徐 東，胡榮獎，方志剛

（臺州學院機械工程學院，浙江臺州318000）

模具工業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中，具有極為重要的作用，被稱為“工業(yè)之母”。眾所周知，模具在使用中會被磨損。比如，冷沖模具在磨損之后刃口變鈍，模具配合間隙擴大，導致沖件毛刺增加而必須卸模進行刃磨。一副模具的刃磨次數(shù)是有限的，兩次刃磨之間的沖件數(shù)量越多，說明模具的使用壽命越長，所以要求模具具有高的耐磨性能。

1 模具表面處理的重要性

為了延長模具的壽命，使模具不至于過早失效，必須使模具（尤其是型腔面）具有高硬度、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞和抗高溫氧化性能。除了正確選用模具材料、保證加工精度和表面粗糙度之外，對模具進行表面強化處理，也是至關(guān)重要的。對模具真正承受磨損作用的特定部位，進行表面強化，正所謂“用勁用在點子上”，可以大幅度延長和提高模具的使用壽命。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從影響模具失效因素分析，獲知熱處理因素（表面處理因素）占52%。因此，表面強化技術(shù)，是充分發(fā)揮模具潛力、提高其使用性能的一條行之有效的途徑，也是國內(nèi)外模具技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。在美、日等國家，表面強化技術(shù)已廣泛被用于提高塑料模具鋼表面的抗磨、抗蝕性，從而顯著提高了模具使用壽命，拓寬了模具鋼的應(yīng)用范圍。

模具在長期的服役過程中，還不可避免地會產(chǎn)生失效。模具的失效主要表現(xiàn)在尺寸、形狀和功能等方面，失效形式主要有表面磨損、斷裂和變形。模具的失效，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且增加生產(chǎn)成本，頻繁更換模具，更會導致產(chǎn)量下降，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。另一方面，由于模具種類多，標準件少，制造周期長，加工費用高（尤其是精密復雜模具或大型模具制造加工費高達數(shù)十萬元乃至數(shù)百萬元），企業(yè)常因塑料模具的失效而減產(chǎn)或停產(chǎn)。因此，采用先進表面處理技術(shù)，對失效的模具進行快速、精密修復來大幅度延長、提高模具的使用壽命，而無需更換整套模具，只須對模具及關(guān)鍵金屬零部件表面磨損局部區(qū)域進行修復，并在修復過程中把模具表面真正實際承受磨損的表面“換成”特殊高耐磨材料，就可“變廢為寶”。不僅使模具得到修復，而且由于修復后的新模具表面“刃口部位”使用了特殊高耐磨材料，修復后模具的使用壽命還將較原來的大幅提高，顯然具有重要價值。

2 模具表面強化及修復的主要技術(shù)

表面強化處理技術(shù)，除傳統(tǒng)的熱處理外，還有電鍍、滲碳、離子注入和電子束輻照等。但是這些表面處理技術(shù)，用于模具表面強化，均存在一些不足。如涂層由于太薄，而不能承受載荷；電鍍涂層則由于粘附力太差，而容易產(chǎn)生剝落；離子注入和電子束尚需要真空和備等。

2.1 傳統(tǒng)修復技術(shù)本身的缺陷

模具修復的主要技術(shù)有：熱噴涂、電刷鍍、表面堆焊等，這些技術(shù)都曾成功地修復了大量模具，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益。

但是隨著模具向小型、精密、多樣化和大型、復雜、精密的方向發(fā)展，傳統(tǒng)修復技術(shù)由于技術(shù)本身的缺陷，已不太適合于模具的精密修復。其不足主要體現(xiàn)在：

（1）不易實現(xiàn)自動化，工作效率低；

（2）熱量輸入大，模具的熱影響區(qū)大，易變形，甚至開裂、剝落；

（3）涂層稀釋率大，降低了涂層的性能；

（4）基體和涂層材料非冶金結(jié)合，使用壽命短；

（5）不適于精密地修復小型塑料模具、局部受損模具以及精密度要求高的塑料模具。

2.2 激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢

激光熔覆技術(shù)是光、機、電一體化的高新技術(shù)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于金屬材料的表面強化，其具有以下一系列優(yōu)點：

（1）激光光斑直徑小，可以調(diào)整到微米級，實現(xiàn)精確定位；

（2）熔覆層成分具有可設(shè)計性；

（3）由于激光快速加熱和冷卻過程，激光熔覆層組織均勻致密，微觀缺陷少；

（4）由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基材的熱影響小，引起的變形?。?/p>

（5）激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，易實現(xiàn)選區(qū)甚至微區(qū)熔覆修復；

（6）熔覆層的稀釋率小，可精確控制；

（7）無接觸型處理，能實現(xiàn)自動化和柔性加工。

正是因為激光熔覆具有上述技術(shù)上的優(yōu)勢，為其應(yīng)用于模具的表面強化和精密修復提供了強大的技術(shù)支持。

3 模具表面電火花處理技術(shù)

電火花表面強化，則是直接利用具有高能量密度的電能，對工件表面進行強化處理，通過火花放電作用，將作為電極的導電材料熔滲進金屬工件表層，形成合金化表面強化層，從而使工件的物理、化學、機械性能得到改善。電火花強化的原理是：當電極棒在工件表面轉(zhuǎn)動，某些部位間隙很小時，使主機放電回路形成通路。在它們相互接觸的微小區(qū)域瞬時流過放電電流，電流密度可達到105~106A/cm2，而放電時間僅10-6~10-5s。由于放電能量在時間上和空間上的高度集中，在放電微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了約8 000~25 000℃的高溫，使該區(qū)域的局部材料熔化、氣化或等離子體化，電極棒材料高速過渡到工件表面，并擴散進入工件表層，形成冶金型牢固結(jié)合的沉積層。

電火花強化技術(shù)，能有效地改善工件的表面性能，如硬度、耐磨性、抗腐蝕性能等，被廣泛應(yīng)用于模具、刃具的強化以及零件微量磨損的修復上。電火花表面強化工藝，可使強化后的表面尺寸略有增厚，利用這一特點，可對使用磨損后的模具進行微量修復(平面修復厚度約為0.02 mm)，從而可延長模具的使用壽命。

同激光表面處理一樣，電火花表面處理具有功率密度高、熱影響區(qū)小、工件變形小，而且處理后不需要修磨，或只需精磨的優(yōu)點。對激光和電火花表面處理時，材料的受熱過程的分析研究表明，兩者具有相似的熱傳導數(shù)學模型和類似的溫度梯度，二者的能量交換、傳遞的特性、兩者處理后的金相組織與表面硬度分布情況也是相似的。但是，由于電火花加工設(shè)備比激光設(shè)備便宜得多,所以它更有可能成為一種經(jīng)濟簡便的新型表面熱處理方法，適合于大批量、大面積的表面處理。

此外，與其它常用表面處理工藝如熱噴涂、堆焊、PVD、CVD等相比，電火花表面處理的優(yōu)點還表現(xiàn)在：

（1）電火花強化不需要特殊復雜的處理裝置和設(shè)施，工藝設(shè)備比較簡單，投資少，攜帶方便，操作簡便，易于推廣；

（2）對零件表面施行局部強化，對于一般幾何形狀如平面或曲面均可進行；

（3）強化層與基體的結(jié)合強度高；

（4）電極材料可以自由選擇，材料來源廣，且消耗量少；

（5）強化層厚度和表面粗糙度與電氣參數(shù)以及強化時間等操作因數(shù)有關(guān)，可調(diào)節(jié)；

（6）強化處理的表面將有微量增厚，可以用于零件的微量修復；

（7）強化可在室溫條件下進行，且強化后的加工余量少，減少修復時間；

（8）不會產(chǎn)生有毒難聞氣體和液體，噪音小，無環(huán)境污染；

（9）可現(xiàn)場施工，不用拆卸被修復件，節(jié)省時間；

（10）強化修復的成本與更換部件成本相比極低。

總之，電火花表面處理技術(shù)具有簡易高效、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，很有實用價值，是一種很有發(fā)展前景的表面處理技術(shù)，在軍工及其他部門已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，在諸多報道中，使用電火花表面處理技術(shù)成功修復過導軌、曲軸、齒輪、箱體、缸體、泵體、閥體、法蘭、閘門、流筒、軋輥、活塞、液壓缸等機械零部件。

4 模具表面電火花處理技術(shù)在臺州的發(fā)展前景

電火花表面處理技術(shù)，本身是一個相對發(fā)展比較成熟的技術(shù)，在機械、鋼鐵、電力等行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，但是在模具表面強化及修復上應(yīng)用還不十分廣泛。臺州是著名的“模具之鄉(xiāng)”，模具制造業(yè)是臺州的支柱產(chǎn)業(yè)，當前的模具表面強化及模具修復技術(shù)還比較滯后，模具強化的主要手段基本上還是傳統(tǒng)的整體熱處理，模具修復一般采用表面堆焊。隨著模具行業(yè)的發(fā)展，模具向中、高檔發(fā)展是必然的趨勢，模具的壽命問題凸顯其重要性，對模具進行表面強化及失效修復是發(fā)展的必然趨勢。因此，在臺州存在著的模具表面強化及修復的潛在技術(shù)需求和市場前景，模具表面電火花強化及修復技術(shù)，將是一種特別適合在臺州發(fā)展、能夠服務(wù)于臺州模具產(chǎn)業(yè)的一項技術(shù)。尤其是當前全球經(jīng)濟危機，對臺州制造業(yè)的影響很大，模具企業(yè)更需要“苦練內(nèi)功”，通過經(jīng)濟危機的“倒逼機制”降低生產(chǎn)成本，加快企業(yè)技術(shù)進步，加快轉(zhuǎn)型升級，模具表面電火花強化及修復技術(shù)作為一種低廉及高效的技術(shù)，凸顯其發(fā)展前景。這就要求我們一定要立足本地加快發(fā)展，將這一技術(shù)消化吸收，發(fā)展壯大，推廣成熟，開發(fā)出成套的高水平、專業(yè)化的模具表面電火花加工技術(shù)，為臺州模具制造企業(yè)提供“便利店”式的技術(shù)服務(wù)，為推動行業(yè)技術(shù)進步做出貢獻。

5 結(jié)束語

無論是對于在役模具延長使用壽命還是失效模具的修復再制造，表面強化處理都是至關(guān)重要的。電火花表面處理具有功率密度高、熱影響區(qū)小、引起工件變形小，更重要的是電火花表面處理技術(shù)具有簡易高效、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等重要特點，極具實用價值，是一項非常適合在臺州這個以模具制造業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)的“模具之鄉(xiāng)”、對先進表面處理技術(shù)有著潛在技術(shù)需求和市場前景的地方發(fā)展和壯大的表面處理技術(shù)。

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