“电火花穿孔机”—模具制造之表面强化技术应用（二）

1）激光表面淬火；
　　
　　由于激光处理时的冷速极快，可使奥氏体晶粒内部形成的亚结构在冷却时来不及回复及再结晶，从而可获得超细的隐针马氏体结构，可显著提高强韧性，延长模具使用寿命。现用于激光淬火的模具材料有CrWMn、Cr12MoV、9CrSi、T10A、W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、GCr15等。这些钢种经激光淬火后，其组织性能均得到很大的改善。例如GCr15冲孔模，把其硬度由HRC58～62降至HRC45～50，并用激光进行强化处理，白亮层硬度为HV849，基体硬度为HV490，硬化层深度为0.37mm，模具使用寿命提高2倍以上[8]。又如CrWMn钢加热时易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳化物，显著增加脆性，降低冲击韧性，耐磨性也不能满足要求。采用激光淬火可获细马氏体和弥散分布的碳化物颗粒，消除了网状。在淬火回火态下激光淬火可获得zui大硬化层深度及zui高硬度HV1017[9]。Cr12MoV钢激光淬火后的硬度、抗塑性变形和抗粘磨损能力均较常规热处理有所提高[10]。W6Mo5Cr4V及W18Cr4V高速钢激光淬火后具有较常规淬火更高的硬度,中温回火可以进一步提高激光硬化层的硬度，这是由于激光超快速加热时固溶了更多的碳及合金元素所致[11，12]。
　　
　　2）激光表面熔凝硬化；
　　
　　用高能激光照射模具表面，被照射区将以*的速率熔化，由于熔化区相对于模具基体来说非常下，冷却速度极快。5CrMiMo渗硼层在激光熔凝处理后，与原始渗硼层相比，强化层深度增加，强化层硬度趋于平缓，渗硼层的脆性得以改善[13]。
　　
　　3）激光表面合金化；
　　
　　激光表面合金化是采用激光照射预先涂敷在模具表面的合金涂敷层，使之熔化并与基体表面混合，形成物理状态、组织结构和化学成分不同于基体的新表层，从而提高模具表面的耐磨性、耐腐蚀性和高温抗氧化性等。CrWMn经复合粉末激光合金化，可使耐磨性大大提高，其体积磨损量为淬火CrWMn的1/10，寿命提高14倍[14]。M2高速钢激光表面钴合金化后，表面层Co含量可达2%～5%，合金化层中Co含量的变化受激光工艺参数和预沉积Co厚度控制，合金化层硬度可达700~800HV，再经过热处理后硬度可达HV1150，明显高于M2高速钢基体[15]。
　　
　　4）激光表面熔覆；
　　
　　激光表面熔覆采用激光束在选定的模具表面熔覆一层特殊性能的材料，以达到模具表面具有耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能。激光表面熔覆与火焰喷焊、等离子喷焊相比具有以下优点：①熔覆层稀释率低，且可以控制；②激光束的能量密度高，作用时间短，对模具基体热影响区及热变形均可降低到zui小程度；③熔覆层组织细密微观缺陷少，结合强度高；④熔覆层的尺寸大小和位置可以控制；⑤激光表面熔覆对环境无污染，无辐射，噪音低，劳动条件得到较大改善。例如，在有送粉器的2KWCO2激光器上，对4Cr5MoV1Si基体表面熔覆一层由Ni基高温合金和WC+W2C粒子组成的高温耐磨合金粉末，可获得多道搭接的大面积高温耐磨合金。该工艺应用于轧钢机导向板*，经生产检验，激光熔覆导向板的寿命较4Cr5MoV1Si钢导向板提高4倍以上。另外采用激光熔覆方法还可以将失效的导向板重新熔覆继续使用[16]。目前如何避免大型工件的熔覆层开裂以及如何降低激光熔覆成套设备的成本仍是该方法需要解决的关键问题。
　　
　　（8）物理气相沉（PVD）。
　　
　　物理气相沉积技术具有处理温度低、热畸变小、无公害、容易获得超硬层、涂层均匀等特点，被应用于精密模具表面强化处理，显示出良好的应用效果。采用PVD处理获得的TiN层可保证将塑料模的使用寿命提高3～9倍，金属压力加工工具寿命提高3～59倍。例如，录音机磁头外壳拉深模采用PVD涂敷TiN处理后，可大大提高模具的使用寿命，如表3。
　　
　　从表3可以看出，YG20硬质合金模具经TiN沉积处理后，模具寿命可以提高3倍以上，但比日本进口的硬质合金模具的寿命还有一定的差距。
　　
　　（9）化学气相沉积（CVD）。
　　
　　化学气相沉积技术zui初发展的原动力是微电子技术，用该方法可以在模具表面涂覆厚度为10μm左右的超硬陶瓷材料，如TiN、TiC、TiB2、Ti（CB）等，使模具表面具有硬度高、摩擦系数小、抗粘接性能好、耐磨性、耐蚀性以及耐氧化性好等优点。CVD处理的模具形状不受任何限制。CVD可以在含碳量大于0.8%的工具钢、渗碳钢、高速钢、轴承钢、铸铁以及硬质合金等表面上进行。气相沉积TiC、TiN能应用于挤压模、落料模和弯曲模，也适用于粉末成型模和塑料模等。在金属模具上涂覆TiC、TiN覆层的工艺，其覆层硬度高达3000HV，且耐磨性好、抗摩擦性能提高、冲模的使用寿命可提高2～12倍。模具表面CVD法涂覆后使用寿命的提高如表4所示。
　　
　　（10）离子注入。
　　
　　离子注入是将所需要注入的原子（通常有Ni、Ti、Ta、Cd、B、N等）在加速器的离子源中电力为离子，然后通过离子加速器的高压电场将其加速成具有几万到几十万电子伏的高能离子束流，再经磁分析器提纯后，离子束流强行注入固体表面，获得所期望的具有特殊物理、化学或力学性能的工件表面。
　　
　　从原理上讲，各种工模具材料均可通过离子注入进行表面强化，改善抗磨损特性并使改性层韧化。考虑到改性效果和zui大经济效益，常用合金元素含量较高的中高合金材料。目前研究和应用较多的材料为W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、Cr12MoV、H13等。离子注入提高模具寿命的实例如表5所示[18]。
　　
　　后言—电火花穿孔机
　　
　　探讨表面强化技术在模具制造中的应用具有重要的实际意义。通过表面处理，可以改变模具表层的成份和组织，可使模具具有内部韧、表面硬、耐磨、耐热、耐蚀、抗疲劳、抗粘结的优异性能，可几倍乃至几十倍地提高模具使用寿命。相对于模具制造的总费用来说，表面强化工艺成本较低，而模具寿命可提高几倍甚至几十倍，具有事半功倍之效。模具表面强化处理的方法很多，结合各种模具的工作条件及其使用的经济性等因素综合考虑，正确运用表面强化技术是提高模具寿命的一个行之有效的重要途径。尽管表面技术特别是新型表面强化技术在模具制造中的应用还相对较少，但随表面工程技术的发展，表面强化技术在模具制造领域将会得到极其广阔的应用，必将使模具的选材和制造技术产生巨大的变化。

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