电刷镀对于模具制造的利用研究

优胜编程龚老师

电刷镀对于模具制造的利用研究:

模具拉深过程及产生粘着磨损的原因模具拉深过程中，凹模要受到压边圈产生的压应力、工件拉深时材料滑动产生的摩擦力和工件材料收缩变形时对凹模的形变力的综合作用。工件与模具之间的摩擦主要是滑动摩擦。根据文献滑动摩擦时产生粘着磨损，其磨损率M擦副材料系数和摩擦副所受的正应力成正比，与摩擦副材料的硬度成反比。因此，拉深不锈钢材料时模具产生粘着磨损的主要原因是：
（1）拉深模具材料为Cr12MoV，工件材料为304不锈钢，同属互溶性较大的材料，性能相似的材料之间更容易产生粘着磨损系数C大；
（2）模具拉深时，要受到压边力、工件形变挤压力的作用，所受正应力W较大；
（3）相对运动速度快，拉深过程是瞬时完成的，尤其是高速拉深时，模具与材料相对运动速度接近1m / s，温度上升较快，导致硬度有一定程度的下降，并使摩擦系数有一定的增加。

减少粘着磨损的主要途径是：
（1）模具表面强化，施加与工件材料性能相差较大的Ni2P镀层；
（2）提高镀层硬度，并降低摩擦系数。　　所有实验基于如下工艺：电净―活化―特殊镍打底―电刷镀。　　I类试样规格：长×宽×高为60mm×40mm×10mm，材料为Cr12MoV，热处理硬度为60～62HRC（与模具使用时硬度一致）。镀层中的含P量和镀层厚度通过LEO1530VP型扫描电镜分析确定：镀层厚度从镀层截面图上量取，含P量取镀层两个测量点处的平均值。镀层硬度在HV21000型显微硬度计上测量：取4个测量点的平均值。　　镀层热处理温度设定为未热处理和热处理温度200、400、600℃。最高温度不超过600℃，主要是考虑到温度超过600℃后模具变形较大， 600℃以下模具变形较小。对于Cr12MoV， 600℃的保温处理会使其硬度下降，但如果镀层能保持足够硬度，则形成的表层硬且耐磨，内部有一定韧性且可承受一定冲击，对拉深模具更为有利。　　镀层的耐磨性测试：将II类试样（材料为45钢）切割成10mm×10mm×10mm的标准件，除油后烘干。试样准备好后在MM2200型磨损试验机上进行实验，对磨件的材料为GCr15，其硬度为62HRC（与模具使用时硬度一致） ，转速为200 r/min （根据是滚轮直径折合相对滑动速度为2m / s，要高于高速拉深时模具与材料之间的滑动速度） ，试样固定不动；所加载荷为15 kg，采用湿磨法，机油润滑，对磨2 h，每20min测量一次磨痕宽度，根据磨痕宽度的变化定性评估镀层的耐磨性。磨痕宽度的测量采用放大倍数为20的带刻度的工具显微镜，测量时用光源照着试样，直接在试样上读数，所读数据除以20即为实际值。　　镀层结合力测试： III类试样尺寸为60 mm×25mm×1mm，材料为Q235.在上面施镀后，将其在直径为215mm的圆柱上弯曲360°，在显微镜下观察其镀层开裂或脱落情况。　　

用全自动X2射线衍射仪（X′pert ， Philip公司）测量镀层物相，用扫描电镜SEM （ LEO1530VP，德国里奥公司）测量镀层表面形貌和截面形貌；用EDS能谱分析仪（ INCA 300，英国Oxford公司）测量镀层能谱。加入量恒定为50 g/L；络合剂按实验方案中所计算的比例加入，施镀5min，用实验方案中的I类试件进行实验。　　配方配制10种镀液，每种镀液的施镀时间为5min，热处理时间为1 h.以实验方案中的I类试件进行实验。配方6对应的样品，经400℃、1 h的保温处理后，镀层硬度在800Hv以上，配方7对应的样品经600℃、1h的保温处理后，镀层硬度也高达782Hv，且这4种配方施镀时的镀速都比较好，要确定其最优方案，还需要进一步做耐磨性测试。　　

以实验方案中的II类试件进行施镀，施镀时间5min，样品7的热处理温度为600℃，样品1、2、6的热处理温度为400℃，热处理时间都为1 h，根据表3，镀层的硬度与耐磨性是正相关的，这与公式（1）的结果是相吻合的。镀层硬度越高，耐磨性越好，磨痕宽度越窄，样品6具有最好的耐磨能力。但要确定其最优配方，还需进行镀层结合力测试。镀层的结合力是模具强化的关键因素。　　以实验方案中的III类试样进行实验，镀层弯曲开裂。样品1和样品6开裂程度较小，样品7开裂最严重；从中可以看出，样品1与样品6含P量接近，在同样的热处理温度下，镀层的弯曲性能是接近的；样品2与样品7的含P量也接近，但它们比样品1和6的含P量高出4%以上；含P量增大，镀层的脆性增大，因此，弯曲时，镀层的开裂程度要大一些；此外，样品7热处理温度高达600℃，热处理温度升高以后，镀层中出现了新的合金相，这也是影响镀层弯曲性能的一个重要原因，后面的XRD图上验证了这一点。通过上述实验可知，样品6具有最佳的综合性能。　　

因此，为了进一步弄清硬度与热处理温度的关系，有必要对不同温度下的镀层形貌和结构作微观分析。　　从中可以看出，不同热处理温度下，镀层的表面形貌发生了显著的变化：从整块形变成凸台形，最后变成颗粒形。根据文献<4 >，这种结构为镍的化合物析出相。析出相的出现使镀层结构发生改变，从而导致硬度的变化。为了弄清结构的组分，需进行物相分析。　　到Ni的衍射峰， P溶解于Ni的晶格点阵中，镀层呈现出半晶态；镀层经200℃热处理后，Ni的衍射峰变窄，镀层逐步由半晶态向晶态转化；当热处理温度达到400℃时，镀层完成了晶态转变。在晶态转变的初期产生了晶格变形，从而使得镀层的硬度出现了明显的上升。当热处理（井式炉热处理工件的硬度检测方法）温度达到400℃以后，由于NiO的产生，晶粒开始长大，同时Ni 5 P 2与Ni的共格关系遭到破坏，使镀层硬度下降。　　

镀层比较致密，基体与打底层的结合面之间、打底层与镀层的结合面之间都不存在明显的裂纹，说明它们之间的结合较好。镀层主要由Ni和P组成， P原子百分比为3195% ， Ni原子百分为96105%； P的含量占2112% ，Ni含量占9718%.　　根据程序中的工艺，利用配方6在珠海市明才公司和广州东莞庄五金件厂提供的模具（材料为Cr12MoV，已使用一年以上）上施加厚约0105mm的Ni2P镀层，抛光处理后，再进行400℃、1 h保温处理利用电刷镀的方法，在拉深不锈钢材料的Cr12MoV模具表面利用优化所得的最佳配方（配方6）进行施镀，施加含P量为2%左右的Ni2P镀层经400℃、1 h保温处理后，镀层与模具表面结合较好；镀层中的Ni和P是以金属化合物Ni 5 P 2的形式存在；金属化合物的析出相在镀层表面表现为小凸台形；镀层硬度达893 Hv （Cr12MoV经淬火后的硬度为62HRC即730Hv）。由于Ni2P镀层与不锈钢的相溶性要小于Cr12MoV与不锈钢的相溶性、Ni2P镀层热处理后的硬度要高于Cr12MoV热处理后的硬度，它可以降低模具与不锈钢之间的粘着磨损；同时，镀层表面出现密集小凸形，在模具拉深时，施加润滑的条件下，有利于润滑油的贮存，这对降低摩擦系数、减少模具与不锈钢材料之间的粘着磨损是十分有利的。