表面工程技術在模具制造和修復中的應用
更新時間：2008-9-1 16:00:16 文章來源：互聯網 點擊：
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模具，表面強化技術，制造，修復
摘 要：
本文簡要介紹了各種表面強化技術在模具制造和修復中的應用，重點介紹了幾種表面強化新技術在提高模具使用壽命方面的典型案例，并就表面強化新技術在提高模具使用壽命方面的應用前景進行了展望。
表面強化技術不僅能夠提高模具表面耐磨性及其它性能，而且能夠使模具內部保持足夠的強韌性，這對于改善模具的綜合性能、節約合金元素、大幅度降低成本、充分發揮材料的潛力以及更好地利用模具新材料都是十分有效的。實踐證明，表面強化處理是提高工模具質量和延長模具使用壽命的重要途徑。
模具表面強化處理按其原理可分為化學熱處理、表面涂覆處理和表面加工強化處理。模具表面強化處理的方法多種多樣，不僅包括傳統的表面淬火技術（如感應淬火、火焰淬火等）、熱擴滲技術（如滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等）、熱噴涂技術、堆焊技術和電鍍硬鉻技術外，還有近20年來迅速發展起來的激光表面強化技術、物理氣相沉積技術（PVD）、化學氣相沉積技術（CVD）、離子注入技術等。由于激光和電子束等新能源的能量集中、加熱迅速、加熱層薄、自激冷卻、變形很小、無需淬火介質、有利于環境保護、便于實現自動化等優點，因而在金屬材料特別是模具材料表面強化方面的應用越來越廣。
表面工程技術應用于模具表面，可達到如下目的。
（1）提高模具表面硬度、耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性能，大幅度提高模具的使用壽命；
（2）提高模具表面抗擦傷能力和脫模能力，提高生產率；
（3）采用碳素工具鋼或合金鋼，經表面涂層或合金化處理后，可達到甚至超過高合金化模具材料甚至硬質合金的性能指標，不僅可以大幅度降低材料成本，而且可以簡化模具制造加工工藝和熱處理工藝，降低生產成本。
（4）可用于模具的修復。尤其是電刷鍍技術可在不拆卸模具的前提下完成對模具的修復，且能保證修復后的工作面仍有足夠的粗糙度，因而倍受工程技術人員的重視。
（5）可用于模具表面的紋飾，以提高其塑料制品的檔次和附加值。
1表面強化技術在模具制造和修復中的應用
（1）表面形變強化技術。
表面形變強化可以使模具表面產生冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除電火花加工而產生的表面變質層，提高模具的疲勞強度，抗沖擊磨損性能，從而達到提高模具使用壽命的目的。主要適用于落料模、冷沖模、冷鐓模和熱鍛模等以疲勞失效形式主的模具。模具經噴丸強化后使用使命的提高見表1。
表1 噴丸對模具壽命的影響[1]
模具名稱
模具材料
噴丸介質
Φ/mm
一次刃磨使用壽命/萬次
噴丸前 噴丸后
電動機定、轉子模
Cr12
0.5鑄鋼丸
1.2~3.2
11.49
定子單槽沖模
Cr12
0.25~0.35玻璃丸
52
70
一字槽光沖模
60Si2Mn
0.25~0.35玻璃丸
0.96~1.35
2.0~2.3
活扳手熱精壓模
3Cr2W8V
0.5鑄鋼丸
0.175
0.263
0.25~0.35玻璃丸
0.388
0.517
（2）表面熱擴滲技術。
用加熱擴散的方式使欲滲金屬或非金屬元素滲入模具的表面，形成表面合金層，從而提高模具表面的耐磨性、耐腐蝕性以及疲勞強度等性能。其突出特點是擴滲層與基材之間是靠形成合金來結合的（即所謂冶金結合），具有很高的結合強度，這是其它涂層方法如電鍍、噴鍍或化學鍍、甚至物理氣相沉積技術所無法比擬的。熱擴滲技術又稱為熱滲鍍技術或化學熱處理技術[2-3]。用于熱擴滲的元素很多，常用的滲入元素有碳、氮、硅、硼、鋁、釩、鈦、鎢和硫等，二元乃至多元共滲工藝以及稀土多元共滲工藝正在模具表面強化或改性中發揮著越來越大的作用。稀土元素的加入對改善鋼的表層組織結構、物理、化學及機械性能都有極大影響。稀土元素具有提高滲速（滲速可提高25%～30%，處理時間可縮短1/3以上）、強化表面（稀土元素具有微合金化作用，能改善表層組織結構，強化模具表面）、凈化表面（稀土元素與鋼中 P、S、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點有害雜質發生作用，形成高熔點化合物，同時抑制這些雜質元素在晶界上的偏聚，降低滲層脆性等多種功能。例如，3Cr2W8V鋼制鋁合金壓鑄模經900 oC×4h稀土硼鋁共滲后，深層厚度30～40μm，硬度1800～2000HV，與基體結合良好，脆性低；滲層主要由FeAlB和(FeAl)2B相組成，其抗高溫氧化性能、耐磨性能均優于離子氮化和固體滲硼。生產試驗結果表明，該工藝生產周期短，氧化脫碳容易控制，零件變形小，表面光潔度高，使用壽命成倍增長[2]。
（3）堆焊技術。
堆焊技術主要用于制造雙金屬模具和損壞模具的修復。在碳素鋼或鑄鋼基體的表面上，堆焊一層具有特殊性能的表面層，使其達到耐磨、耐熱或耐腐蝕的目的，可以節省大量的貴重金屬，提高材料的使用壽命，具有很大的經濟效益。一些經常在特殊環境下工作的模具零件，其表面磨損很嚴重，有的甚至破碎或斷裂。采用堆焊工藝進行修復，不僅可以節省大量的貴重材料，而且堆焊修復模具的使用壽命與新制造模具壽命相當，有的甚至比新模具的使用壽命還長。例如，選用文獻[3]研制的新型冷沖模堆焊焊條，采用堆焊工藝在普通鑄鐵基體上進行了大型修邊模具的堆焊制造和損壞模具的堆焊修復，結果表明，采用新型冷沖模堆焊焊條在灰鐵毛坯上堆焊制造大型修邊模具工藝簡單，堆焊模具的使用壽命與工具鋼鑲塊模具的使用壽命相當[4]。
（4）熱噴涂技術。
熱噴涂是將噴涂材料經特定熱源加熱至熔融或半熔融狀態，通過高速氣流使其霧化并噴射到工件表面，形成耐磨、耐腐蝕以及抗高溫等特殊性能涂層的一種表面加工方法。特別適合于大型模具以及嚴重磨損條件下工作的模具。熱作模具不僅在較高的溫度環境下工作，而且遭受磨損、擠壓、沖擊及冷熱疲勞作用，可以選用鈷基自熔合金以及陶瓷來提高耐熱磨損性能。例如，用工具鋼制作的高熔點金屬擠壓模，擠壓溫度在1320 oC以上時只能進行一次作業，采用等離子噴涂0.5～1.0mm的氧化鋁涂層后，擠壓溫度可達1650oC，噴涂氧化鋯涂層，擠壓溫度可達2370oC，模具的使用壽命可延長5~10倍[5]。表2列出了模具表面熱噴焊工藝的部分實例。
表2模具表面熱噴涂強化應用實例[6]
模具名稱
原材料及處理工藝
新用材料及噴焊工藝
使用效果
基材
處理工藝
基材
噴焊合金
噴焊工藝
耐火磚模
45鋼
熱處理
45鋼
Ni55
火焰二步法
壽命提高9倍
玻璃模具
鑄鐵
熱處理
鑄鐵
Ni25
火焰一步法
壽命提高5倍
熱作模具
3Cr2W8V
熱處理
45鋼
鈷基合金
等離子噴焊
壽命提高2倍
冷沖模沖頭
2Cr13
熱處理
Q235-A
FeNi15
火焰二步法
壽命提高7倍
（5）電鍍及化學鍍技術。
作為模具表面強化技術，首選鍍鉻層，它具有耐磨、減摩、耐熱、耐腐蝕、摩擦系數低、防咬合等特點，改善模具表面性能，提高模具壽命功能。主要用于塑料模、橡膠模、玻璃模等型腔模的表面硬化。鍍硬鉻層既可以作為模具表面的耐磨層，也可以對舊模具進行修復。例如塑料膜型腔鍍硬鉻或通過鍍硬鉻進行修復后，不僅模具使用壽命延
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