模具的修复技术与应用(上)

来源:网络作者:金荣植  热处理生态圈 《金属加工(热加工)》杂志浏览数:1856 
文章附图

模具的主要失效形式有表面磨损、表面剥落、表面裂纹等,大多数失效模具可应用合适的维修技术进行修复,使其恢复使用性能。目前模具的修复技术主要有热喷涂、电刷镀、堆焊、激光修复等技术。现已出现专业模具修补机器,对模具磨损部位进行无热堆焊,可实现模具的耐磨性、耐热性及耐蚀性等要求。


由于模具制造工艺复杂、生产周期长、加工费用高,尤其是精密复杂模具或大型模具制造加工费高达数十万元乃至数百万元。一汽每年用于模具制造及维修的费用高达上千万元。若是模具早期失效,将给企业造成重大的经济损失。因此,应用各种修复技术修复失效的模具,使其恢复使用性能重新投入使用,可以达到延长模具使用寿命、降低成本、提高经济效益的目的。


通常,模具修复的工艺过程如下:

(1)工艺过程:分析修复原因→制订修复方案和方法→进行修复→试模和验证。

(2)修复操作过程:对模具进行检查→拆卸损坏部位→清洗零件→分析、核查、确定修复原因→配备及修整损坏零件→更换修配零件→装配模具→试模和验证。


一、热喷涂技术与应用


模具特别是热作模具,不仅在较高的温度下工作,而且承受磨损、挤压、冲击及冷热疲劳作用。在使用过程中容易损坏,导致使用寿命降低。当模具表面磨损或划伤后,只要程度不严重,均可进行修复,从而延长模具使用寿命。热喷涂修复技术主要有火焰喷涂、等离子喷涂和超音速喷涂等,将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热熔化或软化形成熔滴,并以一定速度射向预处理过的基体表面,形成具有一定结合强度的金属以及WC、TiN等化合物涂层修复模具。可恢复甚至提高模具的耐磨性以及耐蚀性等。


1.火焰喷涂与应用

(1)火焰喷涂

火焰喷涂是利用燃气(乙炔、丙烷、天然气等)及助燃气体(氧)混合燃烧作为热源,喷涂材料则以一定的传送方式进入火焰,加热到熔融或软化状态,然后依靠气体或火焰加速喷射到基体上。火焰喷涂根据喷涂材料的不同,又可分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂两种。


火焰设备简单、操作方便、成本低,但其喷涂层强度不高。热影响区和变形较大,因此常用于低强度模具表面形状修复,使模具使用寿命延长。


(2)应用

五菱汽车股份有限公司使用火焰喷涂NiCr60A修复汽车大梁成形模和陕西咸阳偏转线圈集团公司采用火焰喷涂30Cr13修复进口绕制线圈模具,均取得了较好的效果。


2.等离子喷涂与应用

(1)等离子喷涂

等离子喷涂是以氮气(N2)、惰性气体如氩气(Ar)等作为工作介质,在专用的喷枪内发生电离形成热等离子,再将进入该等离子弧区的粉末状涂层材料熔融、雾化,并高速喷送到被涂工件表面,形成涂层。


等离子喷涂热源能量密度较高,可用于模具表面改性处理,或用于微量磨损模具表面修复,但喷涂层与基材之间为机械结合,所以多用于非冲击载荷条件下的模具表面改性及形状修复,例如在热作模具表面等离子喷涂钴基合金,较传统方法可延长两倍寿命。


(2)应用

在工具钢制作的高熔点金属挤压模具上等离子喷涂0.5~1.0mm的氧化铝涂层,可将使用温度从1320℃提高到1650℃,喷涂氧化锆涂层,挤压温度可达2370℃,模具的使用寿命可延长5~10倍。


3.超音速喷涂与应用

(1)超音速喷涂

超音速喷涂获得的喷涂层与基材之间结合强度高,因此可用于中等冲击载荷作用下的模具表面改性及修复,且修复后模具不需要或减少机加工就可以使用。


(2)应用

广州有色金属研究院采用超音速喷涂硬质合金工艺,使Cr12钢拉延模修模频率从500件/次提高到700件/次,模具寿命提高3~8倍。


该技术已被一汽集团公司成功用于拉延模重要工作面的表面改性,模具使用寿命明显提高。


二、电刷镀技术与应用


电刷镀是在常温和无槽条件下,在工件局部表面快速电化学沉积一种金属或合金镀层方法。电刷镀具有设备简单、工艺简单、操作灵活、沉积速度快、镀层粗糙度低、镀层硬度与耐蚀性高等优点。采用电刷镀方法,不仅可使模具寿命提高4倍左右,还可对磨损模具再修复处理,如模具型腔表面的局部划伤、拉毛沟槽、锈斑磨损等缺陷的修复。修复后模具表面的耐磨性、硬度、粗糙度等都能够达到原来的性能指标。同时,电刷镀费用低,一般只占模具成本的0.5%~2%。


现代化的电刷镀技术可以在不拆卸模具的前提下,完成对模具表面的修复,而且能够保证修复后的工作面仍有足够低的粗糙度。以CrWMn钢型腔模局部拉毛沟槽的电刷镀修复为例。


1.电刷镀装置

电刷镀装置如图1所示。


2.电源

由主电路和控制电路组成。主电路输出为单向220V,交流经过降压和整流后,输出100周脉动直流电源。输出的电压可以无极调节,通常为0~25V。控制电路通过所耗的电量,可以控制镀层厚度。


3.电刷镀溶液

(1)预处理溶液

其一,电净液。用来消除金属表面的油污。其配方如下:NaOHC.P.35~50g/LNa2CO3C.P.40~45g/LNa3PO4·12H2OC.P.140~180g/LNaClC.P.4.4~5g/L。该溶液pH=12~13


其二,活化液。有AB两种活化液可分别使用。初次活化选用A活化液,使金属的表面晶格完全显露出来,其次使用B活化液,消除黑灰色碳化物,使基体呈银白色。


A活化液配方:H2SO4C.P.80~85g/L,(NH42SO4110~120g/L。该溶液pH2


B活化液配方:Na3C6H5O7)·2H2OC.P.142~145g/LH3C6H5O7)(C.P.90~100g/LNiCL2·5H2OC.P.2~5g/L。该溶液pH4

式中  C.P.——表示化学纯,Na3C6H5O7)·2H2O为柠檬酸钠,H3C6H5O7)为柠檬酸。


2)金属溶液

其一,特殊镍溶液。该溶液能够改善金属基体的可镀性,提高基体与工作层的结合强度,一般为1~3μm

其配方如下:NiSO4·6H2O380~400g/LNiCl2·5H2O 14~20g/LH3C6H5O730~70g/LHCl 20~40g/L。该溶液pH1


其二,快速镍溶液。该溶液沉积金属的速度快,模具修复后的硬度为52HRC左右,有良好的耐磨性和抗腐蚀性,与CrWMn钢模具基体有良好的结合力。

其配方如下:NiSO4·6H2O 250~300g/LK3C6H5O780~130g/L,缓冲盐A40~60g/L,缓冲盐B 20~30g/L,添加剂0.1g/L。该溶液pH7~8


4.操作工艺

操作流程如下:表面预处理(钳工修复模具的沟槽表面,利于镀笔接触凹槽部位;修复部位修形后,用纱布打磨,粗糙度在6.3μm以下;测量出要修复的金属厚度,并用绝缘漆或涤纶胶带保护非修复区)→电净(模具接负极,镀笔接正极,用电净液去除修复表面的油污,电压10~20V,时间10~30s)→自来水冲洗→活化(使用A活化液,电压6~12V,时间5~30s,表面呈黑灰色)→自来水冲洗→活化(使用B活化液,电压15~25V,时间5~30s,表面呈银白色)→打底层(选用特殊镍溶液,电压8~12V,相对擦拭速度15mm/min左右,镀层厚1~3μm)→自来水冲洗→镀工作层(选用快速镍溶液,电压8~15V,相对擦拭速度15mm/min左右)→自来水冲洗→钳工修正(达到所需的形状和尺寸)。


三、激光熔覆修复技术与应用


激光熔覆是利用高能的激光束在金属表面辐照,使涂覆材料熔化,与基体结合并迅速凝固,在基材表面形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料。激光熔覆技术现在不仅可对成形模具进行表面修复,也可对已加工成形的模具进行表面改性。激光熔覆特点为:

①激光加热和冷却快,熔覆层组织细小且结构细密;

②激光束的能量密度高,激光熔覆对基材的热影响小,变形小,不破坏基体的力学性能;

③可有效对局部区域进行改性或修补裂痕、崩角及磨损的密封边;

④激光束的功率、位置和形状等能够精确控制,易实现选区甚至微区熔覆精密修复,用极小的成本在模具的不同部位实现不同的力学性能;

⑤对基体材料的要求低,几乎绝大多数的材料上都可以应用此项技术;

⑥可实现较大面积和较深厚度的修复。


1.常用熔覆材料

目前激光熔覆常采用的材料主要有自熔性合金材料、碳化物弥散或复合材料等。


2.激光器的选择

目前使用较多且效果较理想的是CO2激光器,这种激光器功率大,能量分布均匀,特别适用于大面积熔覆。


3.激光熔覆的工艺流程

激光熔覆按熔覆材料的供给方式大致可分为两大类,即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料预先置于基材表面的熔覆部位,然后采用激光束辐照扫描熔化;同步式激光熔覆则是将熔覆材料置于直接送入激光束中,使供料和熔覆同步完成,熔覆材料以粉、丝、板的形式加入,其中以粉末的形式最为常用且相对技术成熟。


(1)预置式激光熔覆的主要工艺流程:基材熔覆部位预处理→预置→熔覆处理→预热→激光熔化→后热处理。


(2)同步式激光熔覆主要工艺流程:基材熔覆部位预处理→送料→激光熔化→后热处理。


4.应用

大众桑塔纳汽车行李箱横梁拉深凹模表面激光修复。修复部位:模具两端圆弧角;基体材料:球墨铸铁;修复后的性能要求:耐磨,硬度50~55HRC;修复厚度3mm左右。以5CrMnMo钢模具的激光修复为例。


(1)激光修复系统

激光修复技术是集高功率激光、计算机、数控机床、CAD/CAM、先进材料、数控技术等多科学的应用技术。激光修复过程如图2所示。


其一,同轴送粉装置。送粉装置由送粉器和同轴送粉嘴组成。在送粉器的粉斗下部,由于平衡气压的作用形成气固两相流化,并从导管开孔,随载气输送粉末。送粉量由输送气体的压力调节,拓宽了送粉范围,实现从5g/min~150g/min均匀连续可调送粉,送粉精度高达±5%。


其二,模具修复过程的控制。采用红外测温技术来检测激光加工区域的温度场,结合温度场标定结果推导出实际的温度场信息,来控制激光器功率输出值以及CNC机床的运动速度,以保持熔池温度稳定,避免模具由于过热或温度不均产生裂纹、气孔等缺陷。采用比色测温仪进行测温,其光路系统选用单台相机,切换不同滤色片的单通道图像记录方式。滤光片及其控制保证两个滤光片交替置于数字相机图像记录光路中,移动响应时间<10ms,由计算机控制的高精度步进电机实现准确定位。


2)激光修复模具工艺参数

激光修复工艺参数主要有激光功率P、扫描速度Vs、送粉量Vf、熔池温度等。激光修复过程中,需要控制熔化材料的熔点(取基体、粉末材料两者最高熔点)Tm+(50~100。参考温度场计算,理论上P取值为1~2kWVs2~4mm/s可满足要求。至于熔覆层表面不平度,可通过调节送粉量实现其最小化。


3)激光修复设备

采用横流连续波5kW—CO2激光器,光速模式为多模,光斑直径为4mm,基体材料(模具)为5CrMnMo钢。由于Ni合金粉流动性好,与基体相结合后表面光洁,价格适中,故选用了Ni60镍基合金粉末材料,其化学成分如附表所示。选定激光功率P1.5kWVs3.2mm/sVf310mg/s

Ni60镍基合金化学成分(质量分数,%及性能表

Ni

Cr

B

Si

Fe

C


粒度/mm

熔点/℃

硬度HV

余量

16.00

3.80

4.20

5.00

0.84

0.043~0.104

1120

226~289

4)工艺

在激光修复模具过程中,在工艺参数P1.5kWVs3.2mm/sVf310mg/s,熔覆层厚度1~2mm,可以得到较理想的表面质量。为防止模具表面出现裂纹,可以对模具进行200℃×2h的预热处理。在修复过程中可以使用氩气侧吹保护激光熔覆部位。实际用于模具修复需要借助激光修复系统的控制部位,不断调节送粉量Vf,克服熔覆层表面的凸凹不平。

(5)检验结果

经检验激光熔覆层组织,在相当宽的范围内可获得组织均匀、细小致密和性能优异的修复层。通过优化工艺参数、基体预热的方法可以提高模具修复质量。


文章未完,明日待续。。。

来源:网络 《金属加工(热加工)》杂志


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