淺談表面強化技術在模具制造中的應用

農文集

[摘 要]表面強化狀況對模具的使用壽命影響很大，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，應用表面強化技術，可以提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。本文著重介紹了幾種表面強化技術在模具制造中的應用，以供參考。

[關鍵詞]模具制造；表面強化技術；技術應用

中圖分類號：P624.7 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）13-0396-01

一、引言

模具是制造業的重要工藝裝備，它的使用性能，特別是使用壽命反映了一個國家的工業水平，并直接影響到產品的更新換代和在國際市場上的競爭能力。因此，各國都非常重視模具工業的發展和模具壽命的提高工作。模具在使用過程中往往承受著各種形式的復雜應力，模具的表面更是處在較大、較復雜的應力狀態下，其工作條件尤為惡劣。模具的失效和破壞，是發生在表面或由表面開始。目前，我國模具的壽命還不高，模具消耗量很大，因此，提高我國的模具壽命是一個十分迫切的任務。

二、模具表面強化技術分類

（一）模具表面熱噴涂技術

熱噴涂大致分為火熱噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、激光噴涂、電熱熱源噴涂以及“冷噴”。在生產中應用的主要是等離子噴涂（48%）和高速火焰噴涂（25%）。在模具上采用熱噴涂金屬陶瓷涂層強化表面，可提高其硬度、抗黏性、抗沖擊、耐磨和抗冷熱疲勞等。采用熱噴涂方法制造塑料模具起源于20世紀40年代。經過幾十年的研究和開發，這項技術在發達國家已得到了較多的應用。美國的TAFA公司最早成功地使用電弧噴涂鋅合金涂層制作了大型的汽車塑料內飾件模具。沈陽工業大學在國內率先開發和應用了這項技術，使用該技術為沈陽餅干廠制造了一個在1200mm×800mm工作面上有14套快餐飯盒的吸塑模具，模具的制造僅花費一周時間。山東省煙臺機械工藝研究所用電弧噴涂鋅基合金快速制造模具的方法制造汽車方向盤的模具，和投影面積為1900mm×1200mm的，帶有立體裝飾花紋的，以塑代木的床頭模具，提前了幾個月交貨。西安交通大學將快速原形技術與熱噴涂鋅基合金涂層技術結合，制造了生產汽車發動機罩的拉延模具和節水滲灌設備中的節水滴管注射模具，已用于生產。另外，各種熱作模具、壓鑄模具以及粉末冶金模具等，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，可噴涂某些鈷基自熔合金、Ni或AI以及陶瓷來提高耐熱磨損性能。如用工具鋼加工制成的高熔點金屬（鋁、鈮、鎢及其合金）的熱擠壓模，擠壓溫度在1320℃以上，只能進行一次作業，而擠壓材料因表面被模面合金化而變質，同時由于模具的磨損、擠壓材在長度方向上直徑與斷面形狀發生很大變化，噴0.5～1.0mm的氧化鋁涂層后，擠壓溫度可達1650℃。噴涂氧化鋯涂層，擠壓溫度可達2370℃，模具工作壽命可延長5～10倍。

（二）離子注入技術

離子注入技術是利用離子源中產生的帶電離子（氣體和金屬離子）在高壓電場的作用下，以極大的速度入射到待處理的工件材料表面。在這個過程中將引起金屬表層的成分和結構的變化以及原子環境和電子組態等微觀狀態的擾動，使金屬表面發生物理、化學和力學性能的變化，有效地提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞等多種性能，最終提高工件的使用壽命。離子注入工藝是在離子注入機中進行的。它將預先選擇的注入元素，在注入機的離子源中離化后，再將離子從離子源引出，經高壓電場加速，使其獲得很高的能量，然后打入真空室中的金屬（固體靶）中，使金屬表面層實現強化。由于離子注入后既不改變模具基體表面的幾何尺寸，又能形成與基體完全結合的表面合金，不存在因明顯的分界面而產生剝落的問題。同時由于大量離子（如氮、碳、硼、鉬等）的注入可使模具基體表面產生明顯的硬化效果，大大降低了摩擦因數，顯著地提高了模具表面的耐磨性、耐腐蝕性、以及抗疲勞等多種性能。因此近年來離子注入技術在模具領域中，如沖裁模、拉絲模、擠壓模、拉伸模、塑料模等都得到了廣泛應用，其平均壽命提高了2～10倍。目前，離子注入技術在模具應用上還存在一些不足，如離子注入層較薄，小孔處理困難，設備復雜昂貴等，其應用受到了一定的限制。

（三）激光表面強化技術

激光用于表面處理的方法多，其中包括：激光相變硬化（LTH），激光表面熔化處理（LSM），激光表面涂覆及合金化（LSC/LSA），激光表面化學氣相沉積（LCVD），激光物理氣相沉積（LPVD），激光沖擊（LSH）和激光非晶化等，其中已被研究用于提高模具壽命的方法有激光相變硬化和激光表面熔覆和合金化。近幾年來，激光熱處理技術在汽車工業、工模具工業中得到了廣泛的應用。它改善金屬材料的耐蝕性，特別是在工模具工業中，經激光熱處理的工模具的組織性能比常規熱處理有很大的改善。

1、激光表面淬火。激光表面淬火是以高能量的激光束輻照到金屬表面，使其表面急速加熱至相變溫度以上轉變為奧氏體，此時基體仍處于冷態，且與加熱區之間有很陡的溫度梯度，當激光束離開后，利用金屬本身的熱傳導進行“自淬火”，發生馬氏體轉變，獲得相變硬化。與傳統的方法相比，激光淬火在表面形成了一層硬度極高的特殊淬火組織。淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高15%～20%，淬硬層可達0.1～2.5mm，可以大幅度提高模具的耐磨性和使用壽命，而且強化后模具表面光滑如初，變形小，基本上不需要再加工就能直接使用，特別適合處理形狀復雜、精加工后不易采用其它強化方法的模具。

2、激光合金化。其是以激光為熱源，在模具表面涂上特定的合金粉末，以足夠的功率及掃描速度，使表面金屬快速熔凝，形成一層具有要求深度和化學成分的合金層，獲取特殊的表面性能。利用激光合金化技術獲得的高性能硬化層與基體結合強度遠高于化學氣相沉積，能在一些表面性能差、價格便宜的金屬表面生成耐磨、耐蝕、耐高溫的合金表面，代替昂貴的整體高級合金，因此在經濟上和技術上都有十分重要意義。

（四）氣相沉積技術

氣相沉積技術是利用氣態物質（氣相）與模具表面發生物理、化學變化，在模具表面形成具有某些特殊性能的合金化合物涂層。根據形成涂層的原理不同，氣相沉積技術分為化學氣相沉積、物理氣相沉積。化學氣相沉積按主要特性分類又可分為熱化學氣相沉積、低壓氣相沉積、等離子氣相沉積、激光（誘導）氣相沉積、金屬有機化合物氣相沉積等；物理氣相沉積可分為真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍等。

三、結語

綜上所述，合理選擇和應用表面處理技術，可以有效提高模具的耐磨性、壽命，從而提高生產產品的質量，取得巨大的經濟效益。隨著科學技術的不斷進步，傳統的表面強化技術也在不斷發展創新。例如，在電弧噴涂方面，發展了高速電弧噴涂，使噴涂質量大大提高；在等離子噴涂方面，已經研究出射頻感應耦合式等離子噴涂、反應等離子噴涂、用三陰槍等離子噴涂及微等離子噴涂；在高能束方面發展了激光或電子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化等技術；在離子注入方面，繼強電流氮離子注入技術后，又研究出強流金屬離子注入技術和金屬等離子體浸沒注入技術等。在處理模具表面強化問題時，新興的表面技術與傳統的表面技術相互補充，為表面工程工作者提供了寬廣的選擇余地。

參考文獻

[1] 陸剛.表面強化技術在模具制造中的應用[J].特鋼技術，2016，（01）：7-12.