“电火花线切割”—模具制造之表面强化技术应用(一)

　　【编者按】电火花技术在模具业广泛应用。表面强化技术不仅能够提高模具表面耐磨性及其它性能，而且能够使模具内部保持足够的强韧性，这对于改善模具的综合性能、节约合金元素、大幅度降低成本、充分发挥材料的潜力以及更好地利用模具新材料都是十分有效的。实践证明，表面强化处理是提高工模具质量和延长模具使用寿命的重要途径。

　　模具表面强化处理按其原理可分为化学热处理、表面涂覆处理和表面加工强化处理。模具表面强化处理的方法多种多样，不仅包括传统的表面淬火技术(如感应淬火、火焰淬火等)、热扩渗技术(如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等)、热喷涂技术、堆焊技术和电镀硬铬技术外，还有近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术(PVD)、化学气相沉积技术(CVD)、离子注入技术等。由于激光和电子束等新能源的能量集中、加热迅速、加热层薄、自激冷却、变形很小、无需淬火介质、有利于环境保护、便于实现自动化等优点，因而在金属材料特别是模具材料表面强化方面的应用越来越广。

　　表面工程技术应用于模具表面，可达到如下目的。

　　(1)提高模具表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能，大幅度提高模具的使用寿命;

　　(2)提高模具表面抗擦伤能力和脱模能力，提高生产率;

　　(3)采用碳素工具钢或合金钢，经表面涂层或合金化处理后，可达到甚至超过高合金化模具材料甚至硬质合金的性能指标，不仅可以大幅度降低材料成本，而且可以简化模具制造加工工艺和热处理工艺，降低生产成本。

　　(4)可用于模具的修复。尤其是电刷镀技术可在不拆卸模具的前提下完成对模具的修复，且能保证修复后的工作面仍有足够的粗糙度，因而倍受工程技术人员的重视。

　　(5)可用于模具表面的纹饰，以提高其塑料制品的档次和附加值。

　　1、表面强化技术在模具制造和修复中的应用

　　(1)表面形变强化技术。

　　表面形变强化可以使模具表面产生冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除电火花加工而产生的表面变质层，提高模具的疲劳强度，抗冲击磨损性能，从而达到提高模具使用寿命的目的。主要适用于落料模、冷冲模、冷镦模和热锻模等以疲劳失效形式主的模具。模具经喷丸强化后使用使命的提高见表1。)

　　(2)表面热扩渗技术。

　　用加热扩散的方式使欲渗金属或非金属元素渗入模具的表面，形成表面合金层，从而提高模具表面的耐磨性、耐腐蚀性以及疲劳强度等性能。其突出特点是扩渗层与基材之间是靠形成合金来结合的(即所谓冶金结合)，具有很高的结合强度，这是其它涂层方法如电镀、喷镀或化学镀、甚至物理气相沉积技术所无法比拟的。热扩渗技术又称为热渗镀技术或化学热处理技术[2-3]。用于热扩渗的元素很多，常用的渗入元素有碳、氮、硅、硼、铝、钒、钛、钨和硫等，二元乃至多元共渗工艺以及稀土多元共渗工艺正在模具表面强化或改性中发挥着越来越大的作用。稀土元素的加入对改善钢的表层组织结构、物理、化学及机械性能都有极大影响。稀土元素具有提高渗速(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、Bi、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，降低渗层脆性等多种功能。例如，3Cr2W8V钢制铝合金压铸模经900oC×4h稀土硼铝共渗后，深层厚度30～40μm，硬度1800～2000HV，与基体结合良好，脆性低;渗层主要由FeAlB和(FeAl)2B相组成，其抗高温氧化性能、耐磨性能均优于离子氮化和固体渗硼。生产试验结果表明，该工艺生产周期短，氧化脱碳容易控制，零件变形小，表面光洁度高，使用寿命成倍增长[2]。

　　(3)堆焊技术。

　　堆焊技术主要用于制造双金属模具和损坏模具的修复。在碳素钢或铸钢基体的表面上，堆焊一层具有特殊性能的表面层，使其达到耐磨、耐热或耐腐蚀的目的，可以节省大量的贵重金属，提高材料的使用寿命，具有很大的经济效益。一些经常在特殊环境下工作的模具零件，其表面磨损很严重，有的甚至破碎或断裂。采用堆焊工艺进行修复，不仅可以节省大量的贵重材料，而且堆焊修复模具的使用寿命与新制造模具寿命相当，有的甚至比新模具的使用寿命还长。例如，选用文献[3]研制的新型冷冲模堆焊焊条，采用堆焊工艺在普通铸铁基体上进行了大型修边模具的堆焊制造和损坏模具的堆焊修复，结果表明，采用新型冷冲模堆焊焊条在灰铁毛坯上堆焊制造大型修边模具工艺简单，堆焊模具的使用寿命与工具钢镶块模具的使用寿命相当[4]。

　　(4)热喷涂技术。

　　热喷涂是将喷涂材料经特定热源加热至熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化并喷射到工件表面，形成耐磨、耐腐蚀以及抗高温等特殊性能涂层的一种表面加工方法。特别适合于大型模具以及严重磨损条件下工作的模具。热作模具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，可以选用钴基自熔合金以及陶瓷来提高耐热磨损性能。例如，用工具钢制作的高熔点金属挤压模，挤压温度在1320℃以上时只能进行一次作业，采用等离子喷涂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℃，模具的使用寿命可延长5~10倍[5]。表2列出了模具表面热喷焊工艺的部分实例。

　　(5)电镀及化学镀技术。

　　作为模具表面强化技术，首选镀铬层，它具有耐磨、减摩、耐热、耐腐蚀、摩擦系数低、防咬合等特点，改善模具表面性能，提高模具寿命功能。主要用于塑料模、橡胶模、玻璃模等型腔模的表面硬化。镀硬铬层既可以作为模具表面的耐磨层，也可以对旧模具进行修复。例如塑料膜型腔镀硬铬或通过镀硬铬进行修复后，不仅模具使用寿命延长，而且压缩过程中有利于塑料流动充满型腔，便于脱模，塑料件表面光亮。但电镀层与钢的结合强度有限，以及热膨胀系数差异大等问题，不能用于经受急冷急热作用的热作模。电刷镀Co-N、Co-Mo镀层，化学镀Ni-P镀层，Ni-SiC、Ni-B弥散镀层等都在模具表面得到了应用，提高了模具的使用寿命，多新的特点而被广泛用于微电子和光电子工业，用于沉积多种功能膜层。目前正在耐磨、耐蚀、装饰等领域开展应用研究。

　　(6)电火花强化技术。

　　电火花表面强化技术是利用电火花放电时释放的能量把作为火花放电电极的导电材料(如WC、TiC)熔渗进模具的表面，起到强化模具表面的作用。模具经过电火花强化之后，为了得到所要求的精度，可进行适当的磨削加工，但磨削后并不会影响强化层的硬度和耐磨性(在保持表面层硬度的条件下)。磨削后在强化表面会残留微孔，将显著改善配合零件的润滑条件，另一方面又可改善耐磨性能。使用寿命可延长数倍。

　　该方法较其他方法简单，效果好，因而它在实际生产中得到广泛的应用。利用电火花装置，可强化冷冲模、压弯模、拉深模、挤压模、压铸模和某些热冲、热锻模具。一般经强化的模具，可提高使用寿命0.5～2倍[7]。

　　(7)激光表面强化技术。

　　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，特别是在模具工业中，经激光热处理的模具的组织性能比常规热处理有很大的改善。激光表面强化技术主要包括激光淬火、激光熔凝硬化、激光合金化、激光熔覆等。

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