热喷涂技术在模具行业中的应用.pdf

9 8 有色金属 抬炼部分 2 0 0 7 年增刊 热喷涂技术在模具行业中的应用 王磊。梅雪珍 ● ● 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要在模具行业中运用热喷涂技术，可以节省大量的时间和成本。其应用包括基于快速原型的热喷涂 直接金属模具制造技术和基于燕喷涂的模具表面强化与修复技术。 关键词热喷涂；模具；快速原型；强化；修复 中圈分类号T G l 7 4 ．2 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 S O 一0 0 9 8 0 2 A p p l i c a t i o no fT h e r m a lS p r a yT e c h n o l o g yi nM o u l dM a k i n g W A N GL e i ．M E IX u e z h e n 酗j l n gG e n e r a lR e s e a m hI n a t I t m eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e l j i n g1 0 0 0 4 4 A b s t r a c t A p p l i c a t i o no ft h e r m a ls p r a yt e c h n o l o g yi nm o u l dm a k i n gc a ns D ．v em u c ht i m ea n dc o s t ，S Oi t h a sb e e n u s e dw i d e l yi nm o u l dm a n u f a c t u r e ．T h ea p p l i c a t i o ni n c l u d e sd i r e c tt h e r m a ls p r a ym e t a lm o u l dm a k i n gt e c h n o l o g y b a s e do nr a p i dp r o t o t y p i n g 。a n dm o u l ds u r f a c es t r e n g t h e n i n g ＆r e p a i r i n gb a s e do nt h e r m a ls p r a y ． K e y w o r d s T h e r m a ls p r a y ；M o u l d ；‘R a p i dp r o t o t y p e ；S t r e n g t h e n ；R e p a i r 模具工业是制造业的一项基础产业，模具的生 产技术水平在很大程度上决定着产品的质量和市场 的开发能力[ I ] 。随着现代工业的高速发展对模具 的性能要求日益提高，当今的模具工业正朝着缩短 模具设计和制造周期，降低加工成本，提高模具质量 的目标前进。 热喷涂是一项迅速发展的表面强化新工艺新技 术。它是通过专用的技术装备，将所需的金属、非金 属材料加热至熔化或半熔融状态。并随高速焰流的 细微粒子沉积于经过预先制备的基体表面形成涂 层【2 】2 。热喷涂技术已在模具工业中得到了广泛的 应用。 热喷涂技术在模具工业的应用大体可分为两个 方面一是基于快速原型的热喷涂直接金属模具制 造技术； 是基于热喷涂的模具表面强化与修复技 术。 作者简介壬磊 1 9 7 9 一 ．男，河北定州人，砸士，工程师 1 基于快速原型的热喷涂直接金属模 具制造技术 传统的模具制造方法设计制造周期长．成本高。 例如在汽车工业中。从车型设计一模具设计到制造 一模具调试一产品投产生产的整个周期中，模具设 计与制造约占2 ／3 的时间I s ] 。激烈竞争的市场给模 具的开发提出了高效、高质量和低成本的要求。 快速原型R P R a p i dP r o t o t y p i n g 概念于1 9 7 9 年提出，日本东京大学中川威雄教授发明了叠层模 型造型法．1 9 8 8 年美国3 DS y s t e m s 公司推出快速原 型实用装置S L A 激光立体造型．S t e r e oL i g h t g r a p h y A p p a r a t u s 。快速原型技术综合地运用了计算机辅 助设计和制造技术、激光技术、材料科学技术，在没 有传统模具和夹具的情况下，依据快速成型制作实 体模型。采用拷贝方式来快速制造三维实体模型。 快速原型技术给模具的设计与制造带来了一次飞 跃．它使模具的设计与制造逐步趋向于数字化、快速 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊9 9 - 化，太幅缩短了模具制造周期，降低了生产成本。快 速原型技术现已日趋成熟。并于1 9 9 4 年正式进入推 广普及阶段。其中．基于快速原型的热喷涂直接金 属模具制造技术以加工周期短、加工成本低、复制精 度高等特点，越来越受到人们的重视。 典型的热喷涂快速制模工艺流程包括”J 1 根据要求，进行C A D 建模； 2 使用R P 技术，比如 分层实体制造、熔融沉积制造、叠层制造等工艺制造 获得原型； 4 在R P 原型上嚷涂金属形成模具型面 壳型； 5 铺设冷却管道。然后在壳型上浇注收缩率 低的背村材料； 6 脱模，打磨模具表面，获得具有光 亮、精密表面的金属模具。 在热喷涂快速制模的工艺过程中，不存在多余 的收缩误差，故可以保证较高的精度。早期的热喷 涂快速制模技术多采用电孤喷涂锌基合金等低熔点 金属材料。锌基合金材料硬度较低、耐磨性较差。使 模具的应用范围受到了很大的限制。近年来。国外 已开始研究电弧喷涂快速制造钢基模具，并取得较 大进展。目前认为效果较好的是采用陶瓷等耐高温 固体物质对树脂基或纸基零件模型进行复制，复制 物经过干燥和烧结后可在其上热喷涂沉积钢基涂层 制作模具。由于模具采用高强钢等高强金属材料喷 涂而成。因而可以得到高强度和高表面耐磨性的模 具型腔。英国N o v a c 公司与牛津大学合作开发了一 种电弧喷涂钢基材料快速制造模具的工艺，该工艺 突破了热喷涂技术不易制造大尺寸模具的限制，美 国福特公司采用该技术已可制造近1n 产的大型汽 车拉延模具【4 J 。 国内现在已有一些生产单位开始采用电弧喷涂 低熔点锌基合金的制模技术。在采用热喷涂方法快 速制造高熔点、高硬度模具方面，一些科研单位进行 了开发研究．并取得了一些进展。清华大学的等离 子喷涂快速制模工艺就是在快速原型表面上喷涂金 属粉末形成金属壳层。通过一些后处理工序能够很 快制造出快速模具，可以广泛用于注塑摸、汽车覆盖 件拉延模等模具的制造【5J 。西安变通大学采用。电 弧喷涂和电刷镀一体化模具制造技术1 进行轿车新 车型开发中大型冲压模具快速制造。该技术采用电 弧喷涂工艺制作出低熔点金属型腔；在填充适当的 背衬材料并脱模后。利用电刷镀技术在模具工作表 面刷镀强化涂层提高其模具表面硬度和耐磨性，并 使模具表面摩擦学特性更接近钢模具，进而完成模 具的快速制造。该项目已初步形成产业化规模，在 国内多个汽车厂得到应用。 热喷涂快速制作模具技术也存在这一些局限 性，首先由于热喷涂沉积的角度应大于4 5 ‘ ，所以 不适于制造有较大起伏或形状很复杂的模具；同时 热喷涂快速模具的复制过程中有可能发生模具的局 部失真。影响最终的模具质量，需要特别重视。 2 基于热喷涂的模具表面强化与修复 技术 模具，特别是热作模具不仅在较高的温度环境 下工作。而且遭受磨损、挤压、冲击及冷热疲劳作用． 因此对其表面性能通常有严格的要求，若表面硬度、 红硬性、抗氧化性、抗腐蚀性不足，则在使用过程中 容易损坏。缩短使用寿命，因此模具表面一般要进行 强化处理。当模具表面划伤后，只要程度不严重．也 可进行修复．延长模具使用寿命。 热喷涂技术在表面强化与零件修复工艺方面具 有工艺方法灵活多样、材料选择范围广、施工方便迅 速、适应性强、修复强化效果显著及经济效益高等优 点，适合于大型模具以及严重磨损条件下工作的模 具。进行模具表面强化与修复使用较多的有火焰喷 涂、等离子喷涂、超音速喷涂。 火焰喷涂设备简单、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，因此常常用于 低强度模具的表面形状修复，修复后模具使用寿命 鞍低[ “。五菱汽车股份有限公司使用火焰喷涂 N i C r 6 0 A 修复汽车大粱成形模．取得了较好的效 果[ ’】。 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 涂层与基材之问为机械结合，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。[ 6 ] 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。在工具钢制作的高熔点金属挤压模上 等离子喷涂0 ．5 ～1 ．0m m 的氧化铝涂层，可将使用 温度从13 2 0 ℃提高刭l6 5 0 ℃，喷涂氧化锆涂层。 挤压温度可达23 7 0 ℃，模具的使用寿命可延长5 1 0 倍。 超音速喷涂获得的喷涂层与基材之同结台强度 高，故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少量机加工就可以 使用。该技术已被一汽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【6 】。广州有色 金属研究院采用超音速喷涂硬质台金工艺．使C r l 2 不锈锕控延模修模频率从5 0 0 件／次提高到70 0 0 万方数据 1 0 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 件腴，寿命提高3 ～8 倍[ “。 3 结束语 使用热喷涂快速制造模具技术和模具表面的强 化和修复技术，可以节省大量的时间和成本，满足了 现代工业对模具制造业的要求。已成为模具工业的 发展方向之一，具有广阔地应用前景。目前热喷涂 快速制造模具技术巳在我国得到较广泛运用，但基 于热喷涂的模具表面的强化和修复技术在模具制造 中的应用还相对较少。随着技术的发展，热喷涂技 术在模具制造领域将会得到更为广阔的应用，促进 我国工业制造领域的发展。 参考文献 [ 1 ] 张忠礼．热喷涂快速制造模具技术新进展[ J 1 ．新技术新 工艺。2 0 0 6 1 9 3 9 6 ． [ 2 ] 张明洋．热喷涂技术及其应用[ J ] ．冶金设备，1 9 9 4 2 ； 4 9 5 5 ． [ 3 ] 裒立峰，詹荤麟，刘玉忠．快速成形技术及在模具制造中 的应用[ J ] ．模具工程，2 0 0 4 1 0 3 5 3 7 ． [ 4 ] D a v i dF i e l d ．S p r a y o r m e ds t e e lm o u l d sf o rp o l y m e r m o u l d i n g [ J ] ．M a t e r i a l sw o r l d ，2 0 0 2 1 0 1 4 一i 5 ． [ 5 ] 亓峰，吴运新，单忠德．基于快速原型的热喷涂直接金属 模具制造技术[ J ] ．新技术新工艺热加工技术，2 0 0 2 1 0 3 1 3 3 ． [ 6 ] 车畅，贾坤宁，阮野．表面镀覆技术及其在模具修复中的 应用[ J ] ．汽车工艺与材料，2 0 0 4 1 2 3 5 ． 【7 ] 袁智军．热喷焊技术在模具修复中的应用[ J ] ．机械工 人热加工．2 0 0 1 6 3 0 ． [ 8 ] 谢嘉生，榇妍娜．提高模具使用寿命的表面强化新技术 [ J 】．锻压机械，2 0 0 0 3 3 7 3 9 ． [ 9 ] 张蓉，杨湘红．几种横具表面强化新技术的简介[ J ] ．机 床与液压，2 0 0 3 6 3 1 4 3 1 5 ． [ 1 0 ] 屈伟平．国内模具行业发展现状、存在问题及对策[ J ] ． 装备机械，2 0 0 6 4 9 1 1 ． [ 1 1 ] 谷净巍，垒永义，戴向国，等．基于快速原型的等离子喷 涂制模工艺[ J ] ．现代制造工程，2 0 0 4 4 9 一1 0 ． 万方数据