表面處理技術在提高塑料模具使用壽命中的應用

王長來

摘 要：表面處理技術的作用不是僅限于能夠提高模具表層的耐磨性和其他相關性能，還可以使磨具的內部能夠保持足夠的強韌性，這些優勢對于改善模具的綜合性能以及節約合金元素、高效節約成本的同時充分發揮材料的作用、發掘它們的潛在利用價值都是十分有用的。實踐證明，表面處理技術有利于延長塑料模具的使用壽命。本文將在簡單闡述各種便面處理技術在提高模具使用壽命方面的應用的基礎上，指出正確運用表面技術才是提高塑料模具使用時間的有效之徑，以期為相關工作者提供幫助。

關鍵詞：塑料模具 表面處理技術 提高 使用壽命

中圖分類號：TG162.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0006-01

根據原理的不同，表面處理技術大致可分為化學熱處理技術和表面涂覆處技術。表面加工強化處理技術。模具表面處理的方法紛繁多樣，早已從傳統的表面淬火，如感應淬火、火焰淬火等、熱擴滲技術（包括滲碳、滲氮以及滲金屬等）、熱噴技術等蛻變成如今的物理氣相沉積技術（PVD）、化學相沉積技術（CVD）、離子注入技術等。激光和電子束等新能源具有將能量集中、快速加熱、自激冷卻等特質，另一方面，這種處理方法有利于保護環境、便于實現自動化等優勢，隨著時代的發展，在塑料模具表面處理方面的應用越來越廣泛。

1 關于塑料模具表面處理技術的探討

1.1 表面淬火

表面淬火的目的在于獲得高硬度、耐磨性強的表面，并使得模具內部保持原有的良好韌性。此項技術常運用于機床主軸、齒輪以及發動機的曲軸等。

表面淬火技術可在淬火的同時快速加熱，使得塑料表層很快達到淬火的溫度，在熱量尚未滲透到工件心部前立即進行冷卻，以此來實現局部淬火。目前，運用最廣為廣泛的當屬感應加熱法。感應加熱表面淬火需要在感應圈內通以一定頻率的交流電，這樣可以使得感應圈周圍產生頻率相同的交變磁場，由于集膚效應，產生的渦流會集中在工件的表面能夠讓工件迅速達到淬火所需溫度，隨即向工件噴水，這樣就能將工件表層淬硬。在塑料模具型腔沿口運用局部淬火還可以避免其分型面出現溢料的現象。

1.2 表面擴散化學熱處理

化學熱處理是將工件置于一定的介質中加熱和保溫，使介質中的活性原子滲入工件表層，改變表面層的化學成分及顯微組織，從而使工件表層獲得所需特殊性能的熱處理工藝。其類型包括滲碳、氮化、碳氮共滲等，旨在提高工件表面的硬度和耐磨性、疲勞強度；滲氮、滲硅、滲鋁等則用于提高工件的抗腐蝕性、抗氧化性。目前，應用最廣的化學處理是滲碳、氮化和碳氮共滲。

1.2.1 滲碳法

滲碳件主要技術要求。碳勢要在1%左右，根據性能要求而定；碳濃度梯度要平緩，這樣有利于滲層與基體的結合，減少剝落，對于一些零件甚至規定共析層的總深度不得超過60%～70%；滲層深度主要取決工件受力和設計壽命等因素，對于一些薄而小的零件，滲透層面深度一般不超過截面尺寸的20%。

滲碳鋼塑料模的熱處理特點。對于有高硬度、高耐磨性和高韌性要求的塑料模具，要選用滲碳鋼來制造，并把滲碳、淬火和低溫回火作為最終熱處理；對滲碳層的要求，一般滲碳層的厚度為0.8～1.5 mm，當壓制含硬質填料的塑料時模具滲碳層厚度要求為1.3～1.5 mm，壓制軟性塑料時滲碳層厚度為0.8～1.2 mm。滲碳層的含碳量為0.7%～1.0%為佳。若采用碳、氮共滲，則耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化、防粘性就更好；滲碳溫度一般在900 ℃～920 ℃，復雜型腔的小型模具可取840 ℃～860 ℃中溫碳氮共滲。滲碳保溫時間為5～10 h，具體應根據對滲層厚度的要求來選擇。滲碳工藝以采用分級滲碳工藝為宜，即高溫階段（900 ℃～920 ℃）以快速將碳滲入零件表層為主；中溫階段（820 ℃～840 ℃）以增加滲碳層厚度為主，這樣在滲碳層內建立均勻合理的碳濃度梯度分布，便于直接淬火。

1.2.2 滲氮法

滲氮常稱為氮化，就是將工件放在含氮介質中，加熱到較低溫度（480 ℃～600 ℃），使氮滲入其表面，形成以氮化物為主的滲層。有些鋼種的氮化層硬度高達1000～1200 HV，滲后不必進行提高硬度的淬火處理。氮化層的高硬度是因高硬度氮化物彌散分布在基體中所造成的，隨滲氮溫度溫度升高，氮化物片厚度增加，與母相的共格關系開始破壞，硬度降低。氮化層的耐磨性遠高于滲碳層，滲氮工件的變形小，處理后不再進行加工就可以使用，高精度的工件也只需要精磨、研磨或拋光。在滲氮層中形成大的殘余壓應力，有利于提高零件的疲勞強度。滲氮溫度一般稍代于淬火鋼的回火溫度范圍。調質狀態的結構鋼滲氮時，工件心部保持了狀態的回火索氏體組織，在得到高硬度表面的同時具有良好的綜合力學性能。

滲氮具有處理溫度低（一般為550 ℃～570 ℃），模具變形甚微和滲層硬度高（可達1000～1200 HV）等優點，因而也非常適合塑料模具的表面處理。含有鉻、鉬、鋁、釩和鈦等合金元素的鋼種比碳鋼有更好的滲氮性能，用作塑料模時進行滲氮處理可大大提高耐磨性。

1.2.3 碳氮共滲法

碳氮共滲又名軟氮化或低溫碳氮共滲，即在鐵-氮共析轉變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳。碳滲入后形成的微細碳化物能促進氮的擴散，加快高氮化合物的形成。這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促進便加快了滲入速度。此外，碳在氮化物中還能降低脆性。氮碳共滲后得到的化合物層韌性好，硬度高，耐磨，耐蝕，抗咬合。

最常用的的是在井式滲碳爐中滴入煤油或甲醛、丙酮等，同時向爐中通入滲氮用的氨氣。氣體碳氮共滲所用的鋼種，大多數為低碳中碳的碳鋼及合金鋼。共滲溫度為820 ℃～860 ℃。氣體碳氮共滲的碳、氮含量最主要取決于共滲溫度，溫度越高，共滲層的碳含量就越高，氮含量越低；反之，碳含量越低，氮含量越高。

2 結語

通過表面處理技術，我們可以隨意改變模具表層的成分和組織，可增強模具的內部韌性、表面硬度以及耐磨性、耐熱性和耐蝕性等，這些都可以幾倍甚至幾十倍地延長模具的使用期限。對于模具生產者來說，便面處理工藝成本將會大大降低，模具的工作條件、其經濟因素也會得到改善。雖然便面處理技術尤其是新型表面處理技術在模具制造過程中的應用程度還不夠高，但隨著表面工程技術的發展，其發展前景廣闊，必將在今后的模具選材和制造方面發揮巨大的作用。

參考文獻

[1] 張旭海，蔣建清，江靜華，等.塑料模具的表面強化技術[J].機械制造與自動化，2003（5）：4-7，11.

[2] 袁柳杰.塑料模具失效機理及熔覆再制造技術研究[D].廣西工學院，2012.

[3] 謝飛.提高塑料模具壽命研究進展[J].模具技術，1997（2）：11-14，43.endprint