CN102528376B - 一种塑料模具电火花精密修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电火花沉积/堆焊合金涂层技术领域,特别涉及一种塑料模具电火花精密修复方法。该塑料模具电火花精密修复方法,采用电火花沉积/堆焊设备,利用自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极,在氩气保护气氛中,使电极与模具基体之间产生微弧放电,该微弧将电极端部熔化并沉积到模具基体表面形成堆焊层。该塑料模具电火花精密修复方法,对塑料模具的热输入极少,模具不会产生变形及热裂纹;堆焊层与模具基体呈冶金结合,结合强度高;堆焊层由于采用Fe-Ni-Cr-Re合金,硬度适中,切削性能优异,可实现镜面,适于对塑料模具进行精密修复。
Description
(一) 技术领域
本发明涉及电火花沉积/堆焊合金涂层技术领域,特别涉及一种塑料模具电火花精密修复方法。
(二) 背景技术
现代工业对模具表面性能的要求越来越高,在高温、高速、高压、重载、腐蚀性介质下工作的模具零件,其失效往往与表面的磨损、腐蚀、氧化等有关。塑料模具(如注塑模、压塑模、挤塑模、塑料挤出模、吹塑模等)作为其中一大种类,在长期的服役过程中,塑料中添加的增强树脂填料及阻燃剂等添加剂会造成模具型腔表面的冲刷、磨损和腐蚀,由此不可避免地会产生失效;在模具的加工制造过程中,也会出现超差、扎刀、错位、硌伤等意外损伤。
塑料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,由于塑料模具的种类多,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塑料模具进行快速、精密修复来大幅度延长、提高模具的使用寿命具有重要的经济意义。
传统的电弧焊、热喷涂、激光或等离子熔覆等模具表面修复技术,由于热输入大,往往造成模具表面的变形,甚者,造成整个模具的报废,给企业带来巨大经济损失。如今塑料模具向小型、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,已不能胜任塑料模具的精密修复。因此,采用更为先进的表面处理技术对失效的塑料模具进行快速精密修复,凸显其重要性。
电火花沉积/堆焊技术是利用脉冲放电的高密度能量,将工作电极熔化并在工件表面形成冶金型结合的涂层,以改善工件表面的耐磨、耐蚀性能,广泛应用于工件模具的表面强化及修复。其最大的优点是对工件表面的热影响小,工艺实施时,工件表面的温度可保持在环境温度,工件的残余变形极小。因此,该技术非常适合对表面质量要求高的塑料模具进行强化及精密修复。
(三) 发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷,提供了一种热输入少、结合强度高、硬度适中、切削性能优异、可实现镜面的塑料模具电火花精密修复方法。
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种塑料模具电火花精密修复方法,其特征是:采用电火花沉积/堆焊设备,利用自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极,在氩气保护气氛中,使电极与模具基体之间产生微弧放电,该微弧将电极端部熔化并沉积到模具基体表面形成堆焊层。
该塑料模具电火花精密修复方法,其具体步骤如下:
(1)预处理:在进行塑料模具的精密修复之前,先用400号氧化铝砂纸对磨损部位进行打磨以去除氧化皮、铁锈及粘附在表面的塑料残体,然后用有机溶剂进行清洗以去除油污,并用热风吹干;
(2)电火花沉积/堆焊过程:在电火花沉积/堆焊设备沉积枪上安装合适的自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极,电极伸出长度为10-30mm,先开启氩气保护,保护气氩气的供给方式采用沉积枪外部供气,然后启动沉积枪按钮,沉积/堆焊时,保持电极与塑料模具基体之间的放电间隙均匀,使放电微弧均匀,沉积枪的运动采用圆周运动和直线运动相结合的方式以获得均匀、致密的堆焊层;
(3)磨削及抛光处理:堆焊完成后,先用砂轮逐级对堆焊层进行磨削,然后用油石进行抛光处理,最后用羊毛毡慢慢打磨到镜面。根据权利要求1或2所述的塑料模具电火花精密修复方法,其特征是:电火花沉积/堆焊设备的工艺实施参数为:设备输出电压40~80V,功率300~1200W,脉冲放电频率1000~3000Hz,堆焊生产率0.2~1cm2/min,保护气氩气流量3~6 L/min。
上述自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极采用合金粉末制备,合金粉末的成分按重量百分比为:Ni 15-25%, Cr 10-18%, B 2-4% , Si 3-6%, Mo 0.8-2%, Re1.5-3%, Fe余量,粒度范围35-45 微米,Re采用纳米稀土氧化物La2O3;自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极的制备方法为采用真空电弧熔铸炉,将配比好的粉末置于真空电弧熔铸炉中制得铸坯,然后将铸坯加工成不同尺寸的圆棒待用。如果塑料模具基体材料为P20钢,自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极成分按重量百分比为:Ni 15-18%, Cr 12-15%, B 2-3% , Si 3-5%, Mo 0.8-1%, La2O3 2.5-3%, Fe余量,堆焊电极直径为φ3.5 mm,用电火花沉积/堆焊设备对磨损的塑料模具进行修复,工艺参数为:设备输出电压40 V,功率600 W,脉冲放电频率3000 Hz,堆焊生产率0.4 cm2/min,保护气氩气流量4 L/min,堆焊完成后,用手持砂轮进行打磨,然后再用油石和羊毛毡打磨到镜面。如果塑料模具基体材料为45钢,自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极成分按重量百分比为:Ni 20-22%, Cr 15-18%, B2-4% , Si 4-6%, Mo 1.5-2%, La2O3 2.5-3%, Fe余量,堆焊电极直径为φ5mm,用电火花沉积/堆焊设备对磨损的塑料模具进行修复,工艺参数为:设备输出电压80 V,功率900 W,脉冲放电频率2000 Hz,堆焊生产率0.6 cm2/min,保护气氩气流量6 L/min,堆焊完成后,用手持砂轮进行打磨,然后再用油石和羊毛毡打磨到镜面。
本发明的有益效果是:该塑料模具电火花精密修复方法,对塑料模具的热输入极少,模具不会产生变形及热裂纹;堆焊层与模具基体呈冶金结合,结合强度高;堆焊层由于采用Fe-Ni-Cr-Re合金,硬度适中,切削性能优异,可实现镜面,适于对塑料模具进行精密修复。
(四) 附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为本发明塑料模具电火花精密修复方法的工艺示意图。
附图2为本发明自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极的微观组织示意图。
附图3为本发明塑料模具表面电火花精密堆焊层的横截面形貌图。
附图4为本发明塑料模具表面电火花精密堆焊层的SEM照片图。
附图5为本发明塑料模具表面电火花精密堆焊层的XRD图谱。
附图6为本发明塑料模具表面电火花精密堆焊层的显微硬度曲线。
附图7为本发明塑料模具表面电火花精密堆焊层的摩擦系数变化图。
(五) 具体实施方式
该塑料模具电火花精密修复方法,采用电火花沉积/堆焊设备,利用自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极,在氩气保护气氛中,使电极与模具基体之间产生微弧放电,该微弧将电极端部熔化并沉积到模具基体表面形成堆焊层。选用某企业磨损失效的塑料模具作为电火花堆焊对象,电极采用自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极,电火花堆焊设备采用经改进的专用模具修复堆焊机,脉冲放电频率在1000~3000Hz可调。其具体步骤如下:
(1)预处理:在进行塑料模具的精密修复之前,先用400号氧化铝砂纸对磨损部位进行打磨以去除氧化皮、铁锈及粘附在表面的塑料残体,然后用有机溶剂进行清洗以去除油污,并用热风吹干;
(2)电火花沉积/堆焊过程:在电火花沉积/堆焊设备沉积枪上安装合适的自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极,电极伸出长度为10-30mm,先开启氩气保护,保护气氩气的供给方式采用沉积枪外部供气,以提高堆焊层质量,然后启动沉积枪按钮,沉积/堆焊时,保持电极与塑料模具基体之间的放电间隙均匀,使放电微弧均匀,沉积枪的运动采用圆周运动和直线运动相结合的方式以获得均匀、致密的堆焊层;
(3)磨削及抛光处理:堆焊完成后,先用砂轮逐级对堆焊层进行磨削,然后用油石进行抛光处理,最后用羊毛毡慢慢打磨到镜面。根据权利要求1或2所述的塑料模具电火花精密修复方法,其特征是:电火花沉积/堆焊设备的工艺实施参数为:设备输出电压40~80V,功率300~1200W,脉冲放电频率1000~3000Hz,堆焊生产率0.2~1cm2/min,保护气氩气流量3~6 L/min。
上述自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极采用合金粉末制备,合金粉末的成分按重量百分比为:Ni 15-25%, Cr 10-18%, B 2-4% , Si 3-6%, Mo 0.8-2%, Re1.5-3%, Fe余量,粒度范围35-45 微米,Re采用纳米稀土氧化物La2O3;自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极的制备方法为采用真空电弧熔铸炉,将配比好的粉末置于真空电弧熔铸炉中制得铸坯,然后将铸坯加工成不同尺寸的圆棒待用。本发明在制备Fe-Ni-Cr-Re合金电极时,首次将纳米稀土氧化物按一定比例加入到电极中。纳米稀土氧化物的加入可细化电火花堆焊层的微观组织,减少堆焊层中的微观缺陷,提高塑料模具修复质量。
实施例1:如果塑料模具基体材料为P20钢,自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极成分按重量百分比为:Ni 15-18%, Cr 12-15%, B 2-3% , Si 3-5%, Mo 0.8-1%, La2O3 2.5-3%, Fe余量,堆焊电极直径为φ3.5 mm,用电火花沉积/堆焊设备对磨损的塑料模具进行修复,工艺参数为:设备输出电压40 V,功率600 W,脉冲放电频率3000 Hz,堆焊生产率0.4 cm2/min,保护气氩气流量4 L/min,堆焊完成后,用手持砂轮进行打磨,然后再用油石和羊毛毡打磨到镜面。
实施例2:如果塑料模具基体材料为45钢,自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极成分按重量百分比为:Ni 20-22%, Cr 15-18%, B2-4% , Si 4-6%, Mo 1.5-2%, La2O3 2.5-3%, Fe余量,堆焊电极直径为φ5mm,用电火花沉积/堆焊设备对磨损的塑料模具进行修复,工艺参数为:设备输出电压80 V,功率900 W,脉冲放电频率2000 Hz,堆焊生产率0.6 cm2/min,保护气氩气流量6 L/min,堆焊完成后,用手持砂轮进行打磨,然后再用油石和羊毛毡打磨到镜面。
如果塑料模具基体材料为其它型号钢时,自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极成分按重量百分比均在如下范围内:Ni 15-25%, Cr 10-18%, B 2-4% , Si 3-6%, Mo 0.8-2%, La2O31.5-3%, Fe余量,不作要求。
选择实施例1并结合附图进一步说明本发明:
图1为塑料模具表面电火花沉积/堆焊Fe-Ni-Cr-Re合金的工作示意图。它是利用电极与塑料模具基体之间脉冲放电产生的微等离子弧,将电极端部熔化、凝固而形成了沉积/堆焊层,且沉积/堆焊层与模具基体之间实现冶金结合。保护气氩气的供给采用沉积枪外供给的方式,工艺实施时,氩气将整个放电微弧覆盖,避免堆焊层产生氧化。相比传统的沉积枪内供给方式,本发明中氩气的供给方式可显著提高合金电极的利用率和堆焊层的质量。
图2为采用真空电弧熔铸法制造的Fe-Ni-Cr-Re合金电极的微观组织,从图中可以看出,合金电极的微观组织主要由枝晶组成,由于稀土的细化作用使枝晶臂被打断,组织得到细化。
图3为P20塑料模具钢表面电火花堆焊Fe-Ni-Cr-Re合金的截面SEM照片。图3显示,堆焊层组织均匀、致密,无孔洞、裂纹等缺陷。堆焊层与基体界面处形成了互熔结晶型过渡区,表明堆焊层与塑料模具基体实现了良好的冶金结合。图4为图3堆焊层组织的高倍SEM照片,从图4可以看出,堆焊层组织由弥散分布的细小晶粒组成,组织超细化,有些区域晶粒尺寸达到纳米级。图5为电火花堆焊Fe-Ni-Cr-Re合金涂层的XRD图谱,从图5可知,堆焊层主要物相为γ-(Fe,Ni)、M7C3、Cr2B、Ni3Si组成。
图6为电火花堆焊层横截面的硬度分布。显微硬度测试采用HVS-1000型显微硬度计,载荷为100 g,加载时间为15秒。图6显示,堆焊层硬度变化平缓,最高硬度为510.8HV,平均硬度为486.5HV,硬度适中,适于后续切削加工。同时,堆焊层的硬度比塑料模具基体(平均硬度为328.9HV)高,可提高其耐磨性能。
图7为堆焊层在30分钟摩擦磨损试验过程中的摩擦系数变化曲线。摩擦试验机为HT-600型摩擦磨损试验机,运动副形式为球盘式,采用室温无润滑摩擦方式;运动形式为圆周循环运用,转速为900 r/min;对磨副为φ6mm的淬火GCr15钢珠。图7显示,电火花堆焊层的摩擦系数较低,经过7分钟的磨合阶段后,摩擦系数趋于稳定,说明堆焊层具有较好的耐磨性能。
综上所述,本发明具有以下特点:
(1)本发明采用原子序数相近的Fe、Ni、Cr元素作为电极的主要元素,且Fe元素含量较高,这样可保证电极材料与塑料模具基体材料的热膨胀系数相近,降低堆焊层中的残余应力,改善后续的磨削及抛光性能。添加较高含量的Ni元素可显著改善电火花堆焊的工艺性,同时Ni和Cr可提高涂层的抗氧化性及耐腐蚀性能。
(2)本发明中采用的合金电极是根据不同的塑料模具材料而设计,合金电极中添加了稀土、B、Si等元素,大大减少堆焊层中的微裂纹及微孔等缺陷,显著改善堆焊层的质量,保证堆焊层的磨削及抛光性能。同时,合金电极中添加稀土、B、Si等元素,可改善电火花堆焊工艺,使电极与基体(塑料模具)之间的放电微弧均匀,避免烧伤基体,提高了堆焊层组织的均匀性。
(3)本发明设备、工艺简单,操作灵活,工艺实施过程中不产生对环境有污染的废气、废水和废渣,环保效益明显。
(4) 本发明中形成的电火花堆焊层与模具基体呈冶金结合,可保证二者的结合强度。调整工艺参数堆焊层厚度可在0.1~2mm之间变动,实现塑料模具不同磨损工况的要求。
(5) 本发明最大的优点是工艺实施过程中对塑料模具的热输入极少,模具不会产生变形及热裂纹。堆焊层由于采用Fe-Ni-Cr-Re合金,硬度适中,切削性能优异,可实现镜面,因此本发明可实现对塑料模具的精密修复。
Claims (4)
1.一种塑料模具电火花精密修复方法,其特征是:采用电火花沉积/堆焊设备,利用自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极,在氩气保护气氛中,使电极与模具基体之间产生微弧放电,该微弧将电极端部熔化并沉积到模具基体表面形成堆焊层;其具体步骤如下:
(1)预处理:在进行塑料模具的精密修复之前,先用400号氧化铝砂纸对磨损部位进行打磨以去除氧化皮、铁锈及粘附在表面的塑料残体,然后用有机溶剂进行清洗以去除油污,并用热风吹干;
(2)电火花沉积/堆焊过程:在电火花沉积/堆焊设备沉积枪上安装合适的自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极,电极伸出长度为10-30mm,先开启氩气保护,保护气氩气的供给方式采用沉积枪外部供气,然后启动沉积枪按钮,沉积/堆焊时,保持电极与塑料模具基体之间的放电间隙均匀,使放电微弧均匀,沉积枪的运动采用圆周运动和直线运动相结合的方式以获得均匀、致密的堆焊层;自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极采用合金粉末制备,合金粉末的成分按重量百分比为:Ni 15-25%, Cr 10-18%, B 2-4% , Si 3-6%, Mo 0.8-2%, Re1.5-3%, Fe余量,粒度范围35-45 微米,Re采用纳米稀土氧化物La2O3;自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极的制备方法为采用真空电弧熔铸炉,将配比好的粉末置于真空电弧熔铸炉中制得铸坯,然后将铸坯加工成不同尺寸的圆棒待用;
(3)磨削及抛光处理:堆焊完成后,先用砂轮逐级对堆焊层进行磨削,然后用油石进行抛光处理,最后用羊毛毡慢慢打磨到镜面。
2.根据权利要求1所述的塑料模具电火花精密修复方法,其特征是:电火花沉积/堆焊设备的工艺实施参数为:设备输出电压40~80V,功率300~1200W,脉冲放电频率1000~3000Hz,堆焊生产率0.2~1cm2/min,保护气氩气流量3~6 L/min。
3.根据权利要求1所述的塑料模具电火花精密修复方法,其特征是:塑料模具基体材料为P20钢,自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极成分按重量百分比为:Ni 15-18%, Cr 12-15%, B 2-3% , Si 3-5%, Mo 0.8-1%, La2O3 2.5-3%, Fe余量,堆焊电极直径为φ3.5 mm,用电火花沉积/堆焊设备对磨损的塑料模具进行修复,工艺参数为:设备输出电压40 V,功率600 W,脉冲放电频率3000 Hz,堆焊生产率0.4 cm2/min,保护气氩气流量4 L/min,堆焊完成后,用手持砂轮进行打磨,然后再用油石和羊毛毡打磨到镜面。
4.根据权利要求1所述的塑料模具电火花精密修复方法,其特征是:塑料模具基体材料为45钢,自制Fe-Ni-Cr-Re合金电极成分按重量百分比为:Ni 20-22%, Cr 15-18%, B2-4% , Si 4-6%, Mo 1.5-2%, La2O3 2.5-3%, Fe余量,堆焊电极直径为φ5mm,用电火花沉积/堆焊设备对磨损的塑料模具进行修复,工艺参数为:设备输出电压80 V,功率900 W,脉冲放电频率2000 Hz,堆焊生产率0.6 cm2/min,保护气氩气流量6 L/min,堆焊完成后,用手持砂轮进行打磨,然后再用油石和羊毛毡打磨到镜面。
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