摘 要:在指出模具表面强化技术的重要意义的同时,从热喷涂、离子注入、激光表面强化、气相沉积、稀土元素、纳米表面工程等几方面介绍了提高模具使用寿命的表面强化新技术。
关键词:表面强化技术;模具寿命;应用和发展
0 引言
模具在使用过程中往往承受着各种形式的复杂应力,模具的表面更是处在较大、较复杂的应力状态下,其工作条件尤为恶劣。模具的失效和破坏,是发生在表面或由表面开始,因此,模具表面性能的优劣将直接影响模具的使用及寿命。实践证明,提高模具性能的有效途径除选择正确的加工方法、模具材料外,关键在于正确选择热处理方法和表面处理工艺。模具表面处理是提高模具质量的重要基础工艺之一[1]。
随着我国汽车、家电工业的迅猛发展,对模具工业提出了更高的要求,如何提高模具的加工质量和使用寿命,一直是人们不断探索的课题。而表面强化技术以其广泛的功能性,良好的环保性以及巨大的增效性,正逐步成为提高模具质量和使用寿命的重要途径。目前,随着表面技术的不断完善,在原有常规的表面强化的基础上,一大批实用、有效的表面强化新技术相继得以开发和利用,并逐步推广应用于模具制造中。而且随着稀土应用的不断扩大以及复合强化技术的不断发展,各种新型表面工程技术也将进一步推动模具制造领域中的表面强化技术的发展[2]。
1 模具表面强化技术的分类
模具的表面强化处理是指用机械、物理或化学方法对模具工作表面进行改性或覆层等处理,使模具在保证高的强韧性基础上,不仅具有更高的强度、硬度、耐磨性,同时获得优异的抗疲劳、抗咬合、抗粘着、抗擦伤、耐腐蚀、抗高温氧化等性能的处理方法,如表面淬火、化学热处理等。
模具的表面强化处理在不同文献上往往有不同的分类方法,如有按目的和作用分为表层化学成分及组织结构改变型和表面物质保护型两大类的;有按处理温度分为低、中、高三大类的;有按原理分为物理表面处理法、化学表面处理法、表面覆层处理法。本文按其强化机理进行多层次分类,只对几种表面强化新技术进行介绍,而对文献上报道较多的常规表面强化处理技术不予复述[3]。
1.1 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0。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AI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1320e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1650e。喷涂氧化锆涂层,挤压温度可达2370e,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. 5mm,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1024HV、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102~106e/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料,或激光放电),使材料蒸发或离子轰击模具,形成镀层,其中常用的镀层材料是TiN和TiC等。它具有处理温度低、沉积速度快、无公害等特点,十分适合模具的表面强化,可大大提高模具的使用寿命[11]。但是, PVD的绕镀性很差,难以适应多孔、有尖角、形状复杂的模具。
1.4.2 化学气相沉积(CVD)
CVD是利用气态物质在固态表面上进行化学反应,生成固态沉积物。化学气相沉积TiC的原理是将工件加热到900~1200e,使四氯化钛和模具材料的碳在材料表面进行化学反应,经过一定时间可生成一层TiC,是超硬耐磨镀层,是提高模具使用寿命的有效途径。如冲压模、粉末冶金模、陶瓷模、铁氧体模、塑料模等进行处理均能得到很好的效果。
日本用CVD技术来沉积TiC和TiN于拉伸凹模,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. 5 t的通料量提高到5 t。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。
1.5 稀土元素表面强化技术
在模具表面强化技术中,稀土元素以其优良的性质对改善模具钢表层的组织结构、物理、化学及机械性能有着极大的优势。据研究表明,在模具表面强化中,稀土元素有提高渗速(渗速可提高25% ~30%,处理时间可缩短1/3以上),强化表面(稀土元素具有微合金化作用,能改善表层组织结构,强化模具表面),净化表面(稀土元素与钢中P、S、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔点有害杂质发生作用,形成高熔点化合物,同时抑制这些杂质元素在晶界上的偏聚,降低渗层的脆性)等多种功能。
1.5.1 稀土碳共渗
Re-C共渗可使渗碳温度由920~930e降低至860~880e,减少模具变形及防止奥氏体晶粒长大;渗速可提高25% ~30% (渗碳时间缩短1~2 h);改善渗层脆性,使冲击断口裂纹形成能量和裂纹扩展能量提高约30%。
1.5.2 稀土碳氮共渗
Re-C-N共渗可提高渗速25% ~32%,提高渗层显微硬度及有效硬化层深度;使模具的耐磨性及疲劳极限分别提高1倍及12%以上;模具耐蚀性提高15%以上。Re-C-N共渗处理用于5CrMnMo钢制热锻模,其寿命提高1倍以上。
1.5.3 稀土硼共渗
Re-B共渗的耐磨性较单一渗硼提高1. 5~2倍,与常规淬火态相比提高3~4倍,而韧性则较单一渗硼提高6~7倍;可使渗硼温度降低100~150e,处理时间缩短一半左右。采用Re-B共渗可使Cr12钢制拉深模寿命提高5~10倍,冲模寿命提高几倍至数十倍。
1.5.4 稀土硼铝共渗
Re-B-AI共渗所得共渗层,具有渗层较薄、硬度很高的特点,铝铁硼化合物具有较高的热硬性和抗高温氧化能力。H13钢经稀土硼铝共渗后,铝挤压模使用寿命提高2~3倍,铝材表面质量提高1~2级,显示出优良的使用效果。在使用电镀刷制备的N-iCu-P-MoS2的氧化,明显改善镀层的减摩性能,提高抗蚀能力,并使模具型腔面的耐磨寿命延长近5倍[2]。
1.6 纳米表面工程技术[12~14]
纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础,通过特定的加工技术、加工手段,对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。纳米表面工程是在纳米科技产生和发展的背景下,对固体表面性能、功能和加工精度要求越来越高的条件下产生的。纳米表面工程技术是极具应用前景和市场潜力的。
1.6.1 制作纳米复合镀层
在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体材料可形成纳米复合镀层。用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层,可使模具寿命延长、精度持久不变,长时间使用镀层光滑无裂纹。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2纳米粉体材料加入N-iW-B非晶态复合镀层,可提高镀层550~850e的高温抗氧化性能,使镀层的耐蚀性提高2~3倍,耐磨性和硬度也都明显提高。采用Co-DNP纳米复合镀层,在500e以上,与Ni基、Cr基Co基复合镀层相比,工件表面的高温耐磨性能大为提高。在传统的电刷镀溶液中,加入纳米粉体材料,也可制备出性能优异的纳米复合镀层。
1.6.2 制作纳米结构涂层
热喷涂技术是制作纳米结构涂层的一种极有竞争力的方法。与其它技术相比,它有许多优越性:工艺简单、涂层和基体选择范围广,涂层厚度变化范围大、沉积速率快,以及容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比,纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善,且一种涂层可同时具有上述多种性能。
2 结束语
总之,传统的表面技术随着科学技术的进步而不断创新。在电弧喷涂方面,发展了高速电弧喷涂,使喷涂质量大大提高;在等离子喷涂方面,已经研究出射频感应耦合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、用三阴枪等离子喷涂及微等离子喷涂;在高能束方面发展了激光或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化等技术;在离子注入方面,继强电流氮离子注入技术后,又研究出强流金属离子注入技术和金属等离子体浸没注入技术。在解决产品表面工程问题时,新兴的表面技术与传统的表面技术相互补充,为表面工程工作者提供了宽广的选择余地。进入新世纪后,我国的再制造工程发展迅速,以国务院文件、国家法规等形式对再制造的地位予以肯定。再制造是废旧产品高技术修复、改造的产业,是维修工程和表面工程的高级阶段。表面工程的基本特征是综合、交叉、复合、优化,研究对象是材料的/表面0。纳米表面工程是纳米材料与传统表面工程技术的集成创新。为了适应再制造批量化生产特点的要求,开发了以自动化纳米电刷镀表面技术、智能化自修复表面技术为代表的5类自动化和智能化表面工程新技术,适应了表面工程的发展方向和再制造工程的实践需要[15]。
参考文献略
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