电火花表面处理技术在模具上的应用

徐 东，胡荣奖，方志刚

（台州学院机械工程学院，浙江台州318000）

模具工业在国民经济发展中，具有极为重要的作用，被称为“工业之母”。众所周知，模具在使用中会被磨损。比如，冷冲模具在磨损之后刃口变钝，模具配合间隙扩大，导致冲件毛刺增加而必须卸模进行刃磨。一副模具的刃磨次数是有限的，两次刃磨之间的冲件数量越多，说明模具的使用寿命越长，所以要求模具具有高的耐磨性能。

1 模具表面处理的重要性

为了延长模具的寿命，使模具不至于过早失效，必须使模具（尤其是型腔面）具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳和抗高温氧化性能。除了正确选用模具材料、保证加工精度和表面粗糙度之外，对模具进行表面强化处理，也是至关重要的。对模具真正承受磨损作用的特定部位，进行表面强化，正所谓“用劲用在点子上”，可以大幅度延长和提高模具的使用寿命。根据有关资料介绍，从影响模具失效因素分析，获知热处理因素（表面处理因素）占52%。因此，表面强化技术，是充分发挥模具潜力、提高其使用性能的一条行之有效的途径，也是国内外模具技术的主要发展方向之一。在美、日等国家，表面强化技术已广泛被用于提高塑料模具钢表面的抗磨、抗蚀性，从而显著提高了模具使用寿命，拓宽了模具钢的应用范围。

模具在长期的服役过程中，还不可避免地会产生失效。模具的失效主要表现在尺寸、形状和功能等方面，失效形式主要有表面磨损、断裂和变形。模具的失效，不仅影响产品的质量，而且增加生产成本，频繁更换模具，更会导致产量下降，给企业带来巨大的经济损失。另一方面，由于模具种类多，标准件少，制造周期长，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），企业常因塑料模具的失效而减产或停产。因此，采用先进表面处理技术，对失效的模具进行快速、精密修复来大幅度延长、提高模具的使用寿命，而无需更换整套模具，只须对模具及关键金属零部件表面磨损局部区域进行修复，并在修复过程中把模具表面真正实际承受磨损的表面“换成”特殊高耐磨材料，就可“变废为宝”。不仅使模具得到修复，而且由于修复后的新模具表面“刃口部位”使用了特殊高耐磨材料，修复后模具的使用寿命还将较原来的大幅提高，显然具有重要价值。

2 模具表面强化及修复的主要技术

表面强化处理技术，除传统的热处理外，还有电镀、渗碳、离子注入和电子束辐照等。但是这些表面处理技术，用于模具表面强化，均存在一些不足。如涂层由于太薄，而不能承受载荷；电镀涂层则由于粘附力太差，而容易产生剥落；离子注入和电子束尚需要真空和备等。

2.1 传统修复技术本身的缺陷

模具修复的主要技术有：热喷涂、电刷镀、表面堆焊等，这些技术都曾成功地修复了大量模具，给企业带来了可观的经济效益。

但是随着模具向小型、精密、多样化和大型、复杂、精密的方向发展，传统修复技术由于技术本身的缺陷，已不太适合于模具的精密修复。其不足主要体现在：

（1）不易实现自动化，工作效率低；

（2）热量输入大，模具的热影响区大，易变形，甚至开裂、剥落；

（3）涂层稀释率大，降低了涂层的性能；

（4）基体和涂层材料非冶金结合，使用寿命短；

（5）不适于精密地修复小型塑料模具、局部受损模具以及精密度要求高的塑料模具。

2.2 激光熔覆技术的优势

激光熔覆技术是光、机、电一体化的高新技术，已经广泛地应用于金属材料的表面强化，其具有以下一系列优点：

（1）激光光斑直径小，可以调整到微米级，实现精确定位；

（2）熔覆层成分具有可设计性；

（3）由于激光快速加热和冷却过程，激光熔覆层组织均匀致密，微观缺陷少；

（4）由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对基材的热影响小，引起的变形小；

（5）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修复；

（6）熔覆层的稀释率小，可精确控制；

（7）无接触型处理，能实现自动化和柔性加工。

正是因为激光熔覆具有上述技术上的优势，为其应用于模具的表面强化和精密修复提供了强大的技术支持。

3 模具表面电火花处理技术

电火花表面强化，则是直接利用具有高能量密度的电能，对工件表面进行强化处理，通过火花放电作用，将作为电极的导电材料熔渗进金属工件表层，形成合金化表面强化层，从而使工件的物理、化学、机械性能得到改善。电火花强化的原理是：当电极棒在工件表面转动，某些部位间隙很小时，使主机放电回路形成通路。在它们相互接触的微小区域瞬时流过放电电流，电流密度可达到105~106A/cm2，而放电时间仅10-6~10-5s。由于放电能量在时间上和空间上的高度集中，在放电微小区域内产生了约8 000~25 000℃的高温，使该区域的局部材料熔化、气化或等离子体化，电极棒材料高速过渡到工件表面，并扩散进入工件表层，形成冶金型牢固结合的沉积层。

电火花强化技术，能有效地改善工件的表面性能，如硬度、耐磨性、抗腐蚀性能等，被广泛应用于模具、刃具的强化以及零件微量磨损的修复上。电火花表面强化工艺，可使强化后的表面尺寸略有增厚，利用这一特点，可对使用磨损后的模具进行微量修复(平面修复厚度约为0.02 mm)，从而可延长模具的使用寿命。

同激光表面处理一样，电火花表面处理具有功率密度高、热影响区小、工件变形小，而且处理后不需要修磨，或只需精磨的优点。对激光和电火花表面处理时，材料的受热过程的分析研究表明，两者具有相似的热传导数学模型和类似的温度梯度，二者的能量交换、传递的特性、两者处理后的金相组织与表面硬度分布情况也是相似的。但是，由于电火花加工设备比激光设备便宜得多,所以它更有可能成为一种经济简便的新型表面热处理方法，适合于大批量、大面积的表面处理。

此外，与其它常用表面处理工艺如热喷涂、堆焊、PVD、CVD等相比，电火花表面处理的优点还表现在：

（1）电火花强化不需要特殊复杂的处理装置和设施，工艺设备比较简单，投资少，携带方便，操作简便，易于推广；

（2）对零件表面施行局部强化，对于一般几何形状如平面或曲面均可进行；

（3）强化层与基体的结合强度高；

（4）电极材料可以自由选择，材料来源广，且消耗量少；

（5）强化层厚度和表面粗糙度与电气参数以及强化时间等操作因数有关，可调节；

（6）强化处理的表面将有微量增厚，可以用于零件的微量修复；

（7）强化可在室温条件下进行，且强化后的加工余量少，减少修复时间；

（8）不会产生有毒难闻气体和液体，噪音小，无环境污染；

（9）可现场施工，不用拆卸被修复件，节省时间；

（10）强化修复的成本与更换部件成本相比极低。

总之，电火花表面处理技术具有简易高效、成本低廉、节能环保等诸多优点，很有实用价值，是一种很有发展前景的表面处理技术，在军工及其他部门已经得到越来越广泛的应用，在诸多报道中，使用电火花表面处理技术成功修复过导轨、曲轴、齿轮、箱体、缸体、泵体、阀体、法兰、闸门、流筒、轧辊、活塞、液压缸等机械零部件。

4 模具表面电火花处理技术在台州的发展前景

电火花表面处理技术，本身是一个相对发展比较成熟的技术，在机械、钢铁、电力等行业中的应用十分广泛，但是在模具表面强化及修复上应用还不十分广泛。台州是著名的“模具之乡”，模具制造业是台州的支柱产业，当前的模具表面强化及模具修复技术还比较滞后，模具强化的主要手段基本上还是传统的整体热处理，模具修复一般采用表面堆焊。随着模具行业的发展，模具向中、高档发展是必然的趋势，模具的寿命问题凸显其重要性，对模具进行表面强化及失效修复是发展的必然趋势。因此，在台州存在着的模具表面强化及修复的潜在技术需求和市场前景，模具表面电火花强化及修复技术，将是一种特别适合在台州发展、能够服务于台州模具产业的一项技术。尤其是当前全球经济危机，对台州制造业的影响很大，模具企业更需要“苦练内功”，通过经济危机的“倒逼机制”降低生产成本，加快企业技术进步，加快转型升级，模具表面电火花强化及修复技术作为一种低廉及高效的技术，凸显其发展前景。这就要求我们一定要立足本地加快发展，将这一技术消化吸收，发展壮大，推广成熟，开发出成套的高水平、专业化的模具表面电火花加工技术，为台州模具制造企业提供“便利店”式的技术服务，为推动行业技术进步做出贡献。

5 结束语

无论是对于在役模具延长使用寿命还是失效模具的修复再制造，表面强化处理都是至关重要的。电火花表面处理具有功率密度高、热影响区小、引起工件变形小，更重要的是电火花表面处理技术具有简易高效、成本低廉、节能环保等重要特点，极具实用价值，是一项非常适合在台州这个以模具制造业作为支柱产业的“模具之乡”、对先进表面处理技术有着潜在技术需求和市场前景的地方发展和壮大的表面处理技术。

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