淺談表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

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[摘 要]表面強(qiáng)化狀況對模具的使用壽命影響很大，模具失效部位也主要在工作面或源于次表面。在模具制造中，應(yīng)用表面強(qiáng)化技術(shù)，可以提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。本文著重介紹了幾種表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用，以供參考。

[關(guān)鍵詞]模具制造；表面強(qiáng)化技術(shù)；技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：P624.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）13-0396-01

一、引言

模具是制造業(yè)的重要工藝裝備，它的使用性能，特別是使用壽命反映了一個國家的工業(yè)水平，并直接影響到產(chǎn)品的更新?lián)Q代和在國際市場上的競爭能力。因此，各國都非常重視模具工業(yè)的發(fā)展和模具壽命的提高工作。模具在使用過程中往往承受著各種形式的復(fù)雜應(yīng)力，模具的表面更是處在較大、較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，其工作條件尤為惡劣。模具的失效和破壞，是發(fā)生在表面或由表面開始。目前，我國模具的壽命還不高，模具消耗量很大，因此，提高我國的模具壽命是一個十分迫切的任務(wù)。

二、模具表面強(qiáng)化技術(shù)分類

（一）模具表面熱噴涂技術(shù)

熱噴涂大致分為火熱噴涂、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（25%）。在模具上采用熱噴涂金屬陶瓷涂層強(qiáng)化表面，可提高其硬度、抗黏性、抗沖擊、耐磨和抗冷熱疲勞等。采用熱噴涂方法制造塑料模具起源于20世紀(jì)40年代。經(jīng)過幾十年的研究和開發(fā)，這項(xiàng)技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已得到了較多的應(yīng)用。美國的TAFA公司最早成功地使用電弧噴涂鋅合金涂層制作了大型的汽車塑料內(nèi)飾件模具。沈陽工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)率先開發(fā)和應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)，使用該技術(shù)為沈陽餅干廠制造了一個在1200mm×800mm工作面上有14套快餐飯盒的吸塑模具，模具的制造僅花費(fèi)一周時間。山東省煙臺機(jī)械工藝研究所用電弧噴涂鋅基合金快速制造模具的方法制造汽車方向盤的模具，和投影面積為1900mm×1200mm的，帶有立體裝飾花紋的，以塑代木的床頭模具，提前了幾個月交貨。西安交通大學(xué)將快速原形技術(shù)與熱噴涂鋅基合金涂層技術(shù)結(jié)合，制造了生產(chǎn)汽車發(fā)動機(jī)罩的拉延模具和節(jié)水滲灌設(shè)備中的節(jié)水滴管注射模具，已用于生產(chǎn)。另外，各種熱作模具、壓鑄模具以及粉末冶金模具等，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，可噴涂某些鈷基自熔合金、Ni或AI以及陶瓷來提高耐熱磨損性能。如用工具鋼加工制成的高熔點(diǎn)金屬（鋁、鈮、鎢及其合金）的熱擠壓模，擠壓溫度在1320℃以上，只能進(jìn)行一次作業(yè)，而擠壓材料因表面被模面合金化而變質(zhì)，同時由于模具的磨損、擠壓材在長度方向上直徑與斷面形狀發(fā)生很大變化，噴0.5～1.0mm的氧化鋁涂層后，擠壓溫度可達(dá)1650℃。噴涂氧化鋯涂層，擠壓溫度可達(dá)2370℃，模具工作壽命可延長5～10倍。

（二）離子注入技術(shù)

離子注入技術(shù)是利用離子源中產(chǎn)生的帶電離子（氣體和金屬離子）在高壓電場的作用下，以極大的速度入射到待處理的工件材料表面。在這個過程中將引起金屬表層的成分和結(jié)構(gòu)的變化以及原子環(huán)境和電子組態(tài)等微觀狀態(tài)的擾動，使金屬表面發(fā)生物理、化學(xué)和力學(xué)性能的變化，有效地提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞等多種性能，最終提高工件的使用壽命。離子注入工藝是在離子注入機(jī)中進(jìn)行的。它將預(yù)先選擇的注入元素，在注入機(jī)的離子源中離化后，再將離子從離子源引出，經(jīng)高壓電場加速，使其獲得很高的能量，然后打入真空室中的金屬（固體靶）中，使金屬表面層實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。由于離子注入后既不改變模具基體表面的幾何尺寸，又能形成與基體完全結(jié)合的表面合金，不存在因明顯的分界面而產(chǎn)生剝落的問題。同時由于大量離子（如氮、碳、硼、鉬等）的注入可使模具基體表面產(chǎn)生明顯的硬化效果，大大降低了摩擦因數(shù)，顯著地提高了模具表面的耐磨性、耐腐蝕性、以及抗疲勞等多種性能。因此近年來離子注入技術(shù)在模具領(lǐng)域中，如沖裁模、拉絲模、擠壓模、拉伸模、塑料模等都得到了廣泛應(yīng)用，其平均壽命提高了2～10倍。目前，離子注入技術(shù)在模具應(yīng)用上還存在一些不足，如離子注入層較薄，小孔處理困難，設(shè)備復(fù)雜昂貴等，其應(yīng)用受到了一定的限制。

（三）激光表面強(qiáng)化技術(shù)

激光用于表面處理的方法多，其中包括：激光相變硬化（LTH），激光表面熔化處理（LSM），激光表面涂覆及合金化（LSC/LSA），激光表面化學(xué)氣相沉積（LCVD），激光物理氣相沉積（LPVD），激光沖擊（LSH）和激光非晶化等，其中已被研究用于提高模具壽命的方法有激光相變硬化和激光表面熔覆和合金化。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，特別是在工模具工業(yè)中，經(jīng)激光熱處理的工模具的組織性能比常規(guī)熱處理有很大的改善。

1、激光表面淬火。激光表面淬火是以高能量的激光束輻照到金屬表面，使其表面急速加熱至相變溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，此時基體仍處于冷態(tài)，且與加熱區(qū)之間有很陡的溫度梯度，當(dāng)激光束離開后，利用金屬本身的熱傳導(dǎo)進(jìn)行“自淬火”，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，獲得相變硬化。與傳統(tǒng)的方法相比，激光淬火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15%～20%，淬硬層可達(dá)0.1～2.5mm，可以大幅度提高模具的耐磨性和使用壽命，而且強(qiáng)化后模具表面光滑如初，變形小，基本上不需要再加工就能直接使用，特別適合處理形狀復(fù)雜、精加工后不易采用其它強(qiáng)化方法的模具。

2、激光合金化。其是以激光為熱源，在模具表面涂上特定的合金粉末，以足夠的功率及掃描速度，使表面金屬快速熔凝，形成一層具有要求深度和化學(xué)成分的合金層，獲取特殊的表面性能。利用激光合金化技術(shù)獲得的高性能硬化層與基體結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)高于化學(xué)氣相沉積，能在一些表面性能差、價格便宜的金屬表面生成耐磨、耐蝕、耐高溫的合金表面，代替昂貴的整體高級合金，因此在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都有十分重要意義。

（四）氣相沉積技術(shù)

氣相沉積技術(shù)是利用氣態(tài)物質(zhì)（氣相）與模具表面發(fā)生物理、化學(xué)變化，在模具表面形成具有某些特殊性能的合金化合物涂層。根據(jù)形成涂層的原理不同，氣相沉積技術(shù)分為化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積?；瘜W(xué)氣相沉積按主要特性分類又可分為熱化學(xué)氣相沉積、低壓氣相沉積、等離子氣相沉積、激光（誘導(dǎo)）氣相沉積、金屬有機(jī)化合物氣相沉積等；物理氣相沉積可分為真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍等。

三、結(jié)語

綜上所述，合理選擇和應(yīng)用表面處理技術(shù)，可以有效提高模具的耐磨性、壽命，從而提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)也在不斷發(fā)展創(chuàng)新。例如，在電弧噴涂方面，發(fā)展了高速電弧噴涂，使噴涂質(zhì)量大大提高；在等離子噴涂方面，已經(jīng)研究出射頻感應(yīng)耦合式等離子噴涂、反應(yīng)等離子噴涂、用三陰槍等離子噴涂及微等離子噴涂；在高能束方面發(fā)展了激光或電子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化等技術(shù)；在離子注入方面，繼強(qiáng)電流氮離子注入技術(shù)后，又研究出強(qiáng)流金屬離子注入技術(shù)和金屬等離子體浸沒注入技術(shù)等。在處理模具表面強(qiáng)化問題時，新興的表面技術(shù)與傳統(tǒng)的表面技術(shù)相互補(bǔ)充，為表面工程工作者提供了寬廣的選擇余地。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸剛.表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用[J].特鋼技術(shù)，2016，（01）：7-12.