模具表面處理技術(shù)

1、模具表面處理技術(shù)2007-06-16 18:54摘 要：本文從滲碳/氮技術(shù)、氣相沉積、高能量密度能源等方面扼要的綜述了模具表面強(qiáng)化技術(shù) ，并介紹了稀土表面工程技術(shù)和納米表面工程在模具制造中的應(yīng)用。簡(jiǎn)要的敘述了拋光的內(nèi)涵，分析了模具表面研磨拋光方法。關(guān)鍵詞:模具；模具表面強(qiáng)化技術(shù)；模具表面強(qiáng)化技術(shù)；拋光1 引言        制造業(yè)的迅猛發(fā)展,對(duì)模具工業(yè)提出了更高的要求, 提高模具的加工質(zhì)量，表面精度和光潔度以及使用壽命是各國(guó)科學(xué)家和工程師孜孜以求的奮斗目標(biāo)。表面處理技術(shù)使得模具行業(yè)煥然一新，表面強(qiáng)化技術(shù)以其廣泛的功能性、手段的多樣性、

2、潛在的創(chuàng)新性、很強(qiáng)的實(shí)用性、良好的環(huán)保性以及巨大的增效性等優(yōu)勢(shì)正逐步成為提高模具質(zhì)量和使用壽命的重要途徑，而模具型腔研磨、拋光技術(shù)是模具制造的重要環(huán)節(jié)之一，是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)。2模具表面強(qiáng)化技術(shù)       2.1常用的滲碳/氮技術(shù)        滲碳技術(shù)是對(duì)含碳量在011 %0. 25 %的鋼進(jìn)行增加模具表面層的碳濃度,以在后續(xù)的熱處理中提高模具表面耐磨性和疲勞強(qiáng)度,而芯部仍保持良好韌性的一種技術(shù)，其處理技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用范圍廣。滲碳技術(shù)主要包括固體滲碳、氣

3、體滲碳和液體滲碳。把氮滲入模具表面可以增加其表面硬度,耐磨性,疲勞強(qiáng)度,抗咬合性，抗蝕性及抗高溫軟化性；其主要包括氣體滲氮、液體滲氮、輝光離子滲氮。       2.2表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)        噴丸強(qiáng)化的機(jī)理是大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸噴射到模具表面，使表面產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的塑性變形。這種變形使模具表面產(chǎn)生了一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)與基體完全不同的加工硬化層和殘余壓應(yīng)力層。在壓力層上有相當(dāng)高的表面壓應(yīng)力，能夠大大推遲其疲勞破壞，即使在很高的外部應(yīng)力作用下，也不產(chǎn)生表面失效。所以，強(qiáng)化

4、層會(huì)顯著地提高模具在室溫和高溫工作下的疲勞強(qiáng)度，達(dá)到提高模具壽命的目的。       2.3化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD技術(shù)）       化學(xué)氣相沉積（CVD）是把一種或幾種含有構(gòu)成薄膜元素的化合物、單質(zhì)氣體通入置有工件的反應(yīng)室，借助氣相作用或在工件上的化學(xué)反應(yīng)生成所希望的薄膜。它幾乎可以制備任何金屬、非金屬元素及其化合物（如碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、金屬間化合物等）的沉積層。CVD能夠在模具表面沉積一些如TiN、TiC、TiCN、Al2O3 等硬質(zhì)膜，大大提高了

5、模具的耐磨、耐蝕性。       2.4物理氣相沉積（PVD技術(shù)）        物理氣相沉積（PVD）包括蒸鍍、離子鍍、濺射三類。模具表面主要沉積TiC 及TiN，特別適用于承受高負(fù)荷的模具。如對(duì)Cr12MoV 鋼落料模、拉深模、彎曲模、沖孔模等采用PVD 或CVD 沉積TiC，模具壽命提高3 倍以上。各高速鋼制冷作模具，沉積TiN 和TiC 后，使用壽命提高610 倍。在模具表面若采用CVD 技術(shù)沉積金剛石或類金剛石模，則會(huì)使該模具獲得最高的硬度和最好的耐磨性，最長(zhǎng)的使用

6、壽命。但目前，價(jià)格也最貴。        2.5熱噴涂層     熱噴涂層具有耐磨、耐蝕、減摩、抗咬合等性能。可為模具提供耐磨而堅(jiān)韌的熱噴涂厚涂層，特別適用于大型模具、嚴(yán)重磨損條件下的模具，例如冷拔無(wú)縫鋼管內(nèi)模，原采用45 鋼滲碳再鍍鉻，使用壽命為冷拔2040 根，采用火焰噴涂鎳基耐磨涂層，可拉拔無(wú)縫鋼管250 根。用灰口鑄鐵制作的玻璃模具，熱噴涂鎳基自熔合金，壽命提高5 倍以上。熱噴涂幾乎可以將所有的金屬或非金屬（包括金屬、合金、氧化物、碳化物、塑料、尼龍、石墨等）噴涂于金屬或非金屬基材料上，硬度可以視

7、需          2.6高能量密度能源表面處理技術(shù)        新型熱源如激光束、電子束、離子束的出現(xiàn),為表面處理技術(shù)的發(fā)展另辟蹊徑， 由于這些熱源具有能量高、加熱迅速、加熱層薄、自激冷卻、變形很小、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn), 大大促進(jìn)了其在表面強(qiáng)化方面的開發(fā)和應(yīng)用。            2.6.1 離子注入技術(shù)  

8、;        離子注入技術(shù)是將注入元素的原子電離成離子, 在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件表面的一種表面處理技術(shù)。大量離子(如氮、碳、硼、鉬等)的注入可使模具基體表面產(chǎn)生明顯的硬化效果, 大大降低了摩擦因數(shù), 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(lái)離子注入技術(shù)在模具領(lǐng)域中如沖裁模、拉絲模、擠壓模、拉伸模、塑料模等得到了廣泛應(yīng)用, 其平均壽命可提高210 倍。表1為離子注入技術(shù)在模具中的使用效果。但是目前離子注入技術(shù)在運(yùn)用中還存在一些不足如離子注入層較薄、小孔處理困難、設(shè)備復(fù)雜昂貴等

9、,其應(yīng)用也受到一定的限制。 表1 離子注入在模具中的使用效果 模具名稱 被加工材料 注入離子 使用壽命銅拉絲模 WC- 6%Co N、C 提高46倍 環(huán)形沖壓模 工具鋼 N 提高10倍塑料擠壓摸P20 N 提高23倍鋼絲拉模 WC- 6%Co N 提高3倍 注射模 WC- 6%Co N 提高58倍 凹槽模 WC- 6%Co N 提高18倍 2.6.2 激光表面強(qiáng)化技術(shù)         激光表面強(qiáng)化處理工藝主要包括有表面淬火、熔凝、合金化、涂覆等技術(shù)。在模具表面強(qiáng)化中,激光表面淬火應(yīng)用最為普遍。光表面淬火其表面形成了一層硬度極

10、高的特殊淬火組織。其硬度高，耐磨性可提高, 淬硬層深度可達(dá)0.13.5mm, 大大延長(zhǎng)了模具的使用壽命；適合于形狀復(fù)雜、精加工后不易采用其他方法強(qiáng)化的模具處理。而激光表面熔凝基本原理是利用激光束對(duì)模具表面進(jìn)行熔融和激冷處理, 從而使所獲的組織非常細(xì)小,甚至可能獲得非晶態(tài)組織,因而表面強(qiáng)化性能更高, 對(duì)低碳鋼、中碳鋼、低合金工具鋼等處理后, 其表面性能幾乎可與高強(qiáng)度模具鋼相媲美，激光強(qiáng)化處理模具的使用壽命如表2。 表2激光強(qiáng)化處理模具的使用壽命 模具名稱 模具材料 原處理工藝 激光處理后壽命提高倍數(shù) 山字型硅鋼片鐵芯沖模 Cr12 淬火+ 低溫回火 33% B9硅鋼片鐵芯沖模 Cr12 淬火+

11、低溫回火 60% 裁紙刀 T10 調(diào)質(zhì) 50倍,達(dá)300萬(wàn)沖次鋁飯盒蓋拉伸模 45 火焰淬火 69倍 2.7稀土和納米表面工程技術(shù)        稀土表面工程是指在化學(xué)熱處理、氣相沉積等技術(shù)中摻入微量稀土元素CeO2、La2O3、LaF3、CeF3、CeS2 作為催化劑，起到優(yōu)化工藝過(guò)程、增加滲（鍍）層深度、改善滲 （鍍）層組織和性能的作用。5CrNiMo熱鍛模經(jīng)加稀土的 CN共滲，模具滲透性與回火穩(wěn)定性提高，壽命較常規(guī)熱處理高2倍。       納米表面工程是通過(guò)特定的加工

12、手段，用納米材料和其他低維非平衡材料對(duì)固體表面進(jìn)行強(qiáng)化、改性、超精細(xì)加工，使加工表面被賦予新功能，產(chǎn)生具有力、熱、磁等超強(qiáng)性能的低維度、小尺寸功能化表面。與其他表面工程技術(shù)相比，削弱了基體性能和功能對(duì)表面功能的影響，擴(kuò)大了表面改性、加工的自由度，加工表面的作用更加突出。     3模具表面拋光技術(shù)      3.1拋光內(nèi)涵     先 引入研磨的概念所謂的研磨就是在不影響工件形狀的前提下，盡可能減小工件表面粗糙度值的方法，研磨是使用氧化鋁或碳化硅磨粒和以鑄鐵或氧化鋁制成的研磨

13、用 平板從事玻璃透鏡等工件研磨加工，而拋光主要是使工件的表面具有光澤的效果，即經(jīng)過(guò)磨合后的工件，需再次經(jīng)過(guò)拋光處理才具有光學(xué)性的光澤面，故拋光可以看 成是研磨的最后工序，而我們常說(shuō)的拋光往往是兩者的結(jié)合。      拋光的種類比較多。有手工拋光、化學(xué)拋光、電解拋光、超聲波拋光、擠壓珩磨拋光、使用拋光機(jī)械進(jìn)行拋光等、但對(duì)于形狀比較復(fù)雜的模具型腔來(lái)說(shuō)、手工拋光仍然是目前主要的操作方法，        3.2模具表面研磨拋光方法分析     模具表面的研磨拋光包

14、括粗磨、精磨和拋光。粗磨使模具表面(構(gòu)形) 接近幾何形狀精度要求,精磨使模具表面(構(gòu)形) 達(dá)到幾何精度要求,接近表面粗糙度要求,而拋光是使模具表面(構(gòu)形) 達(dá)到表面粗糙度要求。根據(jù)磨石的運(yùn)動(dòng)方式,拋光以分為往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式。根據(jù)磨石與模具表面的接觸方式又分為線接觸和面接觸。      提高模具研磨拋光的效率、改善模具表面質(zhì)量的最主要方式是使用剛性磨石、旋轉(zhuǎn)面接觸的工藝,而這樣的工藝僅在全自動(dòng)拋光設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)/ 風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)上的夾頭全為剛性,不具備控制磨石方位的功能,而人為地控制磨石方位在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)是不可能實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)用剛性磨石進(jìn)行粗磨、精磨及拋光,采用面接觸是提高模具表面質(zhì)量的較佳途徑。用剛性磨石進(jìn)行研磨拋光的最大優(yōu)點(diǎn)是減小幾何形狀誤差。只要是半波長(zhǎng)小于或等于磨石線長(zhǎng)度范圍內(nèi)的局部凸起或凹陷,在