模具工作零件表面强化技术应用研究

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[摘 要]表面强化状况对模具的使用寿命影响很大，模具失效部位也主要在工作面或源于次表面。在模具制造中，应用表面强化技术，可以提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。本文着重介绍了几种表面强化技术在模具制造中的应用，以供参考。

[关键词]模具制造；表面强化技术；技术应用

中图分类号：P624.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）13-0396-01

一、引言

模具是制造业的重要工艺装备，它的使用性能，特别是使用寿命反映了一个国家的工业水平，并直接影响到产品的更新换代和在国际市场上的竞争能力。因此，各国都非常重视模具工业的发展和模具寿命的提高工作。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。目前，我国模具的寿命还不高，模具消耗量很大，因此，提高我国的模具寿命是一个十分迫切的任务。

二、模具表面强化技术分类

（一）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。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1200mm×800mm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1900mm×1200mm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。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0.5～1.0mm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。

（二）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。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。

（三）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。近几年来，激光热处理技术在汽车工业、工模具工业中得到了广泛的应用。它改善金属材料的耐蚀性，特别是在工模具工业中，经激光热处理的工模具的组织性能比常规热处理有很大的改善。

1、激光表面淬火。激光表面淬火是以高能量的激光束辐照到金属表面，使其表面急速加热至相变温度以上转变为奥氏体，此时基体仍处于冷态，且与加热区之间有很陡的温度梯度，当激光束离开后，利用金属本身的热传导进行“自淬火”，发生马氏体转变，获得相变硬化。与传统的方法相比，激光淬火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%，淬硬层可达0.1～2.5mm，可以大幅度提高模具的耐磨性和使用寿命，而且强化后模具表面光滑如初，变形小，基本上不需要再加工就能直接使用，特别适合处理形状复杂、精加工后不易采用其它强化方法的模具。

2、激光合金化。其是以激光为热源，在模具表面涂上特定的合金粉末，以足够的功率及扫描速度，使表面金属快速熔凝，形成一层具有要求深度和化学成分的合金层，获取特殊的表面性能。利用激光合金化技术获得的高性能硬化层与基体结合强度远高于化学气相沉积，能在一些表面性能差、价格便宜的金属表面生成耐磨、耐蚀、耐高温的合金表面，代替昂贵的整体高级合金，因此在经济上和技术上都有十分重要意义。

（四）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鍍、溅射镀膜、离子镀等。

三、结语

综上所述，合理选择和应用表面处理技术，可以有效提高模具的耐磨性、寿命，从而提高生产产品的质量，取得巨大的经济效益。随着科学技术的不断进步，传统的表面强化技术也在不断发展创新。例如，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等。在处理模具表面强化问题时，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。

参考文献

[1] 陆刚.表面强化技术在模具制造中的应用[J].特钢技术，2016，（01）：7-12.