模具表面处理技术

. 1 模具表面热喷涂技术

热喷涂大致分为火热喷涂、电弧喷涂、等离子喷

涂、激光喷涂、电热热源喷涂以及“冷喷”。在生产中应用的主要是等离子喷涂( 48% )和高速火焰喷涂(25% ) 。在模具上采用热喷涂金属陶瓷涂层强化表面,可提高其硬度、抗黏性、抗冲击、耐磨和抗冷热疲劳等[ 4 ] 。

采用热喷涂方法制造塑料模具起源于20世纪

40年代。经过几十年的研究和开发,这项技术在发

达国家已得到了较多的应用。美国的TAFA公司最

早成功地使用电弧喷涂锌合金涂层制作了大型的汽

车塑料内饰件模具。沈阳工业大学在国内率先开发

和应用了这项技术,使用该技术为沈阳饼干厂制造

了一个在1200 mm ×800 mm 工作面上有14 套快餐饭盒的吸塑模具,模具的制造仅花费一周时间。山

东省烟台机械工艺研究所用电弧喷涂锌基合金快速

制造模具的方法制造汽车方向盘的模具,和投影面

积为1900 mm ×1200 mm的,带有立体装饰花纹的, 以塑代木的床头模具,提前了几个月交货。西安交

通大学将快速原形技术与热喷涂锌基合金涂层技术

结合,制造了生产汽车发动机罩的拉延模具和节水

渗灌设备中的节水滴管注射模具,已用于生产[ 5 ] 。另外,各种热作模具、压铸模具以及粉末冶金模

具等,不仅在较高的温度环境下工作,而且遭受磨

损、挤压、冲击及冷热疲劳作用,可喷涂某些钴基自熔合金、Ni或A I以及陶瓷来提高耐热磨损性能。如用工具钢加工制成的高熔点金属(铝、铌、钨及其合金)的热挤压模,挤压温度在1320 ℃以上,只能进行

一次作业,而挤压材料因表面被模面合金化而变质,

同时由于模具的磨损、挤压材在长度方向上直径与

断面形状发生很大变化,喷0. 5～1. 0 mm的氧化铝

涂层后,挤压温度可达1650 ℃。喷涂氧化锆涂层,

挤压温度可达2370 ℃,模具工作寿命可延长5～10 倍。

1. 2 离子注入技术

离子注入技术是利用离子源中产生的带电离子

(气体和金属离子)在高压电场的作用下,以极大的

速度入射到待处理的工件材料表面。在这个过程中

将引起金属表层的成分和结构的变化以及原子环境

和电子组态等微观状态的扰动,使金属表面发生物理、化学和力学性能的变化,有效地提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳等多种性能,最终

提高工件的使用寿命。离子注入工艺是在离子注入

机中进行的。它将预先选择的注入元素,在注入机

的离子源中离化后,再将离子从离子源引出,经高压

电场加速,使其获得很高的能量,然后打入真空室中

的金属(固体靶)中,使金属表面层实现强化[ 6, 7 ] 。

由于离子注入后既不改变模具基体表面的几何

尺寸,又能形成与基体完全结合的表面合金,不存在

因明显的分界面而产生剥落的问题。同时由于大量

离子(如氮、碳、硼、钼等)的注入可使模具基体表面

产生明显的硬化效果,大大降低了摩擦因数,显著地

提高了模具表面的耐磨性、耐腐蚀性、以及抗疲劳等

多种性能。因此近年来离子注入技术在模具领域

中,如冲裁模、拉丝模、挤压模、拉伸模、塑料模等都

得到了广泛应用,其平均寿命提高了2～10倍。

目前,离子注入技术在模具应用上还存在一些

不足,如离子注入层较薄,小孔处理困难,设备复杂

昂贵等,其应用受到了一定的限制。

1. 3 激光表面强化技术

激光用于表面处理的方法多,其中包括:激光相

变硬化(LTH) ,激光表面熔化处理(LSM) ,激光表面

涂覆及合金化(LSC /LSA) ,激光表面化学气相沉积(LCVD) ,激光物理气相沉积(LPVD ) , 激光冲击(LSH)和激光非晶化等,其中已被研究用于提高模

具寿命的方法有激光相变硬化和激光表面熔覆和合

金化。

1. 3. 1 激光相变硬化

激光相变硬化(激光淬火)是利用激光辐照到金

属表面,使表面以很高的升温速度迅速达到相变温

度,形成奥氏体。当激光束离开后,由金属本身热传

·导而"自淬火" ,使金属表面发生马氏体转变。与传

统淬火方法相比,激光淬火是在急热、急冷过程中进

行的,温度梯度高,其淬火层的硬度比普通淬火的硬

度还高15% ～20%。淬硬层深度可达0. 1 ～2. 5 mm,因而可大大提高模具的耐磨性,延长模具的使

用寿命。在模具的表面处理中,激光相变硬化得到

了广泛的应用。对于CrWMn、Cr12MoV、Cr12、T10A 及CrMo铸铁等常用的模具材料,在激光处理后,其

组织性能较常规热处理普遍改善。例如, CrWMn钢

在常规加热时易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳

化物,显著增加工件脆性,降低冲击韧性,使用在模

具刃口或关键部位寿命较低。采用激光淬火后可获

得细马氏体和弥散分布的碳化物颗粒,消除网状,并

获得最大硬化层深度以及最大硬度1017. 2 HV。

Cr12MoV钢激光淬火后的硬度、抗塑性变形和抗粘

磨损能力均较常规热处理有所提高。对T8A钢制造

的凸模和Cr12Mo 钢制造的凹模,激光硬化层深度

0. 12 mm,硬度1200 HV,寿命提高4～6倍,即由冲

压2万件提高到10～14万件。对于T10钢,激光淬

火后可获得硬度1024 HV、深0. 55 mm的硬化层,对于Cr12,激光淬火后可获得硬度1000 HV、0. 4 mm 的硬化层,使用寿命均得到较大的提高[ 8 ] 。

1. 3. 2 激光熔覆

激光熔覆利用高能激光束( 104 ～106 W / cm2 )

在金属表面辐照,通过涂覆材料的迅速熔化、扩展和

迅速凝固,冷却速度达到102～106 ℃/ s。在基材表

面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料,

从而构成一种新的复合材料,以弥补基体所缺少的

高性能。激光熔覆可以根据工件的工况要求,设计

各种熔覆成分的金属或非金属,制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。

玻璃模具是玻璃制品的主要成型工具,在使用

过程中频繁交替地与高温玻璃熔体接触,特别是合

缝线处要求较高的耐磨性。文献[ 9 ]对玻璃模具进

行了激光熔覆处理。并将激光熔覆处理的玻璃模具

在QD6型行列式制瓶机上进行装机试验。生产现场

对比考核结果为:未经激光熔覆处理的模具,连续使

用16～20 h,因合缝线磨损需将模具卸下修理,然后

才可继续使用,总使用时间160～200 h,模具报废;

经激光熔覆处理的模具,继续使用100～120 h后卸

下清理油垢,此时模具的合缝线完好,不需修理可继

续使用,模具总使用时间在1900～2200 h。

1. 4 气相沉积技术

气相沉积技术是利用气态物质(气相)与模具表

面发生物理、化学变化,在模具表面形成具有某些特

殊性能的合金化合物涂层。根据形成涂层的原理不同,气相沉积技术分为化学气相沉积、物理气相沉

积。化学气相沉积按主要特性分类又可分为热化学

气相沉积、低压气相沉积、等离子气相沉积、激光(诱导)气相沉积、金属有机化合物气相沉积等;物理气

相沉积可分为真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等[ 10 ] 。

1. 4. 1 物理气相沉积( PVD)

PVD是把欲涂覆的材料(主要是氮化物或碳化

物)采用物理的方法(如用电子束等热源加热沉积材