模具制造中表面工程技術的應用

模具制造中表面工程技術的應用

0表面工程技術的應用和完善國際建模協(xié)會（internationalacademyofinformationsecurity）的專家認為，模型是金屬加工的皇帝。而模具材料又是模具工業(yè)的基礎。但即使是新型模具材料仍難以滿足模具的較高綜合性能的要求。表面工程是當前材料科學與工程領域中表現(xiàn)較為活躍、發(fā)展較為迅速的分支。表面工程具有學科的綜合性,手段的多樣性,廣泛的功能性,潛在的創(chuàng)新性,環(huán)境的保護性,很強的實用性和巨大的增效性,因而受到各行各業(yè)的重視。表面工程技術在模具制造領域中的應用,在很大程度上彌補了模具材料的不足?？捎糜谀＞咧圃斓谋砻婀こ碳夹g十分廣泛,既包括傳統(tǒng)的表面淬火技術、熱擴滲技術、堆焊技術和電鍍硬鉻技術,又包括近20年來迅速發(fā)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、熱噴涂技術、熱噴焊技術、復合電鍍技術、復合電刷鍍技術和化學鍍技術等。而稀土表面工程技術的進展和納米表面工程技術的興起必將進一步推動模具制造的表面工程技術的發(fā)展。表面工程技術應用于模具型腔表面處理,可達到如下目的:(1)提高模具型腔表面硬度、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。提高模具型腔表面抗擦傷能力和脫模能力,從而提高生產(chǎn)率。(2)經(jīng)表面涂層或合金化處理過的碳素工具鋼或低合金鋼,其綜合性能可達到甚至超過高合金化模具材料及硬質(zhì)合金的性能指標,從而可大幅度降低材料成本。(3)可以簡化模具制造加工工藝和熱處理工藝,降低生產(chǎn)成本。(4)可用于模具型腔表面的紋飾,以提高制品的檔次和附加值。(5)可用于模具的修復等再制造工程。1金納米涂層強化模具設計與加工熱擴滲技術是用加熱擴散的方式使欲滲金屬或非金屬元素滲入金屬材料或工件的表面,從而形成表面合金層的工藝。其突出特點是擴滲層與基材之間是靠形成合金來結合的,具有很高的結合強度,這是其它涂層方法如電鍍、噴鍍、化學鍍、甚至物理氣相沉積技術所無法比擬的。常用于熱擴滲的合金元素包括碳、氮、硅、硼、鋁、釩、鈦、鎢、鈮、硫等。上述元素都已在不同程度上應用于各類模具型腔表面的強化。隨著熱擴滲技術的不斷發(fā)展,二元乃至多元共滲工藝在模具表面強化中發(fā)揮越來越大的作用。對不同滲入元素或不同模具種類而言,最佳滲入工藝也不盡相同,這里介紹在模具表面強化中應用最多的幾種熱擴滲工藝。1.1模具壽命提高滲碳具有滲速快、滲層深、滲層硬度梯度與成分梯度可方便控制、成本低等特點,能有效地提高材料的室溫表面硬度、耐磨性和疲勞強度等。滲碳工藝應用于模具表面強化的第一個方面是低、中碳鋼的滲碳。滲碳應用于冷作、熱作和塑料模具上,都能提高模具壽命。對于注塑模,特別是在成形對型腔起磨粒磨損的塑料制品時,可采用20#鋼粗加工成模,進行型腔表面滲碳,再經(jīng)過精加工拋光后投入使用,除了可以降低表面粗糙度外,模具的耐磨性也會相應提高。又如3Gr2W8V鋼制壓鑄模具,先滲碳再經(jīng)1140℃~1150℃淬火,550℃回火兩次,表面硬度可達58~61HRC,使壓鑄有色金屬及其合金的模具壽命提高1.8~3.0倍。滲碳工藝應用于模具表面強化的第二個方面是“碳化物彌散析出滲碳”,簡稱CD滲碳法。它是采用含有大量強碳化物形成元素(如Cr、Ti、Mo、V)的模具鋼在滲碳氣氛中加熱,在碳原子自表面向內(nèi)部擴散的同時,滲層中會沉淀出大量彌散合金碳化物,如(Cr·Fe)7C3、(Fe·Cr)3C、V4C3、TiC,從而實現(xiàn)了CD滲碳。CD法滲碳層中,滲層表面含碳量(質(zhì)量分數(shù),下同)高達2%~3%,彌散碳化物含量達50%以上,且碳化物呈細小均勻分布。CD滲碳件直接淬火或重新淬火回火后可獲得很高的硬度和優(yōu)異的耐磨性。經(jīng)CD滲碳的模具心部沒有出現(xiàn)象Cr12型模具鋼和高速鋼中的粗大共晶碳化物和嚴重碳化物偏析,因而其心部韌性比Cr12MoV鋼提高3~5倍。實踐表明,CD滲碳模具的使用壽命大大超過消耗量占冷作模具鋼首位的Cr12型冷作模具鋼和高速鋼。在對各類模具進行滲碳處理時,主要的滲碳工藝方法有固體粉末滲碳、氣體滲碳以及近20年來迅速發(fā)展起來的真空滲碳及離子滲碳。其中,固體滲碳和氣體滲碳應用廣泛,但真空滲碳和離子滲碳技術由于具有滲速快、滲層均勻、碳濃度梯度平緩以及工件變形等特點,將會在模具表面尤其是精密模具表面處理中發(fā)揮越來越重要的作用。1.2可擴滲表面的熱壓法氣體法低溫表面熱擴滲工藝在模具的表面強化處理中占有十分重要的地位。其處理工藝簡便,擴滲溫度較低,能適應冷作模具、熱作模具以及塑料模具等對型腔表面的各種要求。常用的擴滲工藝有滲氮、軟氮化(鐵素體氮碳共滲)、氧氮共滲、硫氮共滲乃至硫碳氮、氧氮硫三元共滲等方法。1.2.1在模具設計方面,我國一般將氮滲入鋼件的過程稱為鋼的氮化或滲氮。氮化層的硬度高(950~1200HV),耐磨性、疲勞強度、紅硬性及抗咬合性均優(yōu)于滲碳層。由于氮化溫度低(一般為480℃~600℃),工件變形很小,尤其適應一些精密模具的表面強化。例如,3Cr2W8V鋼壓鑄模、擠壓模等經(jīng)調(diào)質(zhì)并在520℃~540℃氮化后,使用壽命較不氮化的模具提高2~3倍。又如,從德國引進的熱沖模經(jīng)解剖分析,發(fā)現(xiàn)其表面約有140μm的滲氮層。美國用H13鋼制作的壓鑄模具,不少都要進行氮化處理,且以滲氮代替一次回火,表面硬度高達65~70HRC,而模具心部硬度較低,韌性好,從而獲得優(yōu)良的綜合力學性能。氣體氮化法是采用最為廣泛的滲氮工藝。離子氮化法是為解決氣體氮化工藝工效低、時間長而發(fā)展起來的工藝,其特點是滲氮速度快、滲層成分及其梯度易控制、節(jié)能、省氣、滲層質(zhì)量好、工作環(huán)境好等。1.2.2鋼內(nèi)裂化氣的熱擴滲工藝軟氮化是將鋼件在570℃左右加熱,以尿素或氨氣或醇類裂化氣為滲劑,向鋼內(nèi)同時擴滲碳、氮原子的熱擴滲工藝。氣體軟氮化比氣體氮化滲速快、所需費用低,將其應用于冷、熱作模具鋼,可提高模具的耐磨性、抗高溫氧化性和抗粘著性。2熱噴涂技術和噴焊接技術2.1表面涂層方法熱噴涂技術是將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài),用高速氣流將其霧化、加速,使其以高速噴射到工件表面,形成耐磨、耐蝕以及抗高溫氧化等特殊性能涂層的表面涂層方法。按加熱噴涂材料的熱源種類來劃分,主要有燃氣法、電氣法和高能束加熱法三類。熱噴涂層由于不致密,與基材結合強度不高,在模具表面強化中難以發(fā)揮作用,于是涂層重熔使之與基材形成冶金結合、降低氣孔率工藝的熱噴焊就應運而生。2.2經(jīng)濟效益分析熱噴焊工藝特別是氧乙炔火焰噴焊工藝簡便,設備投資少,便于推廣,廣泛應用于模具表面的強化,提高耐蝕性、耐磨性和延長使用壽命,經(jīng)濟效益十分可觀。3相態(tài)積分析技術氣相沉積技術按照成膜機理,可分為化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩大類。3.1物理氣相沉積在真空條件下,以各種物理方法產(chǎn)生的原子或分子沉積在基材上,形成薄膜或涂層的過程稱為物理氣相沉積。按照沉積時物理機制的差別分為真空蒸鍍(VE)、真空濺射(VS)和離子鍍(IP)三種類型。其中采用多弧離子鍍膜方法鍍覆TiN、TiC耐磨涂層已在工模具表面強化方面取得了廣泛的生產(chǎn)應用。3.2表面活性劑和涂層化學氣相沉積是采用含有膜層中各元素的揮發(fā)性化合物或單質(zhì)蒸氣,在熱基體表面產(chǎn)生氣相化學反應,反應產(chǎn)物形成沉積涂層的一種表面技術。該技術在機械工業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用,特別是一些如氮化物、碳化物、金剛石和類金剛石等超硬膜的沉積,大大提高了如模具等工件的耐磨、耐蝕性。4復合鍍層的制備電鍍層的應用,主要是在防蝕與裝飾方面。復合電鍍層的出現(xiàn),為解決高溫腐蝕、高溫強度和磨損,提供了一種很有前途的方法。采用復合電鍍,可以制備各類耐磨鍍層。如采用基質(zhì)金屬——金剛石顆粒的復合鍍層、Ni-P-SiC復合鍍層,用于工模具表面具有良好的耐磨性。近年來,為了提高復合鍍層的耐磨性,采取了如下措施:(1)采用合金鍍層,包括Ni-Co、Ni-Mn、Ni-Fe、Ni-P鍍層等,代替單金屬鍍層,以較大幅度地提高模具表面的硬度。(2)采用硬Cr層作為基質(zhì)金屬,可比純Cr層耐磨性提高1~3倍。(3)采用聚四氟乙烯(PJFE)作為共沉積微粒制備的Ni-PJFE復合鍍層常用于橡膠模和注塑模的脫模鍍層。在摩擦磨損試驗機上的試驗結果表明Ni-PJFE復合鍍層的磨損量是硬Cr層的1/10,光亮Ni層的1/50左右。5復合電刷鍍模具采用鎳、鈷、二氧化鋯復合電刷鍍液,使處理的模具型腔表面耐磨性大為提高,并有較高的硬度,鍍層表面比較理想,與本體結合力強,經(jīng)拋光后達到鏡面,成本低,應用廣泛。針對熱鍛模具、沖壓模具、注射模具用量大、制造周期長、成本高的特點,利用復合電刷鍍不僅可強化模具型腔表面,還可修復型腔面(屬再制造工程),從而延長模具壽命。如在模具型腔表面刷鍍0.01~0.02mm的非晶態(tài)鍍層,可使壽命延長20%~100%。6模具型腔表面強化化學鍍的均鍍能力強,由于沒有外電源,沒有電流密度的影響,鍍層可在形狀復雜的模具型腔基材表面均勻沉積。特別是化學鍍Ni-P層,其硬度可達1000HV,已接近一些硬質(zhì)合金的硬度,而且具有相當高的耐磨能力。Ni-P鍍層無疑會在模具型腔表面強化中發(fā)揮作用。據(jù)文獻報道,化學鍍Ni-P層目前已用于鋅壓鑄模、注塑模等模具,起到了良好的強化作用,提高了模具的壽命。7對模具型腔進行表面改性的方法激光束、離子束、電子束是三大高能束。由于它們的能量密度極高,對材料表面進行加熱時,加熱速度極快,整個基體的溫度在加熱過程中基本不受影響。這樣對處理件的形狀、性能等也不產(chǎn)生影響。因此采用這三大高能束對模具型腔進行表面改性,正引起了人們的關注。如利用激光材料表面強化技術(包括激光相變硬化(LTH)、激光表面合金化(LC)、激光表面熔覆(LSC)等),在聚乙烯造粒模具上熔覆CO——包WC或Ni基合金涂層等,可得無氣孔的致密熔覆層,降低模具型腔表面粗糙度,大大減小磨損。8在其他方面的應用稀土表面工程技術中極少有直接使用純稀土金屬的,絕大多數(shù)使用稀土化合物,最常見的幾種化合物有CeO2、La2O3、LaF3、CeF3、CeS2、Y2O3及稀土硅鐵等。表面工程中加入稀土元素通常采用化學熱處理、噴涂、電沉積、氣相沉積和激光涂覆等方法。稀土元素對化學熱處理的影響主要表現(xiàn)為有顯著的催滲作用,大大優(yōu)化工藝過程;加入少量稀土化合物,滲層深度可以明顯增加;改善滲層組織和性能。從而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高溫氧化性和抗沖擊磨損性。利用熱噴涂和噴焊技術,將稀土元素加入涂層,可取得良好的組織與性能,使模具型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。物理氣相沉積膜層性能的優(yōu)劣和膜與基體結合強度大小密切相關,稀土元素的加入有利于改善膜與基體的結合強度,膜層表面致密度明顯增大。同時,加入稀土元素可以使膜層耐磨性能也得到明顯改善,例如應用于模具型腔表面的超硬TiN膜(加入稀土元素),使模具型表面呈現(xiàn)出高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的化學穩(wěn)定性,提高了模具的使用壽命。含稀土化合物的涂覆層,可大幅度提高模具金屬材料表面對激光輻照能量的吸收率,對降低能耗和生產(chǎn)成本,以及推廣激光表面工程技術都有重要意義。稀土涂覆層經(jīng)激光處理后,組織和性能發(fā)生明顯改善,涂覆層的硬度和耐磨性顯著提高,耐磨性是45#鋼調(diào)質(zhì)的5~6倍。對加入CeO2的熱噴涂層進行激光重熔,研究發(fā)現(xiàn)合金化層的顯微組織明顯改變,晶粒得到細化。激光重熔加入稀土后的噴焊合金,稀土化合物質(zhì)點在其中彌散強化,降低晶界能量,提高晶界的抗腐蝕性能,模具型腔表面的耐磨性也大大增強,有的文獻報道稀土元素提高了耐磨性達1~4倍。另外,有研究發(fā)現(xiàn),加入混合稀土化合物的效果優(yōu)于單一稀土化合物。把稀土元素加入鍍層可采用電刷鍍、電鍍等電沉積方法。稀土甘氮酸配合物的加入使鍍層防氧鈍化壽命明顯提高;稀土元素有催化還原SO2的作用,可以抑制Ni-Cu-P/MoS2電刷鍍鍍層中MoS2的氧化,明顯改善了鍍層的減摩性能,提高了抗腐蝕的能力,使模具型腔表面的耐磨壽命延長近5倍。9納米表面加工技術納米表面工程是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎,通過特定的加工技術、加工手段,對固體表面進行強化、改性、超精細加工,或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。因其以具有許多特質(zhì)的低維非平衡材料為基礎,它的研究和發(fā)展將產(chǎn)生具有力、熱、聲、光、電、磁等性能的許多低維度、小尺寸、功能化表面。與傳統(tǒng)表面工程相比,納米表面工程取決于基體性能和功能的因素被弱化,表面處理、改性和加工的自由度擴大,表面加工技術的作用將更加突出。傳統(tǒng)材料表面的低維化材料生長、組裝,以及利用低維化材料對傳統(tǒng)材料進行表面超精加工是納米表面工程的主體技術。納米表面工程技術是極具應用前景和市場潛力的。據(jù)德國科技部統(tǒng)計,在2000年材料表面的納米薄膜器件組裝和超精度加工的市場容量接近6000億美元。9.1復合鍍層的制備在傳統(tǒng)的電鍍液中加入零維或一維納米質(zhì)點粉體材料可形成納米復合鍍層。用于模具的Cr-DNP納米復合鍍層,可使模具壽命延長、精度持久不變,長時間使用鍍層光滑無裂紋。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復合鍍層。