1 表面处理技术在模具制造中的应用
模具在现代生产中是生产各种工业产品的重要工 艺装备 。随着社会经济的发展 , 特别是汽车 、家电工 业 、航空航天的迅猛发展 ,对模具工业提出了更高的要 求 。如何提高模具的质量 、使用寿命和降低生产成本 成为当前迫切需要解决的问题 。表面处理技术在模具 制造中的应用是提高模具质量和使用寿命 , 降低成本 的最有效途径 。通过采用不同的表面处理技术 , 只改 变模具表层的成分 、组织 、性能 , 从而大幅度地改善和 提高模具的表面性能 ,如硬度 、耐磨性 、摩擦性能 、脱模 性能 、隔热性能 、耐腐蚀和高温抗氧化性能 、提高型腔 表面抗擦伤能力 、脱模能力 、抗咬合等特殊性能 ,数倍 、 几十倍地提高模具使用寿命 。这对于提高模具质量 , 大幅度降低生产成本 , 提高生产效率和充分发挥模具 材料的潜能都具有重要意义 。
在模具上使用的表面处理技术方法多达几十种 , 主要可以归纳为物理表面处理法 、化学表面处理法和 表面覆层处理法 。本文综述了表面处理中常用的部分 表面处理技术 。
2 表面处理技术方法的原理分析
2. 1 物理表面处理法
2. 1. 1 高频表面淬火
高频淬火是把模具置于一个交变磁场中 ,模具产生感应电流而被加热 。电流频率越高 , 电流加热层愈薄 。淬火以后 , 由于奥氏体化是在比较大的过热度下 进行的 ,因此晶核多 , 不易长大 , 淬火后组织为细隐晶 马氏体 。表面硬度高 ,比一般淬火提高 HRC2 - 3 ,而且 脆性较低 。显著提高模具的疲劳强度 , 小尺寸模具可 以提高 1 - 2 倍 ,大件也可以提高 20 % - 30 %。加热温 度和淬硬层厚度易控制 ,便于实现机械化和自动化 ,得 到了广泛的应用 。但对于形状复杂的模具处理比较困 难 。
2. 1. 2 火焰表面淬火
火焰表面淬火是用乙炔一氧或煤气一氧等火焰加热模具表面 。火焰温度很高 (3000 ℃以上) ,能将工作表面迅速加热到淬火温度 。然后空冷或立即用水喷射冷 却 。调节加热时间和冷却速度可以调节淬硬层厚度和 硬度 。和高频表面淬火相比 ,具有设备简单 ,成本低等 优点 ,但是生产率低 , 模具表面存在不同程度的过热 , 质量控制比较困难 。因此主要使用于单件 、小批量和 质量要求不高的模具的表面处理 。
2. 1. 3 激光表面淬火 激光用于模具表面的处理方法包括激光相变硬化
(LTH) 、激光表面涂覆及合金化 (LCS/ LSA) 、激光表面融 化处理 (LSM) 、激光冲击 (LSH) 和激光非晶化等 。目前 激光相变硬化和激光表面涂覆及合金化已被研究应用 于提高模具寿命 。其中激光相变硬化应用较为广泛 。 激光相变硬化 ( 激光淬火) 是利用激光辐照到金属表 面 ,使其表面迅速升温达到相变温度而形成奥氏体 ,当 激光束离开后 , 利用金属本身的热传导而发生“自淬 火”,使金属表面发生马氏体转变 。与传统的淬火方法 相比 ,激光淬火是在较高的温度梯度下进行的 ,在表面 形成了一层硬度极高的特殊淬火组织 。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. 5mm。因此可以大幅度地提高模具的耐磨性 和使用寿命 。如对 T8A 钢制冲头和 Cr12Mo 钢制的凹 摸进行激光硬化处理后 ,由冲压 2. 5 万件提高到 10 万 件 。
喷丸强化和加工硬化也是模具表面处理常用的处 理方法 。
2. 2 化学表面处理法 化学表面处理法是将模具置于一定温度的活性介
质中保温 ,使一种或几种元素渗入模具表面 ,改变模具 表面的化学成分和组织 , 达到改进表面性能和满足技 术要求 。按照表面渗入的元素不同 , 化学表面处理法 可分为渗碳 、碳氮共渗 、渗硼 、渗铝 、钒等金属 。化学表 面处理能有效提高模具表面的耐磨性 、疲劳强度 、耐蚀 性和抗氧化性能 。
2. 2. 1 渗碳
渗碳是使模具表面形成一层 1 - 2mm 的含碳量为
0. 8 % - 1. 05 %渗层 。经过适当淬火与回火处理 ,可提 高模具表面的硬度 、耐磨性及疲劳强度 ,使模具芯部仍 保持良好的韧性和塑性 。因此渗碳主要用于同时受严 重磨损和较大冲击载荷的模具 。由于渗碳温度较高 , 渗后还需热处理 ,模具变形大 , 因此精度要求较高的模 具不宜采用 。模具的渗碳工艺有固体渗碳 、气体渗碳 、 真空渗碳和离子渗碳 。与传统渗碳相比 , 离子渗碳具 有渗碳率高 、碳浓度梯度平缓 、工件变形小 、环境污染小以及狭缝和小孔都能处理的优点 。
2. 2. 2 渗氮
模具经过渗氮处理后 , 表面的耐磨性 、抗疲劳作 用 、抗热 、抗蚀 、硬度和抗咬合性能都比渗碳处理后优越 。与渗碳相比 , 渗氮的温度较低 ( 500 ℃—600 ℃) , 模 具渗氮后变形小 。渗氮工艺复杂 、时间长 、成本高 , 一 般用于耐磨性和精度或抗热都要求较高的模具 。随着 软氮化 、离子氮化等新工艺的发展 ,逐渐解决了普通渗 氮时间长 、功率低的缺点 。可通过调节气体组分来调 节控制氮化组织 、降低渗氮层的脆性 ,不易产生剥落和 热疲劳 。W6Mo5Cr4V2 钢制冷挤凸模经过离子渗氮后 , 使用寿命可提高 2 - 3 倍 ; 5CrMnMo 钢热锻模离子氮化 后 ,磨损量减到原来的 1/ 4 。离子渗氮在所有的模具处 理中都有应用 ,但是对于形状复杂的模具 ,难以获得均 匀的加热和渗层 ,同时渗层较浅 。
2. 2. 3 碳氮共渗 碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学
处理工艺 ,也称氰化 。主要有液体和气体碳氮共渗两 种 。液体碳氮共渗有毒 , 污染环境 , 劳动条件差 , 已很 少应用 。共渗处理速度快 , 模具变形小 , 较高的耐磨 性 、抗粘着性 ,模具寿命可提高 2 - 5 倍 。
2. 2. 4 渗硼 、渗金属
渗硼方法有固体渗硼 、气体渗硼 、盐浴渗硼等 。国 内外应用较多的是盐浴渗硼和固体渗硼 。苏联将该法 用于冷热加工模具上 ,对溶盐电解法研究的很多 ; 日本 发展了以硼砂溶盐为主的液体渗硼及其它元素的 TD 法 ,提高模具寿命 4 - 2 倍 ; 德国 、美国也都搞了很多硼 与其它元素的共渗工艺 。通过渗铬后可显著提高模具 使用寿命 ,尤其是对在热态工作或承受强烈磨损的模 具 。适用于锤锻模 、压铸模 、塑料模 、拉深模等冷热作 模具 ,渗铬后使用寿命可提高几到数十倍 。
2. 3 表面覆层处理法
2. 3. 1 电镀 、刷镀 、化学镀
电镀硬铬 、硬镍是模具表面处理技术中的传统技 术 ,通过利用电化学的方法在模具工作面上沉积薄层 金属或合金的一种湿式镀覆 。电镀操作温度低 , 模具 发生变形较小 ,模具本身的性能几乎不受影响 ,镀层的
摩擦系数低 ,显微硬度可达 800HV ,可以大大提高模具 的耐磨性 。但是 , 镀层的孔隙较大 , 耐腐蚀性能不高 , 不适用与耐腐蚀性要求高的模具 。同时 , 由于电镀具 有尖端效应 ,对于多孔 、形状复杂的模具也不适用 。
刷镀工艺简单 , 沉积速度快 , 操作方便 , 镀层质量 和性能较好 。易于现场操作 , 不受模具大小和形状的
限制 ,用在报废模具和大模具的修复上经济效益明显 。
刷镀应用于热作模具 , 可提高模具寿命 50 % - 200 % , 主要原因是刷镀层有良好的红硬性 、耐磨性和抗氧化 能力 。研究表明材料为 3Cr2W8V 的热冲模刷镀处理后 表面硬度达 750HV ,模具寿命提高 1 - 3 倍 。刷镀也可 以大幅度提高冷作模具的寿命 , 这是因为镀层有高的 硬度和良好的抗粘着性能 。北京内燃机总厂的连杆盖 模 3Cr2W8V 经刷镀处理后提高寿命 54. 5 % 。
化学镀是利用还原剂把电解质溶液中的金属离子 化学还原在呈活性催化的工件表面沉积出能与基体表 面牢固结合的涂镀层 。化学镀没有电镀中因为电力分 布不均而造成的深镀和分散能力差的问题 。它对于形 状复杂 、多孔洞 、有棱边夹角的模具的处理最为有效 , 克服了电镀的缺点与不足 。在汽车用铸模 、铝模具上 化学镀镍 , 不仅可以提高脱模效果 , 还可以提高模具
50 %的使用寿命 ,且零部件的光洁度高 。如用 45 钢加 表面 Ni - P 化学镀代替不锈钢制作塑料型材挤出模 ,不 但降低模具制造成本 ,而且可以提高模具寿命 ,由于镀
层改善了脱模性能 ,塑料成型周期缩短 ,型材表面质量
显著改善 。 在生产应用中对模具表面性能要求是多元的 , 因
此单金属的镀层往往不能满足质量要求 , 这些促使了 复合镀技术的发展 。现在复合镀技术的实施主要借助
于电镀 、刷镀 、化学镀 。复合镀后膜层质量和性能提高 显著 ,模具寿命更长 。在模具表面上复合电镀 Ni - W
- P、Ni - Fe - P、Co - W - P 合金显著提高了汽车模具 的耐磨性和使用寿命 。如 Ni - PTFE、AL2O3 镀层可提
高抗蚀性能 ;Ni - WC、SiC、SiO2 镀层可提高耐磨及抗蠕 变性能 ;Ni - Mo2 镀层可提高减磨自润性能 ; Ni - Cr 镀
层可提高高温强度 。
2. 3. 2 热喷涂
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对其表面进行强 化 ,可提高其硬度 、抗黏性 、抗冲击 、耐磨和抗冷热疲劳 等 。如不锈钢制品拉深模表面采用高速火焰喷涂工艺 制备 30 - 50um 厚的 WC - Co 涂层后 ,修模频率由原来 的 500 件/ 次提高到 7000 件/ 次 ,寿命也由原来的拉制 3 万件提高 3 - 8 倍 ,而且制品质量也得到改善 。热喷涂 也用于模具的制造 , 国外均采用火焰喷焊镍基自熔合
金制造和修复玻璃模具 ,寿命成倍提高 。 热喷涂技术在不断的发展之中 ,主要向以下几个方向发展∶
(1) 向在较低温度下具有高速飞行速度的喷 涂方向发展 , (2) 向能在长时间大功率下稳定高效的工 艺和设备发展 , (3) 向精密高效节能的工艺和设备发展 (4) 采用喷涂法制备纳米结构涂层 (5) 用热喷涂法部分 替代电镀硬铬的工艺研究与应用 ( 6) 新型热障涂层 ( TBC) 的研制 。
2. 3. 3 化学气相沉积 ( CVD)
化学气相沉积是利用气态物质在固体表面上进行 化学反应 ,生成固态沉积物 。按照沉积化学反应能量 激活分 ,可分为热 CVD 技术 ,等离子化学气相沉积技术 ( PCVD) 、激光辅助化学气相沉积技术 (LCVD) 和金属有 机化合物沉积 (MOCVD) 等 。
美国将 CVD 用于紧固件模具 ,提高寿命 3 - 5 倍 , 日本用 CVD 技术来沉积 TiC 和 TiN 于拉深凹模 ,提高寿 命 8 倍 。目前模具表面处理中应用较多的是 PACVD , 铝型材挤压模具和精密叶片热锻模具经过处理后 , 有 较好的耐磨性和抗疲劳性 ,使用寿命提高一倍 ,由原来
2. 5t 的通料量提高到 5t 。现在 CVD 技术发展是以等离 子体 、电子束 、激光束 、离子束 、微波等先进科学技术的成就为基础 ,向着高效 、节能 、控制高度自动化 、精确化 的方向发展 。
2. 3. 4 物理气相沉积 ( PVD)
PVD 是在真空条件下利用物理方法产生的原子或 分子沉积到基体上形成薄膜或涂层的过程 。PVD 的优 点在于镀膜材料广泛 ,容易获得 ; 沉积温度低 ; 无污染 。 通过 PVD 处理后模具的变形小 ,适合于形状 、尺寸精密 的塑料模 。在模具主要是沉积耐磨性薄膜 ( TiC、TiAl2
CN 、ZrCN ) , 减 磨 润 滑 膜 ( MoS2 、DLC) , 耐 热 膜 M - CoCrAl Y等各种要求的膜层 。在模具的强化方面阴极溅射法和多弧离子镀法应用较多 ,处理得到的 TiN 膜层
有较高的硬度和耐磨性 ,较小的摩擦系数 ,较好的抗粘
着性和抗咬合性 ,可使塑料模的使用寿命提高 3 - 9 倍 。 但是 ,PVD 的绕镀性也很差 ,难以适用于多孔 、有尖角 、形状复杂的模具 。
2. 3. 5 离子注入
离子注入是把气体或金属元素蒸气 ,通入电离室 电离形成正离子 ,经高压电场加速 ,使离子获得很高速 度后打入固体中的物理过程 。利用离子注入的方法 , 可获得高速的饱和固溶体 、压稳相 、非晶态和平衡态合 金等不同组织的结构 。离子注入改善了模具工作零件 的表面力学性能 ,包括提高表面硬度 ,降低表面摩擦因 素 ,提高抗磨损能力和增强抗疲劳强度 。极大改变了 工件的使用性能 , 已在模具的表面处理上取得了突出 效果 。
3 表面处理技术模具制造中的发展与展望
表面处理技术已经大量的应用于模具的表面处理 上 ,在提高模具寿命和制品质量上已有了显著的进步 和巨大的经济效益 , 但是先进表面技术的应用和发展 与国外相比还有一定的差距 。复合表面技术和纳米表 面技术在模具上的应用还有待进一步的研究和提高 。 对于传统的表面技术应该进一步的改进和提高处理效 果 ,降低能源消耗和环境污染 。扩展传统的表面技术 和现代的表面处理技术之间的复合形式 , 把纳米技术 和模具表面技术结合起来 。研究开发出适用于精密 、 大型模具的表面处理技术是发展模具表面技术的重点 和难点 。
充分应用表面处理技术是提高模具寿命的一种重 要的经济和高效的手段 , 也是发展现代模具的必经之 路 。
