(jìn)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(dá)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(duì)T8A鋼制沖頭和CrMo鋼制的凹模進(jìn)行激光硬化處理后,由沖壓.5萬(wàn)件提高到0萬(wàn)件。噴丸強(qiáng)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(jìn)表面的測(cè)定,滿足技術(shù)要求化學(xué)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(xué)成分和組織,達(dá)到改進(jìn)表面性能和滿足技術(shù)要求。按照表面滲入的元素不同,化學(xué)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(xué)表面處理能有效提高模具表面的耐磨性、疲勞強(qiáng)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(guò)適當(dāng)淬火與回火處理,可提高模具表面的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)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(shí)受?chē)?yán)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(diǎn)。2.2氣體組分調(diào)節(jié)模具經(jīng)過(guò)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(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)、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(shí)間長(zhǎng)、功效低的缺點(diǎn)。可通過(guò)調(diào)節(jié)氣體組分來(lái)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(guò)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(lái)的/4。離子滲氮在所有的模具處理中都有應(yīng)用,但是對(duì)于形狀復(fù)雜的模具,難以獲得均勻的加熱和滲層,同時(shí)滲層較淺。2.3碳氮滲流劑碳氮共滲就是同時(shí)向零件表面滲入碳和氮的化學(xué)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(dòng)條件差,已很少應(yīng)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(guó)內(nèi)外應(yīng)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(duì)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(guó)、美國(guó)也都搞了很多硼與其它元素的共滲工藝。通過(guò)滲鉻后可顯著提高模具使用壽命,尤其是對(duì)在熱態(tài)工作或承受強(qiáng)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(shù)的應(yīng)用電鍍硬鉻、硬鎳是模具表面處理技術(shù)中的傳統(tǒng)技術(shù),通過(guò)利用電化學(xué)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(dá)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(shí),由于電鍍具有尖端效應(yīng),對(duì)于多孔、形狀復(fù)雜的模具也不適用。刷鍍工藝簡(jiǎn)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(chǎng)操作,不受模具大小和形狀的限制,用在報(bào)廢模具和大模具的修復(fù)上經(jīng)濟(jì)效益明顯。刷鍍應(yīng)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(dá)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?yàn)樗㈠儗佑懈叩挠捕群土己玫目拐持阅堋１本﹥?nèi)燃機(jī)總廠的連桿蓋模3CrW8V經(jīng)刷鍍處理后提高壽命54.5%?；瘜W(xué)鍍是利用還原劑把電解質(zhì)溶液中的金屬離子化學(xué)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(jié)合的涂鍍層?；瘜W(xué)鍍沒(méi)有電鍍中因?yàn)殡娏Ψ植疾痪斐傻纳铄兒头稚⒛芰Σ畹膯?wèn)題。它對(duì)于形狀復(fù)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(diǎn)與不足。在汽車(chē)用鑄模、鋁模具上化學(xué)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(xué)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(yīng)用中對(duì)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(fù)合鍍技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在復(fù)合鍍技術(shù)的實(shí)施主要借助于電鍍、刷鍍、化學(xué)鍍。復(fù)合鍍后膜層質(zhì)量和性能提高顯著,模具壽命更長(zhǎng)。在模具表面上復(fù)合電鍍Ni-W-P、Ni-Fe-P、Co-W-P合金顯著提高了汽車(chē)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(rùn)性能;Ni-Cr鍍層可提高高溫強(qiáng)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(yīng)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(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)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(lái)的500件/次提高到7000件/次,壽命也由原來(lái)的拉制3萬(wàn)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(guó)外均采用火焰噴焊鎳基自熔合金制造和修復(fù)玻璃模具,壽命成倍提高。熱噴涂技術(shù)在不斷的發(fā)展之中,主要向以下幾個(gè)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(zhǎng)時(shí)間大功率下穩(wěn)定高效的工藝及設(shè)備發(fā)展;(3)向精密高效節(jié)能的工藝和設(shè)備發(fā)展;(4)采用噴涂法制備納米結(jié)構(gòu)涂層;(5)用熱噴涂法部分替代電鍍硬鉻的工藝研究與應(yīng)用;(6)新型熱障涂層(TBC)的研制。3.3納米模具表面處理化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),生成固態(tài)沉積物。按照沉積化學(xué)反應(yīng)能量激活分,可分為熱CVD技術(shù)、等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PCVD)、激光輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)(LCVD)和金屬有機(jī)化合物沉積(MOCVD)等。美國(guó)將CVD用于緊固件模具,提高壽命3-5倍,日本用CVD技術(shù)來(lái)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(yīng)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(guò)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(lái).5t的通料量提高到5t?，F(xiàn)在CVD技術(shù)發(fā)展是以等離子體、電子束、激光束、離子束、微波等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的成就為基礎(chǔ),向著高效、節(jié)能、控制高度自動(dòng)化、精確化的方向發(fā)展。3.4d模具處理的應(yīng)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(guò)程。PVD的優(yōu)點(diǎn)在于鍍膜材料廣泛,容易獲得;沉積溫度低;無(wú)污染。通過(guò)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(rùn)滑膜(MoS、DLC),耐熱膜M-CoCrAlY等各種要求的膜層。在模具的強(qiáng)化方面陰極濺射法和多弧離子鍍法應(yīng)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(fù)雜的模具。3.5離子注入模具設(shè)計(jì)的應(yīng)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(chǎng)加速,使離子獲得很高速度后打入固體中的物理過(guò)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(jié)構(gòu)。離子注入改善了模具工作零件的表面力學(xué)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(qiáng)抗疲勞強(qiáng)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(shù)的應(yīng)用和完善表面處理技術(shù)[,7]已經(jīng)大量的應(yīng)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(jìn)步和巨大的經(jīng)濟(jì)效益,但是先進(jìn)表面技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展與國(guó)外相比還有一定的差距。復(fù)合表面技術(shù)和納米表面技術(shù)在模具上的應(yīng)用還有待