壓鑄模具表面處理新技術

壓鑄模具是模具中的一個大類。隨著我國汽車摩托車工業的迅速發展，壓鑄行業迎來了發展的新時期。同時，也對壓鑄模具的綜合力學性能、壽命等提出了更高的要求。要滿足不斷提高的使用性能需求僅僅依靠新型模具材料的應用仍然很難滿足，必須將各種表面處理技術應用到壓鑄模具的表面處理當中才能達到對壓鑄模具高效率、高精度和高壽命的要。在各種模具中，壓鑄模具的工作條件是較為苛刻的。壓力鑄造是使熔融金屬在高壓、高速下充滿模具型腔而壓鑄成型，在工作過程中反復與熾熱金屬接觸，因此要求壓鑄模具有較高的耐熱疲勞、導熱性耐磨性、耐蝕性、沖擊韌性、紅硬性、良好的脫模性等。因此，對壓鑄模具的表面處理技術要求較高近年來，各種壓鑄模具表面處理新技術不斷涌現，但總的來說可以分為以下三個大類:(1)傳統熱處理工藝的改進技術;(2)表面改性技術，包括表面熱擴滲處理、表面相變強化、電火花強化技術等;(3)涂鍍技術，包括化學鍍等。
    1、傳統熱處理工藝的改進技術
    傳統的壓鑄模具熱處理工藝是淬火-回火，以后又發展了表面處理技術。由于可作為壓鑄模具的材料多種多樣，同樣的表面處理技術和工藝應用在不同的材料上會產生不同的效果。史可夫最近提出針對模具基材和表面處理技術的基材預處理技術，在傳統工藝的基礎上，對不同的模具材料提出適合的加工工藝，從而改善模具性能，提高模具壽命。熱處理技術改進的另一個發展方向，是將傳統的熱處理工藝與先進的表面處理工藝相結合，提高壓鑄模具的使用壽命。如將化學熱處理的方法碳氮共滲，與常規淬火、回火工藝相結合的NQN(即碳氮共滲-淬火-碳氮共滲)復合強化，不但得到較高的表面硬度，而且有效硬化層深度增加、滲層硬度梯度分布合理、回火穩定性和耐蝕性提高，從而使得壓鑄模具在獲得良好心部性能的同時，表面質量和性能大幅提高。
    2、表面改性技術
    2.1表面熱擴滲技術
    這一類型中包括有滲碳、滲氮、滲硼以及碳氮共滲、硫碳氮共滲等。
    2.1.1滲碳和碳氮共滲
    滲碳工藝應用于冷、熱作和塑料模具表面強化中，都能提高模具壽命。如3Cr2W8V鋼制的壓鑄模具，先滲碳、再經1140～1150℃淬火，550℃回火兩次，表面硬度可達HRC56～61，使壓鑄有色金屬及其合金的模具壽命提高1.8～3.0倍。進行滲碳處理時，主要的工藝方法有固體粉末滲碳、氣體滲碳、以及真空滲碳、離子滲碳和在滲碳氣氛中加入氮元素形成的碳氮共滲等。其中，真空滲碳和離子滲碳則是近20年來發展起來的技術，該技術具有滲速快、滲層均勻、碳濃度梯度平緩以及工件變形小等特點，將會在模具表面尤其是精密模具表面處理中發揮越來越重要的作用。
    2.1.2滲氮及有關的低溫熱擴滲技術
    這一類型中包括滲氮、離子滲氮、碳氮共滲、氧氮共滲、硫氮共滲以及硫碳氮、氧氮硫三元共滲等方法。這些方法處理工藝簡便、適應性強、擴滲溫度較低(一般為480～600℃)、工件變形小，尤其適應精密模具的表面強化，而且氮化層硬度高、耐磨性好，有較好的抗粘模性能。3Cr2W8V鋼壓鑄模具，經調質、520～540℃氮化后，使用壽命較不氮化的模具提高2～3倍。美國用H13鋼制作的壓鑄模具，不少都要進行氮化處理，且以滲氮代替一次回火，表面硬度高達HRC65～70，而模具心部硬度較低、韌性好，從而獲得優良的綜合力學性能。氮化工藝是壓鑄模具表面處理常用的工藝，但當氮化層出現薄而脆的白亮層時，無法抵抗交變熱應力的作用，極易產生微裂紋，降低熱疲勞抗力。因此，在氮化過程中，要嚴格控制工藝，避免脆性層的產生。最近，國外提出采用二次和多次滲氮工藝。采用反復滲氮的辦法可以分解容易在服役過程中產生微裂紋的氮化物白亮層，增加滲氮層厚度，并同時使模具表面存在很厚的殘余應力層，使模具的壽命得以明顯提高。此外還有采用鹽浴碳氮共滲和鹽浴硫氮碳共滲等方法。這些工藝在國外應用較為廣泛，在國內較少見。如TFI+ABI工藝，是在鹽浴氮碳共滲后再于堿性氧化性鹽浴中浸漬。工件表面發生氧化，呈黑色，其耐磨性、耐蝕性、耐熱性均得到了改善。經此方法處理的鋁合金壓鑄模具壽命提高數百小時。再如法國開發的硫氮碳共滲后進行氮化處理的oxynit工藝，應用于有色金屬壓鑄模具則更具特點。
    2.1.3滲硼
    由于滲硼層的高硬度(FeB:HV1800～2300、Fe2B:HV1300～1500)、耐磨性和紅硬性，以及一定的耐蝕性和抗粘著性，滲硼技術在模具工業中獲得較好的應用效果。但因壓鑄模具工作條件十分苛刻，故滲硼工藝較少應用于壓鑄模具表面處理中，但近年來，出現了改進的滲硼方法，解決了上述問題，而得以應用于壓鑄模具的表面處理，如多元、涂劑粉末滲等。涂劑粉末滲硼的方法是將硼化合物和其他滲劑混合后涂覆在壓鑄模具表面，待液體揮發后，再按照一般粉末滲硼的方法裝箱密封，920℃加熱并保溫8h，隨之空冷。這種方法可以獲得致密、均勻的滲層，模具表面滲層硬度、耐磨性和彎曲強度都得到提高，模具使用壽命平均提高2倍以上。
    2.1.4稀土表面強化
    近年來，在模具表面強化中采用加入稀土元素的方法得到廣泛推崇。這是因為稀土元素具有提高滲速、強化表面及凈化表面等多種功能〔13〕，它對改善模具表面組織結構，表面物理、化學及力學性能均有極大地影響，可提高滲速、強化表面、生成稀土化合物。同時可消除分布在晶界上微量雜質的有害作用，起著強化和穩定模具型腔表面晶界的作用。另外，稀土元素與鋼中的有害元素發生作用，生成高熔點化合物，又可抑制這些有害元素在晶界上偏聚，從而降低深層的脆性等。在壓鑄模具表面強化處理工藝中加入稀土元素成分，能夠明顯提高各種滲入法的滲層厚度、提高表面硬度，同時使得滲層組織細小彌散、硬度梯度下降，從而使得模具的耐磨性、抗冷、熱疲勞性能等顯著提高，從而大幅度提高模具壽命。目前應用于壓鑄模具型腔表面的處理方法有:稀土碳共滲、稀土碳氮共滲、稀土硼共滲、稀土硼鋁共滲、稀土軟氮化、稀土硫氮碳共滲等。
    2.1.5表面被覆強化
    近年來由于冷焊技術的發展，使得表面處理技術得到很大的提高，特別是ESD-05上市以后，可以使用碳化物等不同材質的焊材對表面進行處理，這種方式方便簡單，成本低，使用方便。同時效果也好，漸漸的已經成為行業的主選。