１、引言
根据国际生产技术协会表示 ,模具成型有逐渐代替传统切削加工的趋势 ,到２０００年 ,机器零件粗加工的７５ %、精加工的５０ % ,由模具成型完成。然而国内模具制造周期一般为工业发达国家的２倍 ,而使用寿命仅为１／５。因此 ,研究与探讨模具型腔表面强化技术 ,提高模具的寿命 ,是一项**有现实意义的工作。然而 ,模具主要有塑性变形失效、磨损失效、疲劳失效、冷热疲劳失效、断裂失效等５种。为了使模具不过早失效 ,必须使模具型腔面具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳和抗高温氧化性能。当然除了正确选用模具材料、保证加工精度和表面粗糙度之外 ,对模具型腔进行表面强化处理至关重要。根据有关资料介绍 ,从影响模具失效因素分析 ,获知热处理因素占５２ %。
２、模具型腔面的工况
按目前各种模具工况分析 ,其工作条件差别甚大 ,而失效形式也是千差万别。特别是在１副模具上会同时出现多种形式的损伤 ,这种损伤形式交叉出现 ,并且相互影响 ,相互促进 ,加速模具过早失效。特别是热作模具 ,它在一定的负荷下 ,使炽热的固体金属材料产生一定的塑性变形 ,或者使高温的液体金属压铸成形 ,或者使炽热的非金属注射成型。然而使炽热的固体金属材料产生塑性变形的模具主要是热锻模、热挤压模、热镦模等。热锻模型腔面破坏的主要影响因素及它们的重要联系。模具型腔破坏将是成形部分的不可逆变形、磨损和产生裂纹 ,其原因是与模具的工作环境有关。热锻模破坏的主要影响因素热锻模使用时 ,型槽表面接触是炽热的毛坯 ,其表面迅速受热升温到４００～７００℃ ,内层尚处于较低的温度。表层受热膨胀 ,又受到内层的约束 ,因而产生压应力 ,当制件脱模时 ,又向模具表面喷洒冷却液和润滑剂使表层又下降到１５０～２００℃而收缩 ,当表面又受到内层的限制时 ,便产生了拉应力 ,在拉压应力的交变作用下 ,引起疲劳失效。与此同时 ,伴随着模具的工作型面与高温的坯料接触 ,可使型腔表面温度超过模具钢的回火温度 ,因而型槽内壁软化而被压塌或压堆 ,型槽尺寸变样 ,失去其尺寸和形状精度而失效。加之 ,型面受高温软化使耐磨性能降低 ,以及氧化皮也起到磨料作用和高温氧化腐蚀、变形金属的磨损作用 ,加剧模具型腔磨损速度 ,使模具过早失效。在加工成型时 ,型面受瞬时的冲击载荷 ,产生的内应力超过材料强度极限 ,使模具过早失效。模具在上述工作条件下工作时 ,它应具有下列性能 :①高温下能保持高的强度和良好的冲击韧性 ;②优良的耐磨性和一定的硬度 ;③优良的耐热疲劳性 ;④高的渗透性和整体综合性能。对热挤压模具而言 ,同样在高温工作条件下使用 ,承受巨大的压力和严重的磨损。因此 ,也要求模具具有良好的耐磨性、红硬性和抗疲劳性。
３、模具型腔表面强化处理的目的
表面强化处理技术是以提高模具型腔的抗疲劳性为主要目的 ,对于高强度钢 ,使承受弯扭交变应力的疲劳强度的提高特别显著。其原因 :一是疲劳强度裂纹往往是从型腔面微裂纹开始 ,可见模具型腔面的表面质量是影响抗疲劳性的关键因素 ,然而表面强化处理可抑制表面裂纹萌芽和扩展速率。二是在表面强化处理的同时 ,往往型腔面产生残留应力和外加应力合成后 ,可降低表面实际拉应力 ,甚至可转变为压应力 ,如果模具型腔表面有缺陷或者在裂纹周围产生足够大的残留应力 ,就能防止裂纹扩展 ,这样即可提高模具使用寿命。模具型腔表面过早的磨损失效 ,只发生在摩擦表面之间 ,根据磨损的机理 ,都是发生在模具型腔表面及其约几十微米深度内的亚表面处。因此 ,只要改善模具型腔表面和亚表面的材料性能就可以了 ,不必改变模具整体材料的性能。采用表面强化处理后 ,可以形成型腔表面和心部要求不同的性能 ,以满足其各自不同的使用性能要求。对于挤压模、锻模 ,承受巨大负荷的型腔表面要求具有高的耐磨性 ,而其心部需要较高的抗拉和抗弯强度。如果使用同一材料 ,整体均匀处理是无法满足上述要求的。在材料的选用上 ,可选用廉价材料 ,加上表面强化处理 ,可达到同样的目的。
４、模具型腔表面强化处理实例
电火花表面强化技术———利用电火花强化金属表面的部位 ,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 ,可强化压铸模、锻模等等。它们通过电火花强化之后 ,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 ,一般经强表面强化处理技术一览表化的模具 ,使用寿命可延长数倍。对定子冲片双槽冲模模具型腔面表面强化 ,模具材料Ｃｒ１２ ,冲材为０．５ｍｍ硅钢片 ,强化部位 : 涂敷面高度 :４～５ｍｍ。定子冲片双槽冲模强化部位１．凸模２．凹模强化Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｈ部位电规范 :粗加工电压５０Ｖ、电容２０μＦ ,精规范 :电压４０Ｖ、电容２０μＦ 。
５、模具型腔表面强化技术的发展方向
（１）大力应用化学镀复合材料。在塑料工业中 ,大量使用注射模制造塑料制品 ,尤其是使用玻璃纤维增强的热固性塑料时 ,使模具型腔容易腐蚀磨损失效。实践证明 :在加工玻璃纤维增强的热固性塑料所用的注射模模具寿命大约为１万次 ,若这种模具采用化学镀镍磷镀层后 ,其寿命增加了３倍。而采用５０μｍ厚的化学镀镍磷 -ＳｉＣ复合镀层 ,并经热处理后寿命增加到１５倍。这种镀层优于其它镀层或热处理钢。
（２）采用复合电刷液。电刷镀技术是随着生产发展起来的一项表面强化技术 ,它具有设备轻便 ,工艺灵活 ,镀积速度快 ,结合强度高 ,环境污染少等一系列优点。目前 ,采用单一电刷镀液较多 ,如果零件表面质量要求较高 ,并需要具有多种性能 ,应大力推广使用复合电刷液。即在一般电刷镀液的基础上 ,采用新的工艺和新的溶液。根据有关资料介绍 :经生产使用证明 ,采用以镍、钴、二氧化锆复合电刷镀液 ,使处理的型腔表面耐磨性大为提高 ,并有较高的硬度 ,镀层表面比较理想 ,经抛光后达到镜面(Ｒａ＝０．０１μｍ) ,与本体结合力强、成本低 ,应用广泛。复合电刷镀液不仅起着强化模具型腔面的作用 ,而且还可以修复模具型腔面 ,在机器制造中 ,热锻模具、冲压模具、注射模具的用量大、制造周期长、成本高 ,因此模具的修复和延长寿命有着双重意义。可利用复合电刷液强化型腔面的优点 ,又可修复大量模具型腔 ,为了延长模具寿命 ,可在模具型腔表面刷液０．０１～０．０２ｍｍ非晶态镀层 ,可使寿命延长２０ %～１００ %。
（３）稀土元素表面强化技术。在模具型腔面表面强化技术中 ,稀土元素的加入对改善模具钢的表面组织结构、物理、化学及机械性能均有极大的影响 ,可提高渗速、强化表面、生成稀土化合物。同时可消除分布在晶界上微量杂质的有害作用 ,起着强化和稳定模具型腔面的晶界。另外 ,稀土元素与钢中的有害元素发生作用 ,生成高熔点化合物 ,又可抑制这些有害元素在晶体上偏聚 ,降低渗层的脆性等多种功能。若稀土元素Ｒｅ与氮形成Ｒｅ—Ｎ氮化物 ,使氮化物高度弥散的状态分布在共渗层 ,可增加共渗层的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性。常见的稀土元素表面强化技术有以下几种形式应用在模具型腔面上 :①稀土碳共渗 :Ｒｅ—Ｃ共渗 ;②稀土碳、氮共渗 :Ｒｅ—Ｃ—Ｎ共渗 ;③稀土硼共渗 :Ｒｅ—Ｂ共渗 ;④稀土硼、铝共渗 :Ｒｅ—Ｂ—Ａｌ共渗。采用稀土元素对模具型腔表面强化 ,开辟了延长模具寿命的一种新的途径表面强化技术在模具型腔的应用。