. 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。