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關(guān)鍵字： 模具，表面強(qiáng)化技術(shù)，制造，修復(fù) 摘　要： 本文簡(jiǎn)要介紹了各種表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造和修復(fù)中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了幾種表面強(qiáng)化新技術(shù)在提高模具使用壽命方面的典型案例，并就表面強(qiáng)化新技術(shù)在提高模具使用壽命方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

表面強(qiáng)化技術(shù)不僅能夠提高模具表面耐磨性及其它性能，而且能夠使模具內(nèi)部保持足夠的強(qiáng)韌性，這對(duì)于改善模具的綜合性能、節(jié)約合金元素、大幅度降低成本、充分發(fā)揮材料的潛力以及更好地利用模具新材料都是十分有效的。實(shí)踐證明，表面強(qiáng)化處理是提高工模具質(zhì)量和延長(zhǎng)模具使用壽命的重要途徑。

模具表面強(qiáng)化處理按其原理可分為化學(xué)熱處理、表面涂覆處理和表面加工強(qiáng)化處理。模具表面強(qiáng)化處理的方法多種多樣，不僅包括傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)（如感應(yīng)淬火、火焰淬火等）、熱擴(kuò)滲技術(shù)（如滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等）、熱噴涂技術(shù)、堆焊技術(shù)和電鍍硬鉻技術(shù)外，還有近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的激光表面強(qiáng)化技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)（PVD）、化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）、離子注入技術(shù)等。由于激光和電子束等新能源的能量集中、加熱迅速、加熱層薄、自激冷卻、變形很小、無(wú)需淬火介質(zhì)、有利于環(huán)境保護(hù)、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因而在金屬材料特別是模具材料表面強(qiáng)化方面的應(yīng)用越來(lái)越廣。

表面工程技術(shù)應(yīng)用于模具表面，可達(dá)到如下目的。

（1）提高模具表面硬度、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；

（2）提高模具表面抗擦傷能力和脫模能力，提高生產(chǎn)率；

（3）采用碳素工具鋼或合金鋼，經(jīng)表面涂層或合金化處理后，可達(dá)到甚至超過(guò)高合金化模具材料甚至硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)，不僅可以大幅度降低材料成本，而且可以簡(jiǎn)化模具制造加工工藝和熱處理工藝，降低生產(chǎn)成本。

（4）可用于模具的修復(fù)。尤其是電刷鍍技術(shù)可在不拆卸模具的前提下完成對(duì)模具的修復(fù)，且能保證修復(fù)后的工作面仍有足夠的粗糙度，因而倍受工程技術(shù)人員的重視。

（5）可用于模具表面的紋飾，以提高其塑料制品的檔次和附加值。

1表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造和修復(fù)中的應(yīng)用

（1）表面形變強(qiáng)化技術(shù)。

表面形變強(qiáng)化可以使模具表面產(chǎn)生冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除電火花加工而產(chǎn)生的表面變質(zhì)層，提高模具的疲勞強(qiáng)度，抗沖擊磨損性能，從而達(dá)到提高模具使用壽命的目的。主要適用于落料模、冷沖模、冷鐓模和熱鍛模等以疲勞失效形式主的模具。模具經(jīng)噴丸強(qiáng)化后使用使命的提高見(jiàn)表1。

表1 噴丸對(duì)模具壽命的影響^[1]

模具名稱(chēng)

模具材料

噴丸介質(zhì)

Φ/mm

一次刃磨使用壽命/萬(wàn)次

噴丸前      噴丸后

電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子模

Cr12

0.5鑄鋼丸

1.2~3.2

11.49

定子單槽沖模

Cr12

0.25~0.35玻璃丸

52

70

一字槽光沖模

60Si2Mn

0.25~0.35玻璃丸

0.96~1.35

2.0~2.3

活扳手熱精壓模

3Cr2W8V

0.5鑄鋼丸

0.175

0.263

0.25~0.35玻璃丸

0.388

0.517

（2）表面熱擴(kuò)滲技術(shù)。

用加熱擴(kuò)散的方式使欲滲金屬或非金屬元素滲入模具的表面，形成表面合金層，從而提高模具表面的耐磨性、耐腐蝕性以及疲勞強(qiáng)度等性能。其突出特點(diǎn)是擴(kuò)滲層與基材之間是靠形成合金來(lái)結(jié)合的（即所謂冶金結(jié)合），具有很高的結(jié)合強(qiáng)度，這是其它涂層方法如電鍍、噴鍍或化學(xué)鍍、甚至物理氣相沉積技術(shù)所無(wú)法比擬的。熱擴(kuò)滲技術(shù)又稱(chēng)為熱滲鍍技術(shù)或化學(xué)熱處理技術(shù)^[2-3]。用于熱擴(kuò)滲的元素很多，常用的滲入元素有碳、氮、硅、硼、鋁、釩、鈦、鎢和硫等，二元乃至多元共滲工藝以及稀土多元共滲工藝正在模具表面強(qiáng)化或改性中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。稀土元素的加入對(duì)改善鋼的表層組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)及機(jī)械性能都有極大影響。稀土元素具有提高滲速（滲速可提高25%～30%，處理時(shí)間可縮短1/3以上）、強(qiáng)化表面（稀土元素具有微合金化作用，能改善表層組織結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化模具表面）、凈化表面（稀土元素與鋼中 P、S、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)發(fā)生作用，形成高熔點(diǎn)化合物，同時(shí)抑制這些雜質(zhì)元素在晶界上的偏聚，降低滲層脆性等多種功能。例如，3Cr2W8V鋼制鋁合金壓鑄模經(jīng)900 ^oC×4h稀土硼鋁共滲后，深層厚度30～40μm，硬度1800～2000HV，與基體結(jié)合良好，脆性低；滲層主要由FeAlB和(FeAl)₂B相組成，其抗高溫氧化性能、耐磨性能均優(yōu)于離子氮化和固體滲硼。生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝生產(chǎn)周期短，氧化脫碳容易控制，零件變形小，表面光潔度高，使用壽命成倍增長(zhǎng)^[2]。

（3）堆焊技術(shù)。

堆焊技術(shù)主要用于制造雙金屬模具和損壞模具的修復(fù)。在碳素鋼或鑄鋼基體的表面上，堆焊一層具有特殊性能的表面層，使其達(dá)到耐磨、耐熱或耐腐蝕的目的，可以節(jié)省大量的貴重金屬，提高材料的使用壽命，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。一些經(jīng)常在特殊環(huán)境下工作的模具零件，其表面磨損很?chē)?yán)重，有的甚至破碎或斷裂。采用堆焊工藝進(jìn)行修復(fù)，不僅可以節(jié)省大量的貴重材料，而且堆焊修復(fù)模具的使用壽命與新制造模具壽命相當(dāng)，有的甚至比新模具的使用壽命還長(zhǎng)。例如，選用文獻(xiàn)[3]研制的新型冷沖模堆焊焊條，采用堆焊工藝在普通鑄鐵基體上進(jìn)行了大型修邊模具的堆焊制造和損壞模具的堆焊修復(fù)，結(jié)果表明，采用新型冷沖模堆焊焊條在灰鐵毛坯上堆焊制造大型修邊模具工藝簡(jiǎn)單，堆焊模具的使用壽命與工具鋼鑲塊模具的使用壽命相當(dāng)^[4]。

（4）熱噴涂技術(shù)。

熱噴涂是將噴涂材料經(jīng)特定熱源加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，通過(guò)高速氣流使其霧化并噴射到工件表面，形成耐磨、耐腐蝕以及抗高溫等特殊性能涂層的一種表面加工方法。特別適合于大型模具以及嚴(yán)重磨損條件下工作的模具。熱作模具不僅在較高的溫度環(huán)境下工作，而且遭受磨損、擠壓、沖擊及冷熱疲勞作用，可以選用鈷基自熔合金以及陶瓷來(lái)提高耐熱磨損性能。例如，用工具鋼制作的高熔點(diǎn)金屬擠壓模，擠壓溫度在1320 ^oC以上時(shí)只能進(jìn)行一次作業(yè)，采用等離子噴涂0.5～1.0mm的氧化鋁涂層后，擠壓溫度可達(dá)1650^oC，噴涂氧化鋯涂層，擠壓溫度可達(dá)2370^oC，模具的使用壽命可延長(zhǎng)5~10倍^[5]。表2列出了模具表面熱噴焊工藝的部分實(shí)例。

 

表2模具表面熱噴涂強(qiáng)化應(yīng)用實(shí)例^[6]

模具名稱(chēng)

原材料及處理工藝

新用材料及噴焊工藝

使用效果

基材

處理工藝

基材

噴焊合金

噴焊工藝

耐火磚模

45鋼

熱處理

45鋼

Ni55

火焰二步法

壽命提高9倍

玻璃模具

鑄鐵

熱處理

鑄鐵

Ni25

火焰一步法

壽命提高5倍

熱作模具

3Cr2W8V

熱處理

45鋼

鈷基合金

等離子噴焊

壽命提高2倍

冷沖模沖頭

2Cr13

熱處理

Q235-A

FeNi15

火焰二步法

壽命提高7倍

（5）電鍍及化學(xué)鍍技術(shù)。

作為模具表面強(qiáng)化技術(shù)，首選鍍鉻層，它具有耐磨、減摩、耐熱、耐腐蝕、摩擦系數(shù)低、防咬合等特點(diǎn)，改善模具表面性能，提高模具壽命功能。主要用于塑料模、橡膠模、玻璃模等型腔模的表面硬化。鍍硬鉻層既可以作為模具表面的耐磨層，也可以對(duì)舊模具進(jìn)行修復(fù)。例如塑料膜型腔鍍硬鉻或通過(guò)鍍硬鉻進(jìn)行修復(fù)后，不僅模具使用壽命延

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