“電火花線切割”—模具制造之表面強化技術應用（一） 電火花技術在模具業(yè)廣泛應用。表面強化技術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)部保持足夠的強韌性，這對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。實踐證明，表面強化處理是提高工模具質(zhì)量和延長模具使用壽命的重要途徑。——電火花線切割機
模具表面強化處理按其原理可分為化學熱處理、表面涂覆處理和表面加工強化處理。模具表面強化處理的方法多種多樣，不僅包括傳統(tǒng)的表面淬火技術（如感應淬火、火焰淬火等）、熱擴滲技術（如滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等）、熱噴涂技術、堆焊技術和電鍍硬鉻技術外，還有近20年來迅速發(fā)展起來的激光表面強化技術、物理氣相沉積技術（PVD）、化學氣相沉積技術（CVD）、離子注入技術等。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、無需淬火介質(zhì)、有利于環(huán)境保護、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因而在金屬材料特別是模具材料表面強化方面的應用越來越廣。
表面工程技術應用于模具表面，可達到如下目的。
（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，可達到甚至超過高合金化模具材料甚至硬質(zhì)合金的性能指標，不僅可以大幅度降低材料成本，而且可以簡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。尤其是電刷鍍技術可在不拆卸模具的前提下完成對模具的修復，且能保證修復后的工作面仍有足夠的粗糙度，因而倍受工程技術人員的重視。
（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、表面強化技術在模具制造和修復中的應用
（1）表面形變強化技術。
表面形變強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，提高模具的疲勞強度，抗沖擊磨損性能，從而達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)噴丸強化后使用使命的提高見表1。
（2）表面熱擴滲技術。
用加熱擴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度等性能。其突出特點是擴滲層與基材之間是靠形成合金來結合的（即所謂冶金結合），具有很高的結合強度，這是其它涂層方法如電鍍、噴鍍或化學鍍、甚至物理氣相沉積技術所*的。熱擴滲技術又稱為熱滲鍍技術或化學熱處理技術[2-3]。用于熱擴滲的元素很多，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化或改性中發(fā)揮著越來越大的作用。稀土元素的加入對改善鋼的表層組織結構、物理、化學及機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%，處理時間可縮短1/3以上）、強化表面（稀土元素具有微合金化作用，能改善表層組織結構，強化模具表面）、凈化表面（稀土元素與鋼中P、S、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點有害雜質(zhì)發(fā)生作用，形成高熔點化合物，同時抑制這些雜質(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)900oC×4h稀土硼鋁共滲后，深層厚度30～40μm，硬度1800～2000HV，與基體結合良好，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)試驗結果表明，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[2]。
（3）堆焊技術。
堆焊技術主要用于制造雙金屬模具和損壞模具的修復。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，其表面磨損很嚴重，有的甚至破碎或斷裂。采用堆焊工藝進行修復，不僅可以節(jié)省大量的貴重材料，而且堆焊修復模具的使用壽命與新制造模具壽命相當，有的甚至比新模具的使用壽命還長。例如，選用文獻[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行了大型修邊模具的堆焊制造和損壞模具的堆焊修復，結果表明，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[4]。
（4）熱噴涂技術。
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提高耐熱磨損性能。例如，用工具鋼制作的高熔點金屬擠壓模，擠壓溫度在1320℃以上時只能進行一次作業(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1650℃，噴涂氧化鋯涂層，擠壓溫度可達2370℃，模具的使用壽命可延長5~10倍[5]。表2列出了模具表面熱噴焊工藝的部分實例。
（5）電鍍及化學鍍技術。
作為模具表面強化技術，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，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，也可以對舊模具進行修復。例如塑料膜型腔鍍硬鉻或通過鍍硬鉻進行修復后，不僅模具使用壽命延長，而且壓縮過程中有利于塑料流動充滿型腔，便于脫模，塑料件表面光亮。但電鍍層與鋼的結合強度有限，以及熱膨脹系數(shù)差異大等問題，不能用于經(jīng)受急冷急熱作用的熱作模。電刷鍍Co-N、Co-Mo鍍層，化學鍍Ni-P鍍層，Ni-SiC、Ni-B彌散鍍層等都在模具表面得到了應用，提高了模具的使用壽命，多新的特點而被廣泛用于微電子和光電子工業(yè)，用于沉積多種功能膜層。目前正在耐磨、耐蝕、裝飾等領域開展應用研究。
（6）電火花強化技術。
電火花表面強化技術是利用電火花放電時釋放的能量把作為火花放電電極的導電材料（如WC、TiC）熔滲進模具的表面，起到強化模具表面的作用。模具經(jīng)過電火花強化之后，為了得到所要求的精度，可進行適當?shù)哪ハ骷庸ぃハ骱蟛⒉粫绊憦娀瘜拥挠捕群湍湍バ裕ㄔ诒３直砻鎸佑捕鹊臈l件下）。磨削后在強化表面會殘留微孔，將顯著改善配合零件的潤滑條件，另一方面又可改善耐磨性能。使用壽命可延長數(shù)倍。
該方法較其他方法簡單，效果好，因而它在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應用。利用電火花裝置，可強化冷沖模、壓彎模、拉深模、擠壓模、壓鑄模和某些熱沖、熱鍛模具。一般經(jīng)強化的模具，可提高使用壽命0.5～2倍[7]。
（7）激光表面強化技術。近幾年來，激光熱處理技術在汽車工業(yè)、工模具工業(yè)中得到了廣泛的應用。它改善金屬材料的耐蝕性，特別是在模具工業(yè)中，經(jīng)激光熱處理的模具的組織性能比常規(guī)熱處理有很大的改善。激光表面強化技術主要包括激光淬火、激光熔凝硬化、激光合金化、激光熔覆等。
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