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模具材料及其表面处理技术的发展

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：何平平

[导读] 摘要：现如今，表面处理技术已经广泛地运用于模具生产中，这就使得模具材料本身的不足，通过这种技术处理，能够有效地进行弥补，从而明显地增强了模具表面的抗摩擦能力和脱模能力，让模具生产企业的效率大大地提高。

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        摘要：现如今，表面处理技术已经广泛地运用于模具生产中，这就使得模具材料本身的不足，通过这种技术处理，能够有效地进行弥补，从而明显地增强了模具表面的抗摩擦能力和脱模能力，让模具生产企业的效率大大地提高。
        关键词：冲压模具；表面处理技术；模面处理；处理方法
        1模具材料的应用与发展
        尽管我国模具产业获得了长足的进步，产量已达到世界第三位，但还不是模具强国，在模具设计水平和制造水平方面，与世界发达国家相比还存在明显的不足，其中，模具材料的落后是限制我国成为模具强国的瓶颈之一据统计分析，在模具失效诸多因素中，材料和热处理因素约占70％J；在材料冶炼、铸造、锻造、热处理等工艺方面也存在一系列问题，因而模具使用寿命较低。模具材料质量不高主要体现在模具钢品种规格少，产品结构不尽合理以及材料的冶炼质量不够等方面。目前国外已普遍采用电炉加炉外精炼来生产高纯精度的模具钢，还可以选用精炼、双真空冶炼、电渣重熔、钢锭高温均匀化处理、大压下量多向锻造或多向轧制、或大型水压机开坯和精锻机组锻造、钢材组织细化处理等设备和工艺方法来进一步提高钢材质量。而我国模具材料发展历史短，特别在工序和质量控制、质量检测手段等方面与国外存在差距，导致产品的表面质量和尺寸精度与国外同类产品相比还存在着不小的差距；另外，模具新材料及其热处理、表面强化等新工艺的研究与应用偏少，造成模具材料性能不能得到有效提高，应用也受到一定限制。
        模具材料是模具的制造基础，在模具设计与制造中合理选择模具材料、正确实施模具热处理工艺，是保证模具寿命、提高模具质量和使用效率的关键。因此结合模具的使用特征，通过表面处理技术改善材料的性能，是一种有效的手段。
        2表面处理技术
        2.1物理表面处理法
        第一，高频表面淬火。这种方法的使用原理是把模具放在交变磁场当中，通过磁场产生的热量来为模具材料加热。通过交变磁场的电流的频率都比较高，而电流所产生的热量，能够渗透的层次却非常薄。所以，运用这种表面处理技术进行模具表面处理之后，模具表面的硬度就会比较高，经过多次的实验研究可以得出结论，这种表面处理技术比传统的淬火工艺可以提高HRC2-3，并且具有很大的脆性，这就使得模具表面的疲劳强度要比传统淬火工艺处理之后的明显地提高了，如果是小尺寸的模具，强度会一般会变为原来的两倍或更高。通过高频表面淬火工艺进行加热，能够利用温度来更为精准的控制模具的硬度，对于投入批量的机械化生产和自动化生产有着重要的意义。第二，表面涂镀层法。这种方法的原理相对来说较为简单，主要是通过镀层技术将材料外加于模具的表面，这种方法能够直接将性质比较优良的材料直接附加于模具上，使其能够完全保有镀层材料的优势，同时对于模具本身材料的影响也比较小。运用这种表面处理技术，能够更为精确地把握镀层的厚度，在不影响模具整体性能的前提之下，使其具备镀层材料的更高强度、更好的耐磨性，从而让模具表面能够拥有更为理想的性能。第三，火焰表面淬火法。利用这种表面处理技术进行加工时，主要使用到的材料是氧乙炔，通过对模具表面进行相应的加工并且使其快速地冷却，让模具表面的材料厚度控制在2-10毫米范围之内，从而明显地提升模具材料的抗摩擦性能，并且能够在工艺装备完成之后，依旧保持模具装配精度，且有效地简化模具配件的生产工序。只有通过这种方法，才能够让模具原本的补焊修复拥有更为可靠的保证，提升模具材料的实际质量，让模具的生产工艺得以提升、生产效率显著提高。
        2.2化学表面处理法
        化学表面处理法和物理表面处理法的原理有着很大的不同。它指的是将汽车冲压模具放置到具备一定温度的活性介质中，让介质中的一种或者多种元素逐渐地渗透进模具材料的表面。

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这种处理方法不止是让多种材料进行彼此之间的融合，更重要的是，通过化学法来改变冲压模具表面材料的化学成分和化学性质，从而让冲压模具表面材料能够在表面处理技术的控制之下，达到一定的技术标准。模具表面渗透入的元素不同，其表面的抗摩擦能力和抗腐蚀能力的变化也会有很大的差别。通过模具渗碳，能够有效地提高模具整体的韧性，让模具的表面强度具有明显的提升，其耐磨性也更好。运用这种表面处理技术，就可以不再依赖于比较高级昂贵的材料，通过多种低级材料的相互渗透融合，运用渗碳淬火的处理方法，达到与高级材料处理之后类似的效果。这种表面处理技术，不止能够保证模具材料的质量能够达到工艺要求，同时也可以帮助模具生产企业有效地降低生产成本。除了渗碳处理之外，渗氮处理也是较为常见的化学表面能处理法。这种表面处理技术其实是同时向模具零件的表面渗入碳和氮气，渗透的过程中，液体和气体会同时进入模具表面。这种化学处理技术主要是通过将氮气渗透到不同模具工件的表面，使其具备更为优良的特定，结合模具淬火工艺，达到更好的产品质量效果。渗氮工艺对于温度的要求并不高，并且进行处理的过程中，模具也不会发生明显的变形，这就很大程度上保持了模具的质量。
        2.3表面覆层处理法
        第一，离子注入法。运用离子注入的方式，可以将金属元素以蒸汽或者气体的形式进入电离室，并且把金属元素电离成为正离子，之后再通过高压电场实现加速，并且以极高的运动速度把正离子嵌入模具表面。离子注入的方式能够快速地形成非晶态或者饱和固溶体等结构，让模具表面的性质被改变，从而在力学性能等方面显现出更为良好的状态，提升模具的抗摩擦能力与抗疲劳能力。第二，热喷涂法。热喷涂技术主要是采用热喷涂的方式，将金属陶瓷涂层喷涂在模具的表面，使模具具有更好的抗冲击能力、能够抵抗更高的温度变化，并且抗疲劳能力也在很大的程度上增强。使得模具表面具有更好的性能，满足模具生产的质量要求。第三，电镀表面处理法。电镀表面处理法对于模具的形变影响比较小，模具在经过这种方法处理之后，并不会发生明显的形变，并且这种表面处理技术也不需要较高的温度，模具的性能也不会受到影响。并且模具在经过电镀表面处理之后，由于镀层本身的摩擦系数比较低，因此，模具的耐磨性能会大幅度地提高。但是镀层一般抗腐蚀能力比较差，如果对于模具的耐腐蚀性要求比较高，这种表面处理技术并不适用。
        3表面处理技术应用的项目管理
        3.1处理技术应用的原则
        模具表面处理技术的应用，与生产企业的技术能力、生产设备、工作经验有着很大的关系。一般情况下，为了保证外板工件面品的完整性，不允许生产企业对模具的主型面进行多次的补焊调整，必须要一次性加工成型。如果在模具的生产设计过程中出现失误，整个模具就必须要重新设计生产，这就会造成整个生产环节中的每一个步骤都必须重复，从而延长了模具生产的周期。
        3.2规范技术管理
        模具生产企业在运用表面处理技术的同时，也应当制定相应的管理方案，来对其进行规范化管理。通过对表面处理技术的可行性进行验证，确保其能够有效提高模具生产的质量，再投入到实际生产中，并且在长时间的生产工作中积累经验，提升整体的生产质量，让规范化的表面处理技术管理贯穿整个模具生产过程，让先进的技术为企业带来更多的经济效益。
        结语
        目前，大部分表面处理技术均需要大型的专用设备，成本较高，因此仍然只在一些精密、长寿命模具上应用。结合我国目前模具制造业的结构特点，除了继续完善现有模具表面处理工艺之外，还应该研究与开发低成本模具表面处理技术，进一步扩大模具表面处理技术的应用范围，从整体上提高我国的模具制造水平。
        参考文献：
        [1]张翠杰，王文龙.表面处理技术在汽车冲压模具中的应用研究[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（08）：152-153.
        [2]王鑫，张耀虎.汽车零件冲压模具用导柱表面Ni-SiO2纳米复合镀层的耐磨性能[J].兵器材料科学与工程，2017，40（06）：66-69.