專利名稱：一種塑料模具電火花精密修復方法
技術領域：
本發明涉及電火花沉積/堆焊合金涂層技術領域，特別涉及一種塑料模具電火花精密修復方法。背景技術：
現代工業對模具表面性能的要求越來越高，在高溫、高速、高壓、重載、腐蝕性介質下工作的模具零件，其失效往往與表面的磨損、腐蝕、氧化等有關。塑料模具(如注塑模、壓塑模、擠塑模、塑料擠出模、吹塑模等)作為其中一大種類，在長期的服役過程中，塑料中添加的增強樹脂填料及阻燃劑等添加劑會造成模具型腔表面的沖刷、磨損和腐蝕，由此不可避免地會產生失效；在模具的加工制造過程中，也會出現超差、扎刀、錯位、硌傷等意外損傷。塑料模具的失效不僅影響產品的質量而且增加生產成本，頻繁更換模具更會導致產量下降，給企業帶來巨大的經濟損失。另一方面，由于塑料模具的種類多，標準件少，制造周期長，加工費用高(尤其是精密復雜模具或大型模具制造加工費高達數十萬元乃至數百萬元)，企業常因塑料模具的失效而減產或停產。因此，采用先進表面處理技術對失效的塑料模具進行快速、精密修復來大幅度延長、提高模具的使用壽命具有重要的經濟意義。傳統的電弧焊、熱噴涂、激光或等離子熔覆等模具表面修復技術，由于熱輸入大， 往往造成模具表面的變形，甚者，造成整個模具的報廢，給企業帶來巨大經濟損失。如今塑料模具向小型、精密、多樣化和大型、復雜、精密的方向發展，傳統修復技術由于技術本身的缺陷，已不能勝任塑料模具的精密修復。因此，采用更為先進的表面處理技術對失效的塑料模具進行快速精密修復，凸顯其重要性。電火花沉積/堆焊技術是利用脈沖放電的高密度能量，將工作電極熔化并在工件表面形成冶金型結合的涂層，以改善工件表面的耐磨、耐蝕性能，廣泛應用于工件模具的表面強化及修復。其最大的優點是對工件表面的熱影響小，工藝實施時，工件表面的溫度可保持在環境溫度，工件的殘余變形極小。因此，該技術非常適合對表面質量要求高的塑料模具進行強化及精密修復。
發明內容
本發明為了彌補現有技術的缺陷，提供了一種熱輸入少、結合強度高、硬度適中、切削性能優異、可實現鏡面的塑料模具電火花精密修復方法。本發明是通過如下技術方案實現的
一種塑料模具電火花精密修復方法，其特征是采用電火花沉積/堆焊設備，利用自制 Fe-Ni-Cr-Re合金電極，在氬氣保護氣氛中，使電極與模具基體之間產生微弧放電，該微弧將電極端部熔化并沉積到模具基體表面形成堆焊層。該塑料模具電火花精密修復方法，其具體步驟如下
(1)預處理在進行塑料模具的精密修復之前，先用400號氧化鋁砂紙對磨損部位進行打磨以去除氧化皮、鐵銹及粘附在表面的塑料殘體，然后用有機溶劑進行清洗以去除油污， 并用熱風吹干；
(2)電火花沉積/堆焊過程在電火花沉積/堆焊設備沉積槍上安裝合適的自制Fe-Ni-Cr-Re合金電極，電極伸出長度為10_30mm，先開啟氬氣保護，保護氣氬氣的供給方式采用沉積槍外部供氣，然后啟動沉積槍按鈕，沉積/堆焊時，保持電極與塑料模具基體之間的放電間隙均勻，使放電微弧均勻，沉積槍的運動采用圓周運動和直線運動相結合的方式以獲得均勻、致密的堆焊層；
(3)磨削及拋光處理堆焊完成后，先用砂輪逐級對堆焊層進行磨削，然后用油石進行拋光處理，最后用羊毛氈慢慢打磨到鏡面。根據權利要求1或2所述的塑料模具電火花精密修復方法，其特征是電火花沉積/堆焊設備的工藝實施參數為設備輸出電壓40 80V， 功率300 1200W，脈沖放電頻率1000 3000Hz，堆焊生產率0. 2 lcm2/min，保護氣氬氣流量3 6 L/min。上述自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極采用合金粉末制備，合金粉末的成分按重量百分比為Ni 15-25%, Cr 10-18%, B 2-4%，Si 3-6%, Mo 0. 8-2%, Rel. 5-3%, Fe余量，粒度范圍35-45微米，Re采用納米稀土氧化物La2O3 ；自制 ^-Ni-Cr-Re合金電極的制備方法為采用真空電弧熔鑄爐，將配比好的粉末置于真空電弧熔鑄爐中制得鑄坯，然后將鑄坯加工成不同尺寸的圓棒待用。如果塑料模具基體材料為P20鋼，自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極成分按重量百分比為=Ni 15-18%, Cr 12-15%, B 2-3%，Si 3-5%, Mo 0. 8-1%, La2O3 2. 5-3%, 狗余量，堆焊電極直徑為Φ3.5 mm，用電火花沉積/堆焊設備對磨損的塑料模具進行修復， 工藝參數為設備輸出電壓40 V，功率600 W，脈沖放電頻率3000 Hz，堆焊生產率0.4 cm2/ min，保護氣氬氣流量4 L/min，堆焊完成后，用手持砂輪進行打磨，然后再用油石和羊毛氈打磨到鏡面。如果塑料模具基體材料為45鋼，自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極成分按重量百分比為Ni 20-22%, Cr 15-18%, B2_4%，Si 4-6%, Mo 1. 5-2%, La2O3 2. 5-3%, Fe 余量，堆焊電極直徑為Φ 5mm，用電火花沉積/堆焊設備對磨損的塑料模具進行修復，工藝參數為 設備輸出電壓80 V，功率900 W，脈沖放電頻率2000 Hz，堆焊生產率0.6 cm2/min，保護氣氬氣流量6 L/min，堆焊完成后，用手持砂輪進行打磨，然后再用油石和羊毛氈打磨到鏡面。本發明的有益效果是該塑料模具電火花精密修復方法，對塑料模具的熱輸入極少，模具不會產生變形及熱裂紋；堆焊層與模具基體呈冶金結合，結合強度高；堆焊層由于采用!^e-Ni-Cr-Re合金，硬度適中，切削性能優異，可實現鏡面，適于對塑料模具進行精密修復。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。附圖1為本發明塑料模具電火花精密修復方法的工藝示意圖。附圖2為本發明自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極的微觀組織示意圖。附圖3為本發明塑料模具表面電火花精密堆焊層的橫截面形貌圖。附圖4為本發明塑料模具表面電火花精密堆焊層的SEM照片圖。附圖5為本發明塑料模具表面電火花精密堆焊層的XRD圖譜。附圖6為本發明塑料模具表面電火花精密堆焊層的顯微硬度曲線。附圖7為本發明塑料模具表面電火花精密堆焊層的摩擦系數變化圖。具體實施例方式
該塑料模具電火花精密修復方法，采用電火花沉積/堆焊設備，利用自制!^-Ni-Cr-Re 合金電極，在氬氣保護氣氛中，使電極與模具基體之間產生微弧放電，該微弧將電極端部熔
4化并沉積到模具基體表面形成堆焊層。選用某企業磨損失效的塑料模具作為電火花堆焊對象，電極采用自制!^-Ni-Cr-Re合金電極，電火花堆焊設備采用經改進的專用模具修復堆焊機，脈沖放電頻率在1000 3000Hz可調。其具體步驟如下
(1)預處理在進行塑料模具的精密修復之前，先用400號氧化鋁砂紙對磨損部位進行打磨以去除氧化皮、鐵銹及粘附在表面的塑料殘體，然后用有機溶劑進行清洗以去除油污， 并用熱風吹干；
(2)電火花沉積/堆焊過程在電火花沉積/堆焊設備沉積槍上安裝合適的自制 Fe-Ni-Cr-Re合金電極，電極伸出長度為10_30mm，先開啟氬氣保護，保護氣氬氣的供給方式采用沉積槍外部供氣，以提高堆焊層質量，然后啟動沉積槍按鈕，沉積/堆焊時，保持電極與塑料模具基體之間的放電間隙均勻，使放電微弧均勻，沉積槍的運動采用圓周運動和直線運動相結合的方式以獲得均勻、致密的堆焊層；
(3)磨削及拋光處理堆焊完成后，先用砂輪逐級對堆焊層進行磨削，然后用油石進行拋光處理，最后用羊毛氈慢慢打磨到鏡面。根據權利要求1或2所述的塑料模具電火花精密修復方法，其特征是電火花沉積/堆焊設備的工藝實施參數為設備輸出電壓40 80V， 功率300 1200W，脈沖放電頻率1000 3000Hz，堆焊生產率0. 2 lcm2/min，保護氣氬氣流量3 6 L/min。上述自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極采用合金粉末制備，合金粉末的成分按重量百分比為Ni 15-25%, Cr 10-18%, B 2-4%，Si 3-6%, Mo 0. 8-2%, Rel. 5-3%, Fe余量，粒度范圍35-45微米，Re采用納米稀土氧化物La2O3 ；自制 ^-Ni-Cr-Re合金電極的制備方法為采用真空電弧熔鑄爐，將配比好的粉末置于真空電弧熔鑄爐中制得鑄坯，然后將鑄坯加工成不同尺寸的圓棒待用。本發明在制備i^e-Ni-Cr-Re合金電極時，首次將納米稀土氧化物按一定比例加入到電極中。納米稀土氧化物的加入可細化電火花堆焊層的微觀組織，減少堆焊層中的微觀缺陷，提高塑料模具修復質量。實施例1 如果塑料模具基體材料為P20鋼，自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極成分按重量百分比為Ni 15-18%, Cr 12-15%, B 2-3%，Si 3-5%, Mo 0. 8-1%, La2O3 2. 5-3%, Fe 余量，堆焊電極直徑為Φ 3. 5 mm，用電火花沉積/堆焊設備對磨損的塑料模具進行修復，工藝參數為設備輸出電壓40 V，功率600 W，脈沖放電頻率3000 Hz，堆焊生產率0.4 cm2/ min，保護氣氬氣流量4 L/min，堆焊完成后，用手持砂輪進行打磨，然后再用油石和羊毛氈打磨到鏡面。實施例2 如果塑料模具基體材料為45鋼，自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極成分按重量百分比為Ni 20-22%, Cr 15-18%, B2_4%，Si 4-6%, Mo 1. 5-2%, La2O3 2. 5-3%, Fe 余量，堆焊電極直徑為Φ 5mm,用電火花沉積/堆焊設備對磨損的塑料模具進行修復，工藝參數為設備輸出電壓80 V，功率900 W，脈沖放電頻率2000 Hz，堆焊生產率0.6 cm2/min， 保護氣氬氣流量6 L/min，堆焊完成后，用手持砂輪進行打磨，然后再用油石和羊毛氈打磨到鏡面。如果塑料模具基體材料為其它型號鋼時，自制 ^-Ni-Cr-Re合金電極成分按重量百分比均在如下范圍內Ni 15-25%, Cr 10-18%, B 2-4%，Si 3-6%, Mo 0.8-2%, La2O3L 5-3%, Fe余量，不作要求。選擇實施例1并結合附圖進一步說明本發明圖1為塑料模具表面電火花沉積/堆焊!^e-Ni-Cr — Re合金的工作示意圖。它是利用電極與塑料模具基體之間脈沖放電產生的微等離子弧，將電極端部熔化、凝固而形成了沉積/堆焊層，且沉積/堆焊層與模具基體之間實現冶金結合。保護氣氬氣的供給采用沉積槍外供給的方式，工藝實施時，氬氣將整個放電微弧覆蓋，避免堆焊層產生氧化。相比傳統的沉積槍內供給方式，本發明中氬氣的供給方式可顯著提高合金電極的利用率和堆焊層的質量。圖2為采用真空電弧熔鑄法制造的狗-Ni-Cr — Re合金電極的微觀組織，從圖中可以看出，合金電極的微觀組織主要由枝晶組成，由于稀土的細化作用使枝晶臂被打斷，組織得到細化。圖3為P20塑料模具鋼表面電火花堆焊!^e-Ni-Cr-Re合金的截面SEM照片。圖3 顯示，堆焊層組織均勻、致密，無孔洞、裂紋等缺陷。堆焊層與基體界面處形成了互熔結晶型過渡區，表明堆焊層與塑料模具基體實現了良好的冶金結合。圖4為圖3堆焊層組織的高倍SEM照片，從圖4可以看出，堆焊層組織由彌散分布的細小晶粒組成，組織超細化，有些區域晶粒尺寸達到納米級。圖5為電火花堆焊!^e-Ni-Cr-Re合金涂層的XRD圖譜，從圖5可知，堆焊層主要物相為Y_(Fe，Ni)、M7C3、Cr2B、Ni3Si組成。圖6為電火花堆焊層橫截面的硬度分布。顯微硬度測試采用HVS-1000型顯微硬度計，載荷為100 g，加載時間為15秒。圖6顯示，堆焊層硬度變化平緩，最高硬度為510. 8HV， 平均硬度為486. 5HV，硬度適中，適于后續切削加工。同時，堆焊層的硬度比塑料模具基體 (平均硬度為3^.9HV)高，可提高其耐磨性能。圖7為堆焊層在30分鐘摩擦磨損試驗過程中的摩擦系數變化曲線。摩擦試驗機為HT-600型摩擦磨損試驗機，運動副形式為球盤式，采用室溫無潤滑摩擦方式；運動形式為圓周循環運用，轉速為900 r/min;對磨副為(^6!11111的淬火6(>15鋼珠。圖7顯示，電火花堆焊層的摩擦系數較低，經過7分鐘的磨合階段后，摩擦系數趨于穩定，說明堆焊層具有較好的耐磨性能。綜上所述，本發明具有以下特點
(1)本發明采用原子序數相近的Fe、Ni、Cr元素作為電極的主要元素，且狗元素含量較高，這樣可保證電極材料與塑料模具基體材料的熱膨脹系數相近，降低堆焊層中的殘余應力，改善后續的磨削及拋光性能。添加較高含量的M元素可顯著改善電火花堆焊的工藝性，同時M和Cr可提高涂層的抗氧化性及耐腐蝕性能。(2)本發明中采用的合金電極是根據不同的塑料模具材料而設計，合金電極中添加了稀土、B、Si等元素，大大減少堆焊層中的微裂紋及微孔等缺陷，顯著改善堆焊層的質量，保證堆焊層的磨削及拋光性能。同時，合金電極中添加稀土、B、Si等元素，可改善電火花堆焊工藝，使電極與基體(塑料模具)之間的放電微弧均勻，避免燒傷基體，提高了堆焊層組織的均勻性。(3)本發明設備、工藝簡單，操作靈活，工藝實施過程中不產生對環境有污染的廢氣、廢水和廢渣，環保效益明顯。(4)本發明中形成的電火花堆焊層與模具基體呈冶金結合，可保證二者的結合強度。調整工藝參數堆焊層厚度可在0. 1 2mm之間變動，實現塑料模具不同磨損工況的要求。
(5)本發明最大的優點是工藝實施過程中對塑料模具的熱輸入極少，模具不會產生變形及熱裂紋。堆焊層由于采用 ^-Ni-Cr-Re合金，硬度適中，切削性能優異，可實現鏡面，因此本發明可實現對塑料模具的精密修復。
權利要求
1.一種塑料模具電火花精密修復方法，其特征是采用電火花沉積/堆焊設備，利用自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極，在氬氣保護氣氛中，使電極與模具基體之間產生微弧放電，該微弧將電極端部熔化并沉積到模具基體表面形成堆焊層。
2.根據權利要求1所述的塑料模具電火花精密修復方法，其特征是其具體步驟如下(1)預處理在進行塑料模具的精密修復之前，先用400號氧化鋁砂紙對磨損部位進行打磨以去除氧化皮、鐵銹及粘附在表面的塑料殘體，然后用有機溶劑進行清洗以去除油污， 并用熱風吹干；(2)電火花沉積/堆焊過程在電火花沉積/堆焊設備沉積槍上安裝合適的自制 Fe-Ni-Cr-Re合金電極，電極伸出長度為10_30mm，先開啟氬氣保護，保護氣氬氣的供給方式采用沉積槍外部供氣，然后啟動沉積槍按鈕，沉積/堆焊時，保持電極與塑料模具基體之間的放電間隙均勻，使放電微弧均勻，沉積槍的運動采用圓周運動和直線運動相結合的方式以獲得均勻、致密的堆焊層；(3)磨削及拋光處理堆焊完成后，先用砂輪逐級對堆焊層進行磨削，然后用油石進行拋光處理，最后用羊毛氈慢慢打磨到鏡面。
3.根據權利要求1或2所述的塑料模具電火花精密修復方法，其特征是電火花沉積 /堆焊設備的工藝實施參數為設備輸出電壓40 80V，功率300 1200W，脈沖放電頻率 1000 3000Hz，堆焊生產率0. 2 lcm2/min，保護氣氬氣流量3 6 L/min。
4.根據權利要求3所述的塑料模具電火花精密修復方法，其特征是自制!^e-Ni-Cr-Re 合金電極采用合金粉末制備，合金粉末的成分按重量百分比為Ni 15-25%, Cr 10-18%, B 2-4%，Si 3-6%, Mo 0. 8-2%, Rel. 5-3%, Fe 余量，粒度范圍 35-45 微米，Re 采用納米稀土氧化物La2O3 ；自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極的制備方法為采用真空電弧熔鑄爐，將配比好的粉末置于真空電弧熔鑄爐中制得鑄坯，然后將鑄坯加工成不同尺寸的圓棒待用。
5.根據權利要求4所述的塑料模具電火花精密修復方法，其特征是塑料模具基體材料為P20鋼，自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極成分按重量百分比為Ni 15-18%, Cr 12-15%, B 2-3%，Si 3-5%, Mo 0. 8-1%, La2O3 2. 5-3%, Fe 余量，堆焊電極直徑為 Φ 3. 5 mm,用電火花沉積/堆焊設備對磨損的塑料模具進行修復，工藝參數為設備輸出電壓40 V，功率600 W，脈沖放電頻率3000 Hz，堆焊生產率0.4 cm7min，保護氣氬氣流量4 L/min，堆焊完成后， 用手持砂輪進行打磨，然后再用油石和羊毛氈打磨到鏡面。
6.根據權利要求4所述的塑料模具電火花精密修復方法，其特征是塑料模具基體材料為45鋼，自制!^e-Ni-Cr-Re合金電極成分按重量百分比為Ni 20-22%, Cr 15-18%, B2-4%，Si 4-6%, Mo 1. 5-2%, La2O3 2. 5-3%, !^e 余量，堆焊電極直徑為 Φ 5mm，用電火花沉積/堆焊設備對磨損的塑料模具進行修復，工藝參數為設備輸出電壓80 V，功率900 W, 脈沖放電頻率2000 Hz，堆焊生產率0.6 cm7min，保護氣氬氣流量6 L/min，堆焊完成后，用手持砂輪進行打磨，然后再用油石和羊毛氈打磨到鏡面。
全文摘要
本發明涉及電火花沉積/堆焊合金涂層技術領域，特別涉及一種塑料模具電火花精密修復方法。該塑料模具電火花精密修復方法，采用電火花沉積/堆焊設備，利用自制Fe-Ni-Cr-Re合金電極，在氬氣保護氣氛中，使電極與模具基體之間產生微弧放電，該微弧將電極端部熔化并沉積到模具基體表面形成堆焊層。該塑料模具電火花精密修復方法，對塑料模具的熱輸入極少，模具不會產生變形及熱裂紋；堆焊層與模具基體呈冶金結合，結合強度高；堆焊層由于采用Fe-Ni-Cr-Re合金，硬度適中，切削性能優異，可實現鏡面，適于對塑料模具進行精密修復。
文檔編號C23C26/02GK102528376SQ20121005305
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者戴晟, 方志鋼, 程虎, 董晨竹, 高玉新 申請人:臺州學院