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注塑模具工作零件表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用研究

文章來(lái)源: 科翔模具 人氣:12416 發(fā)表時(shí)間:2018-09-20 09:27:01

               模具制造中的表面強(qiáng)化技術(shù)是指模具工作零件表面經(jīng)預(yù)處理后,通過(guò)單一或復(fù)合表面技術(shù)處理,使模具工作零件獲得所需表面或綜合性能的專業(yè)強(qiáng)化技術(shù)。該技術(shù)的功能性、環(huán)保性和增效性等優(yōu)勢(shì)在模具制造成本、模具質(zhì)量和模具壽命等方面起著尤為重要的作用。在生產(chǎn)中,綜合考慮該技術(shù)的特點(diǎn)、模具工作條件和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性等因素,選擇眾因素的最佳匹配點(diǎn),可顯著改善模具壽命、質(zhì)量,獲取突出的經(jīng)濟(jì)效益。

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1、表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 滲碳表面化學(xué)熱處理

滲碳工藝是一種較常使用(80%以上)的模具表面強(qiáng)化技術(shù),該工藝主要針對(duì)塑料模具型腔的表面強(qiáng)化。經(jīng)滲碳處理后的模具工作零件,可達(dá)到“外硬內(nèi)韌”的效果,即工作零件表面獲得硬度、

耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能的提升,而心部仍保持原來(lái)的塑韌性、強(qiáng)度,符合對(duì)模具工作零件使用性能的要求。具有滲速快、滲層深、成本低,且滲層和基體零件之間具有較完美的結(jié)合性能,

結(jié)合層之間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。但操作溫度較高(900~950℃),尤其是離子滲碳溫度可達(dá)1100℃,且滲碳后還需進(jìn)行相應(yīng)的熱處理,從而導(dǎo)致模具變形的可能性加大,因此高精度塑料模具不建議采用該項(xiàng)技術(shù)。

氣體滲碳溫度一般為920~950℃,經(jīng)王榮濱試驗(yàn)綜合評(píng)定:滲碳層表面最合理的含碳量為w(C)0.85%~0.95%,滲層由外向內(nèi)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度應(yīng)均勻平緩,淬火組織中不允許有粗條狀馬氏體,過(guò)多殘奧,網(wǎng)狀碳化物和黑色屈氏體。過(guò)高的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)易使模具零件組織中出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物等惡性組織,影響模具質(zhì)量和壽命,在后續(xù)加工過(guò)程中易出現(xiàn)應(yīng)力集中,產(chǎn)生龜裂等現(xiàn)象。

離子滲碳溫度一般為900~960℃,與氣體滲碳比較,離子滲碳具有效率高、變形小、污染小、可處理任何形狀的模具零件表面等優(yōu)點(diǎn),更適合在塑料模具和沖壓模具表面強(qiáng)化加工中應(yīng)用。

1.2 火焰表面熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)是一種發(fā)展極為迅速的表面強(qiáng)化新技術(shù),它是利用熱源(電弧、離子弧、火焰等)將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài),并使其霧化,以一定的速度噴向經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面,依靠物理變化和化學(xué)變化,與基體結(jié)合的工藝方法,此結(jié)合層,能提高模具零件的耐磨、耐蝕、耐熱等性能,且操作簡(jiǎn)便,成本較低。近年來(lái),該項(xiàng)技術(shù)在模具表面強(qiáng)化中的應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展和完善,廣州有色金屬研究院采用超音速噴涂硬質(zhì)合金工藝,使Cr12不銹鋼拉深

模的壽命提高了3~10倍。同時(shí)該技術(shù)應(yīng)用在模具修復(fù)中也取得較大進(jìn)步,如華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張祥林等采用超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù),在Cr12MoV模具鋼表面制備了納米結(jié)構(gòu)的WC12Co金屬陶瓷涂層,測(cè)得涂層平均剪切強(qiáng)度達(dá)150.8MPa,涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于80 MPa,涂層硬度高于1000HV。運(yùn)用HVOF技術(shù)對(duì)冷擠壓模修復(fù)后,完全能滿足企業(yè)的使用要求。

1.3 復(fù)合表面電鍍技術(shù)

電鍍技術(shù)是一種用電化學(xué)方法在基體表面沉積金屬或金屬化處理的技術(shù)。電鍍硬鉻和硬鎳是我國(guó)塑料模具表面處理的傳統(tǒng)技術(shù)。該技術(shù)在近室溫下進(jìn)行,模具性能幾乎不受影響,也不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形,

同時(shí)電鍍層的表面粗糙度較低,硬度升高為800HV。但仍存在諸多問(wèn)題,如:耐蝕性不高,溝槽、深孔無(wú)法處理,使其在模具強(qiáng)化中的應(yīng)用受到一定限制,目前只可用于強(qiáng)化普通塑料模具的耐磨性,不適用于形狀復(fù)雜且耐蝕性要求高的塑料模具。

目前,復(fù)合鍍是模具行業(yè)中鍍層技術(shù)應(yīng)用最有活力的領(lǐng)域。復(fù)合電刷鍍可強(qiáng)化模具型腔表面,也可用于修復(fù)模具型腔表面。研究發(fā)現(xiàn),在模具型腔表面刷鍍非晶態(tài)鍍層(0.01~0.02mm),可延長(zhǎng)壽命0.5~1.0倍。復(fù)合鍍層中可加入微粒的品種較多,且參數(shù)調(diào)整范圍較寬,可操作性強(qiáng),充分體現(xiàn)出鍍層的多樣性和綜合性。大連理工大學(xué)的于同敏、劉貴昌等將Ni-P-PTFE復(fù)合鍍用于UPVC管件模具表面強(qiáng)化,解決UPVC材料對(duì)模具表面的腐蝕有明顯效果,達(dá)到模具成型表面耐磨耐腐蝕等綜合性能要求,但其硬度稍低。為此哈爾濱工業(yè)大學(xué)的范會(huì)玉在Ni-P的基礎(chǔ)上,將PTFE與SiC微粒復(fù)合,應(yīng)用在玻璃纖維增強(qiáng)的塑料成型模具中,實(shí)踐表明可使其壽命提高10倍左右。

1.4 PVD、CVD、PCVD表面鍍膜技術(shù)

鍍膜技術(shù)也就是氣相沉積技術(shù),是將具有特殊性能的穩(wěn)定化合物沉積于模具工作零件表面,形成超硬鍍膜,使模具工作零件具有優(yōu)異性能。工業(yè)中使用頻率較高的穩(wěn)定化合物主要有TiC、TiN、SiN等。

物理氣相沉積(PVD)是用物理方法使鍍膜材料汽化后在基體表面沉積成覆蓋層的實(shí)用技術(shù)。該技術(shù)在20世紀(jì)初開始應(yīng)用,在最近30年發(fā)展迅速,成為了一門具有廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù),并逐漸向環(huán)保型、清潔型趨勢(shì)發(fā)展,主要用于制造精度較高的冷作模具。江西省科學(xué)

院應(yīng)用物理研究所的彭文屹、張德元采用多弧離子鍍膜法對(duì)20根經(jīng)TiN涂層處理的冷擠壓凸模進(jìn)行實(shí)際使用壽命試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其壽命提高1.5倍以上;廣州有色金屬研究院的林松盛、代明江對(duì)物理氣相沉積硬質(zhì)薄膜在工模具上的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)研究,指出該技術(shù)能明顯提高模具的使用壽命和工件加工質(zhì)量。但是PVD法也存在著諸如繞鍍性差等缺點(diǎn),對(duì)形狀復(fù)雜的模具零件表面進(jìn)行處理存在一定限制。

化學(xué)氣相沉積(CVD)是在900~2000℃范圍內(nèi)用化學(xué)方法使氣體在基體材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成覆蓋層的實(shí)用技術(shù)。該技術(shù)沉積溫度高、涂層結(jié)合牢固,對(duì)模具零件表面形狀幾乎沒(méi)有要求,諸如形狀復(fù)雜或帶有槽溝及小孔的零件均可進(jìn)行均勻涂覆,彌補(bǔ)了物理氣相沉積的相關(guān)缺陷,例如在模具表面強(qiáng)化中經(jīng)常使用的TiC涂層硬度高,耐磨性好,摩擦因數(shù)小,減摩性好,抗咬合性強(qiáng),大幅度提高模具的使用壽命。但CVD法存在處理溫度高,仍需進(jìn)行淬火處理,會(huì)導(dǎo)致較大變形等缺陷,因此在高精度模具的制造中此技術(shù)的使用受到一定限制。

等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD)是利用輝光放電增強(qiáng)反應(yīng)物化學(xué)活性,促進(jìn)氣相間的化學(xué)反應(yīng),在低溫下沉積出優(yōu)質(zhì)鍍層的實(shí)用技術(shù),是介于CVD和PVD之間的一種處理方法。用PCVD法將涂層鍍覆在模具工作零件表面,經(jīng)實(shí)踐證明,經(jīng)濟(jì)效益非??捎^。重慶工學(xué)院的張葉成、張津?qū)CVD技術(shù)在模具強(qiáng)化中的應(yīng)用進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)利用PCVD技術(shù)在W18Cr4V冷擠壓模具上沉積一層TiC,比無(wú)沉積膜層的模具壽命提高10倍以上;將PCVD法用于塑料制品模具上可提高模具壽命1~4倍。北京航空航天大學(xué)的陶冶教授籌建了PCVD表面強(qiáng)化技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室,自行設(shè)計(jì)制造了試驗(yàn)設(shè)備和輔助配套設(shè)施,并及時(shí)得到了自然科學(xué)基金的資助。項(xiàng)目組研制了基于PCVD復(fù)合滲鍍法的模具表面強(qiáng)化技術(shù),具有工藝溫度低、均鍍性好和鍍層結(jié)合力高等優(yōu)點(diǎn),適用于所有高溫回火模具和部分低溫回火模具的制備,是目前唯一一種既適用于刀具強(qiáng)化又適用于形狀復(fù)

雜的模具表面強(qiáng)化的氣相沉積表面強(qiáng)化技術(shù)。由此可見(jiàn),PCVD技術(shù)在模具零件強(qiáng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)有所成就,

并且應(yīng)用前景非常廣闊。

1.5 高能束流強(qiáng)化技術(shù)

高能束流強(qiáng)化技術(shù)具有非接觸、精確可控、材料適應(yīng)性廣、柔性強(qiáng)、質(zhì)量?jī)?yōu)、資源節(jié)約和環(huán)境友好等綜合優(yōu)勢(shì),既可用于大批量高效自動(dòng)化生產(chǎn),又適用于多品種、小批量加工,甚至個(gè)性化產(chǎn)品的訂制,是模具制造業(yè)中不可缺少的重要技術(shù)。其中,離子注入技術(shù)以其幾乎完美的強(qiáng)化效果在冷作模具、熱作模具和塑料模具等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用,其平均壽命一般可提高2~10倍。有重大應(yīng)用價(jià)值。

2、表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用前景展望

根據(jù)研究,稀土元素可以強(qiáng)化表面,提高滲速,凈化穩(wěn)定晶界,同時(shí)改善模具零件表面組織、物理化學(xué)性能和機(jī)械加工性能。把稀土元素應(yīng)用在復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)過(guò)程中,可獲得更加明顯的效果。如在Ni-Cu-P-MoS2鍍層中加入稀土,可使模具型腔面的耐磨壽命延長(zhǎng)近5倍。除此之外,稀土元素在化學(xué)沉積、電沉積、噴涂和激光涂覆等方面都具有明顯的改善作用,但效果尚不十分穩(wěn)定,可見(jiàn)稀土元素應(yīng)用于模具制造將是今后研究的重要方向。

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展,其在提高模具的生產(chǎn)率和壽命方面效果顯著。但該技術(shù)還存在許多不完善的地方,尚有許多工作要做,如:復(fù)雜的模具型腔表面涂層不均勻、沉積參數(shù)不明確、針對(duì)模具零件表面強(qiáng)化機(jī)理未明等問(wèn)題。

3、結(jié)論

模具工作零件表面強(qiáng)化技術(shù)可以在一定程度上彌補(bǔ)目前模具材料的一些不足,并已顯現(xiàn)出極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Γ湍壳暗哪>吡慵砻鎻?qiáng)化技術(shù)而言,仍存在一些不足,其應(yīng)用也受到一定限制,只要注重研究開發(fā),一定會(huì)加快和完善表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造過(guò)程中的應(yīng)用。


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