模具表面强化新技术的应用和发展
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”。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
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900～1200 ℃,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、B i、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
Re2C共渗可使渗碳温度由920～930 ℃降低至
860～880 ℃,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
Re2C2N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。Re2C2N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
Re2B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100～150 ℃,处
理时间缩短一半左右。采用Re2B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
Re2B2A I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
Ni2Cu2P2MoS2 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Cr2DNP
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n2ZrO2 纳米粉体材料加
入Ni2W2B非晶态复合镀层,可提高镀层550～850 ℃
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Co2DNP纳米复合
镀层,在500 ℃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”。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 ] 。(下转第59页)
· 2 1 ·
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第4期金荣植: 连续式渗碳炉淬火油冷却系统的改进
整体性好,故障率低,避免了水冷系统繁琐的维修与
日常保养工作,大大降低了运行费用。
(5)安装方面。原来用的水冷系统庞大,有土建
工程,系统造价高。由高效空气冷却器组成的冷却
系统,空气冷却器结构紧凑,体积小,是一台独立的
设备,可以置于室内或室外,易于安装,因此整体冷
却系统耗资低、方便。当生产规模扩大,设备负荷率
提高时,只需更换大一些功率的循环泵,改造相应的
管路,再串联一个或并联一个相应规格新的空气冷
却器,就可以满足淬火冷却的要求。
6 小节
采用由高效空气冷却器组成的连续式渗碳炉淬
火油冷却系统,经过一年多的生产应用证明,综合效
果好,完全可以满足现代化的热处理渗碳淬火要求。
完全可以取代原来造价高、安全性低、淬火质量不稳
定的传统式水冷系统。
(1)采用高效空气冷却器彻底解决了原淬火油
水冷系统中板式换热器易漏水问题。而空气冷却器
使用安全可靠。
(2)采用高效空气冷却器解决了原淬火油水冷
系统中板式换热器易结水垢,导致淬火油温度波动
大、产品淬火质量稳定性较差的问题。
(3)采用空气冷却器,节能、节水、环保。非常适
合当前国家“节能减排”的要求。2009 年中国热协
已将高效节能空气冷却器定为2009～2011年热处
理清洁生产先进技术推广项目。因此,应加大力度
推广使用。
参
内容全部来源于网络收集，如有侵权，请联系网站删除：QQ：24596024