模具制造领域中的表面工程技术应用综述及展望,材料表面工程技术教学改革探索_论文精选_好文学网

材料表面工程论文

材料表面工程技术教学改革探索

下面是本网给大家带来关于模具制造领域中的表面工程技术应用的相关内容,以供参考。

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扼要综述了在模具制造领域中应用较为广泛的几类表面工程技术,并对其性能指标和经济性作了比较。介绍了稀土表面工程技术在模具制造中的应用进展。对纳米表面工程技术在模具制造中的应用作了展望。

为保证材料表面工程技术课程的教学质量,我们在教学管理上采取了几点措施。以下内容是小编为您精心整理的材料表面工程论文,欢迎参考!

表面工程技术是材料类专业的一门专业基础课,针对传统授课中存在的问题,结合地方高校的实际情况,通过加强专业认知教育,合理制定培养方案,更新教学模式,加强实践环节和师资队伍建设等途径,激发学生的学习主动性,培养兴趣,提高了该课程的授课效果。下面是小编搜集整理的相关内容的论文,欢迎大家阅读参考。

国际模具协会专家认为:模具是金属加工业的帝王。而模具材料又是模具工业的基础。但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求。表面工程是当前材料科学与工程领域中表现较为活跃、发展较为迅速的分支。表面工程具有学科的综合性,手段的多样性,广泛的功能性,潜在的创新性,环境的保护性,很强的实用性和巨大的增效性,因而受到各行各业的重视。表面工程技术在模具制造领域中的应用,在很大程度上弥补了模具材料的不足。

材料表面工程论文

材料表面工程是一门正在迅速发展的综合性边缘交叉学科。本文从《材料表面工程技术》课程理论教学与所在学校办学特色、教师科研、实践教学相结合等方面,对该课程的教学改革进行了探讨,旨在提高学生学习积极性、加深其对理论知识的理解,培养其综合能力,为毕业后从事表面工程相关领域的工作打好坚实的基础。

可用于模具制造的表面工程技术十分广泛,既包括传统的表面淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术,又包括近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术(PVD)、化学气相沉积技术(CVC)、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。而稀土表面工程技术的进展和纳米表面工程技术的兴起必将进一步推动模具制造的表面工程技术的发展。表面工程技术应用于模具型腔表面处理,可达到如下目的:

1教学队伍建设

材料表面工程技术;教学改革;办学特色;教学与科研;实践教学

提高模具型腔表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能,大幅度提高模具的使用寿命。提高模具型腔表面抗擦伤能力和脱模能力,从而提高生产率。

本课程教学团队中承担主讲教学工作的有5人,承担辅助教学工作的有2人,所有教师均参与本课程的教材建设、教学改革、实验教学、网络资源建设等工作。多年来,教学团队努力加强梯队建设,支持、鼓励青年教师攻读博士学位,并且针对青年教师在教学工作中存在的问题,积极开展教学研讨,交流教学经验,帮助他们尽快提高教学、科研水平。目前,团队所有成员坚持在教学、实验、科研和教学改革四个层面全方位开展工作,始终把本科生教育放在首位,并同研究生培养、科研课题紧密结合,已形成一支结构合理、综合素质高、教学效果好、积极致力于教学改革的课程教学团队。表1为教学队伍的学历结构、职称结构和年龄结构。

一、引言

经表面涂层或合金化处理过的碳素工具钢或低合金钢,其综合性能可达到甚至超过高合金化模具材料及硬质合金的性能指标,从而可大幅度降低材料成本。

2教学方法与手段

材料表面工程是一门广博精深且极具实际应用价值的基础技术,也是一门新兴的边缘交叉学科。近几十年来,人们通过对传统表面技术进行一系列的改进、复合及创新,开发出大量的先进表面技术,在工业、农业、生物、医药等领域乃至日常生活中发挥了重大的作用[1,2]。《材料表面工程技术》是江苏科技大学材料学院各本科专业的一门重要的专业基础课。该课程主要讲解与材料表面相关的基本概念和重要理论,阐述现代表面技术的形成、分类及内容,介绍一些典型表面技术的基本原理、主要设备、技术路线、工艺实施、分析检验和具体应用等内容。通过该课程的学习,初步培养学生应用表面技术分析、解决实际工程问题的能力。针对本课程涉及范围广、内容繁杂、实用性强等特点,在教学实施过程中,为充分调动学生学习积极性,加深其对理论知识的理解,培养其综合素质,在传授基础理论知识的同时,尝试将所在学校的办学特色、教师的科研工作、实践教学等与理论教学相结合,对该课程的教学进行了改革。

可以简化模具制造加工工艺和热处理工艺,降低生产成本。

在长期的《表面改性技术》教学过程中,我们一直致力于教学方法的改革,以求达到佳的教学效果。当今的本科教学强调素质教育,其教学结构是学教并重,即”主导-主体”教学模式。这种教学模式的核心在于既要发挥教师的指导作用,又要充分体现学生的主体作用。据此,我们对《表面改性技术》课程教学方法及手段进行了多方面的改革:

二、理论教学与学校特色相结合,提高学生学习积极性

可用于模具型腔表面的纹饰,以提高制品的档次和附加值。

2.1采取“研究性教学和研究性学习”的教学方法

江苏科技大学是一所以船舶、海洋为鲜明特色的高等学校。学校先后与中国船舶工业集团公司、中国船舶重工集团公司、中国舰船研究院、江南造船集团公司等单位建立了全面合作关系,是中国船舶工业重要的优秀人才培养基地之一。《材料表面工程技术》课程涉及的相关表面处理技术,是船舶与海洋领域腐蚀与防护不可或缺的重要组成部分。因此,为了让学生意识到学习本课程的重要性,在理论教学过程中,要适时地结合学校特色,加入相关内容。例如,在讲到表面凃敷技术之一的涂装时,对该技术在船舶行业的应用进行了详细的介绍,讲解了船舶上常用的纯酚醛树脂涂料的组成,制备,耐水性、耐化学腐蚀性、耐候性等优异性能及其施工等等。再比如讲到热喷涂技术时,以等离子喷涂涂层在海上自升式钻井平台液压活塞杆上的应用为例,讲述如何根据实际工况选择涂层材料及喷涂方法,如何根据涂层性能要求制定合理的喷涂工艺,以及如何对所制备涂层进行后续处理和耐蚀、耐磨性能测试等。通过理论教学与学校的船海特色相结合,使学生了解了所学知识在实际工程中的应用,从而使其意识到学有所用,这对于激发其学习兴趣、提高其学习积极性起到了事半功倍的效果。

可用于模具的修复等再制造工程。

从研究问题入手,将“原理-设备-工艺-工程”的知识构建过程展现出来,同时提出新的问题,组织学生展开思考和研讨,引导学生把所学知识与煤矿设备工程实际紧密结合,变单向传输式教学为双向互动式教学,变以强调理论内容为主的灌输式讲授为探究理论研究过程为主的引导式讲授,实现真正意义上的“双主”教学。

三、理论教学与教师科研相结合,加深学生对所学知识的理解

1、热扩渗技术

2.2积极组织学生开展研讨活动

3.1对于教学科研岗位的高校教师来说,理论教学与科学研究是相互促进、密不可分的[3]。一是理论教学是科学研究的基础,没有坚实的理论知识作指导,科学研究便不能顺利地开展;二是作为新兴的边缘交叉学科,表面技术的发展极为迅速,而所用教材内容的更新则相对滞后,很多新理论、新技术、新设备和新成果不能及时地添加到教材中。而通过科学研究,可以更深入地了解本领域的新进展,从而对教学内容进行更新与调整,三是起到促进教学的作用。因此,在课程授课过程中,应将理论教学与本人的科学研究工作紧密地联系到一起,主要从以下三个方面实现。

热扩渗技术是用加热扩散的方式使欲渗金属或非金属元素渗入金属材料或工件的表面,从而形成表面合金层的工艺。其突出特点是扩渗层与基材之间是靠形成合金来结合的,具有很高的结合强度,这是其它涂层方法如电镀、喷镀、化学镀、甚至物理气相沉积技术所无法比拟的。常用于热扩渗的合金元素包括碳、氮、硅、硼、铝、钒、钛、钨、铌、硫等。上述元素都已在不同程度上应用于各类模具型腔表面的强化。随着热扩渗技术的不断发展,二元乃至多元共渗工艺在模具表面强化中发挥越来越大的作用。对不同渗入元素或不同模具种类而言,最佳渗入工艺也不尽相同,这里介绍在模具表面强化中应用最多的几种热扩渗工艺。

例如在学习有关热喷涂的内容时,以井下带式输送机底托架热喷涂铝加封孔剂处理可大幅提高使用寿命为例,让学生进行讨论,帮助、引导学生从材料的选择、涂层的结构以及喷涂工艺流程、实施过程等各个方面进行考虑、分析,并提出解决的方法。这样,通过启发式教学,不仅可以巩固所学知识,而且可以帮助学生学会从多方位、多角度去思考问题,去了解煤矿机械的使用情况,有利于调动学生的学习积极性。

3.2一是在讲解各种表面技术研究现状的基础上,要重点介绍其研究热点及科研动态。例如,在讲授热喷涂技术时,在对该技术的原理、特点、工艺过程、研究现状进行介绍后,结合近两年的国际热喷涂大会,向学生介绍了国内外热喷涂领域的研究热点,包括先进喷涂方法———悬浮液等离子喷涂技术的开发、涂层的热门应用领域———航空航天热障涂层等。此外,要及时跟踪表面技术发展的新趋势,及时更新研究热点,以使学生更好地掌握本领域的科研动向,拓宽视野。二是在理论授课过程中,为使学生更好地领悟所学内容,涉及到的案例尽可能从科研课题中选择。

渗碳具有渗速快、渗层深、渗层硬度梯度与成分梯度可方便控制、成本低等特点,能有效地提高材料的室温表面硬度、耐磨性和疲劳强度等。渗碳工艺应用于模具表面强化的第一个方面是低、中碳钢的渗碳。渗碳应用于冷作、热作和塑料模具上,都能提高模具寿命。对于注塑模,特别是在成形对型腔起磨粒磨损的塑料制品时,可采用20#钢粗加工成模,进行型腔表面渗碳,再经过精加工抛光后投入使用,除了可以降低表面粗糙度外,模具的耐磨性也会相应提高。又如3Gr2W8V钢制压铸模具,先渗碳再经1140℃-1150℃淬火,550℃回火两次,表面硬度可达58-61HRC,使压铸有色金属及其合金的模具寿命提高1.8-3.0倍。

2.3理论结合实际,加强校外实践基地建设

3.3例如,在轻合金的微弧氧化技术讲解过程中,以本学院腐蚀与防护专业老师的科研项目为例,介绍铝合金的微弧氧化机理、工艺特点、所制备膜层的结构、性能及应用领域。又如,在讲述化学镀相关章节时,以在科研过程中采用化学镀镍对陶瓷涂层表面进行保护的案例,对镀液体系的选择、镀液的配制、化学镀的工艺过程等内容进行详细的介绍。综上,选择自己或者身边老师科研中的案例,会因熟悉案例内容而使讲解更加详实、生动,会让学生加深对所学知识的理解。三是让学生介入到教师的科研工作中,培养其科研能力。积极鼓励对本课程感兴趣的学生,尤其是准备读研究生的学生参与到老师的科研项目中。通过相关仪器设备的操作,试样的制备、分析与测试,以及实验结果的处理与分析等过程,不但能提高学生的动手能力、分析和解决问题的能力,而且使其对科学研究的基本过程有了更为全面的了解,从而为其将来读研期间的课题研究打下良好的基础。

渗碳工艺应用于模具表面强化的第二个方面是“碳化物弥散析出渗碳”,简称CD渗碳法。它是采用含有大量强碳化物形成元素(如Cr、Ti、Mo、V)的模具钢在渗碳气氛中加热,在碳原子自表面向内部扩散的同时,渗层中会沉淀出大量弥散合金碳化物,如(Cr.Fe)7C3、(Fe.Cr)3C、V4C3、TiC,从而实现了CD渗碳。CD法渗碳层中,渗层表面含碳量(质量分数,下同)高达2%-3%,弥散碳化物含量达50%以上,且碳化物呈细小均匀分布。CD渗碳件直接淬火或重新淬火回火后可获得很高的硬度和优异的耐磨性。经CD渗碳的模具心部没有出现象Cr12型模具钢和高速钢中的粗大共晶碳化物和严重碳化物偏析,因而其心部韧性比Cr12MoV钢提高3-5倍。实践表明,CD渗碳模具的使用寿命大大超过消耗量占冷作模具钢首位的Cr12型冷作模具钢和高速钢。

《表面改性技术》课程是一门理论性与实践性相结合的课程,学生在学习过程中往往对煤矿机械表面处理工艺的理解不深入。为此,我们通过学生参加实践,组织现场教学,把理论与生产实际相结合,极大地提高了教学效果。例如,我们在江苏中矿大正表面工程技术有限公司以及郑州煤矿机械集团股份有限公司建立了校外实践基地,从而使学生的实践活动常态化。江苏中矿大正表面工程技术有限公司是国内表面工程领域的龙头企业,主要从事钢结构长效防腐涂装、缆索涂装工程、电厂特种表面处理、机械零件表面修复等,是国内热喷涂领域首家通过ISO9001质量体系认证的企业。郑州煤矿机械集团股份有限公司是中国领先的煤炭综采综掘设备制造商,是国内大的液压支架制造商。企业被科学技术部、国务院国资委和中华全国总工会授予“国家创新型企业”称号,同时被国家五部委共同认定为国家级的企业技术中心。

四、理论教学与实践教学相结合,培养学生的综合能力

在对各类模具进行渗碳处理时,主要的渗碳工艺方法有固体粉末渗碳、气体渗碳以及近20年来迅速发展起来的真空渗碳及离子渗碳。其中,固体渗碳和气体渗碳应用广泛,但真空渗碳和离子渗碳技术由于具有渗速快、渗层均匀、碳浓度梯度平缓以及工件变形等特点,将会在模具表面尤其是精密模具表面处理中发挥越来越重要的作用。

2.4利用多媒体技术、结合英文教材,开展双语教学

4.1近年来,为满足产业转型需要,相关企业对人才的需求逐渐转向具备综合实践能力的创新型人才[4]。因此,对于高等学校来说,加强实践教学环节,培养学生的实践能力及创新能力势在必行[5]。迄今,材料表面工程技术在石油化工、能源、汽车、航空航天等工业部门的应用日趋广泛[6]。因此,《材料表面工程技术》是一门直接面向工业应用的课程,除了具有一定的理论性,更具有较强的专业性和实践性。对于此类与工业应用密切相关的技术,仅仅靠理论讲解,很难使学生对所学内容产生直观认识,不利于培养其运用所学知识解决实际问题的能力,更谈不上创新能力的培养,从而难以满足企业对人才能力的需求。

1.2气体法低温热扩渗

采用现代化教学手段可以节省时间,而且生动、直观、动态地展示各种表面技术的原理、工艺流程等,化抽象知识为具体知识。我们在教学媒体现代化建设中坚持走立体化建设之路,形成以教材、电子教案、多媒体CAI课件及网络学习系统为一体的立体化教学体系,为课程的教学提供了内容丰富、高质量的教学媒体资源。除PPT外,还利用动画、视频等进行辅助教学。如我们依靠自身力量开发了等离子喷涂法原理、电弧喷涂原理、化学气相沉积、粉末火焰喷涂、离子束沉积、真空镀膜、金属蒸镀等25套动画模拟示意图,这些辅助教学手段生动、直观、动态地展示了各种技术的原理、工艺流程,化抽象知识为具体知识,极大地激发了学生的学习热情。2011年,教学团队建立了《表面改性技术》课程网站,并已将教学大纲、实验教学大纲、实验指导书、英文教材、教学课件、教学录像、视频、动画等资料上传至网站供学生参考,网站还开辟有“答疑园地”栏目,团队的全体教师通过这一栏目答疑、批改作业、安排和指导实验。经运行使用,学生普遍反映良好。另外,从2004年开始,我们致力于英文教材《IntroductionofSurfaceEngineering》的编写及双语课件的开发,并适时地开展了双语教学,形成了自己的特色。

4.2因此,开设本课程相关的实践教学环节尤为重要。基于较齐全的表面技术硬件设施,如激光熔覆、堆焊、等离子喷涂、物理气相沉积、微弧氧化等新型实验设备,江苏科技大学为该课程的实践教学提供了许多可操作的平台,如开放选修实验、本科创新计划等。每学期开学初,学校都会组织教师申报开放选修实验项目。获批的项目中,有相当一部分为表面技术相关的课题。本科创新计划,是本课程另一个重要的实践平台。学校每年年初组织面向本科生的创新计划项目申报,鼓励学生根据个人兴趣组建创新团队,承担指导教师的部分科研课题。在创新计划项目实施过程中,始终以学生作为项目主持人和实施主体,进行相关资料的检索与搜集、实验方案的制定、试样的制备及测试,后通过撰写科技论文或申请专利的方式进行结题验收。在整个过程中,指导教师只需提出研究目标,引导学生进行方法创新,做好安全培训及实验进度跟踪。通过本科创新计划项目的开展,不但使学生熟悉了科研工作的基本环节,提高了其从事科学研究的能力,更为重要的是,其创新能力得到了显着的提升。

气体法低温表面热扩渗工艺在模具的表面强化处理中占有十分重要的地位。其处理工艺简便,扩渗温度较低,能适应冷作模具、热作模具以及塑料模具等对型腔表面的各种要求。常用的扩渗工艺有渗氮、软氮化(铁素体氮碳共渗)、氧氮共渗、硫氮共渗乃至硫碳氮、氧氮硫三元共渗等方法。

2.5设置实验环节,提高能力培养

五、结语

1.2.1气体渗氮与离子氮化工艺

《表面改性技术》课程涉及的表面处理工艺种类多,主要有热渗镀技术、热喷涂技术、堆焊技术、化学转化膜技术、气相沉积技术、“三束改性”等。每一种表面技术都有其特点,而且相互独立。根据我院实验室的条件,我们开设了热喷涂、热喷涂涂层性能表征、等离子化学气相沉积DLC膜、等离子化学气相沉积DLC膜的表征、离子注入改性等实验,力求做到使学生对相关工艺与设备有深入了解,并能进行操作,为今后从事相关工作打下良好基础。总之,经过长期不断的教学改革和实践,《表面改性技术》课程教学安排更趋合理,内容不断深化,学生学习兴趣浓厚,能够将课堂上所学理论知识应用到科研与生产实际中,学生的动手能力及创新意识明显提高,教学效果显着。

本文从《材料表面工程技术》的理论教学与学校办学特色、教师科研课题、实践教学相结合方面,对该课程进行了教学改革。通过理论教学与学校特色相结合,使学生了解了所学理论知识在实际工程中的应用,激发了其学习兴趣,提高了其学习积极性;通过理论教学与教师科研相结合,加深了学生对基础理论知识的理解,培养了其科研能力;通过理论教学与实践教学相结合,不但提高了学生对所学知识的感性认识,而且加强了其分析问题和解决问题的能力,培养了其创新能力。

将氮渗入钢件的过程称为钢的氮化或渗氮。氮化层的硬度高950-1200HV),耐磨性、疲劳强度、红硬性及抗咬合性均优于渗碳层。由于氮化温度低(一般为480℃-600℃),工件变形很小,尤其适应一些精密模具的表面强化。例如,3Cr2W8V钢压铸模、挤压模等经调质并在520℃-540℃氮化后,使用寿命较不氮化的模具提高2-3倍。又如,从德国引进的热冲模经解剖分析,发现其表面约有140μm的渗氮层。美国用H13钢制作的压铸模具,不少都要进行氮化处理,且以渗氮代替一次回火,表面硬度高达65-70HRC,而模具心部硬度较低,韧性好,从而获得优良的综合力学性能。

3教材建设

[1]钱苗根等.现代表面工程[M].上海:上海交通大学出版社,2012:9~10

气体氮化法是采用最为广泛的渗氮工艺。离子氮化法是为解决气体氮化工艺工效低、时间长而发展起来的工艺,其特点是渗氮速度快、渗层成分及其梯度易控制、节能、省气、渗层质量好、工作环境好等。

本课程是重要的技术基础课,又是培养发展创新能力的一门举足轻重的课程,是材料科学与工程专业学生进行综合工程素质教育和现代技术教育的重要阵地。结合煤矿机械行业背景及材料专业特点,教学团队编着并出版了教材《材料表面工程技术》,编印了英文教材《IntroductionofSurfaceEngineering》以及实验教材《材料改性实验》,同时自编课程讲义和教案。目前,《材料表面工程技术》作为高等教育“十二五”规划教材已编写完成,并将于近期出版。此外,我们对教材内容在以下方面进行了调整。

[2]顾迅.现代表面技术的应用[J].金属热处理,1999,4:1~6

1.2.2气体软氮化(铁素体氮碳共渗)

着重介绍每章要点,便于学生预习和复习。注意和后续课程教学内容的分工、衔接和配合。增加英文专业名词,为今后学习外文资料奠定基础。

[3]王云龙,王淼,秦月梅.将“表面文章”做到实处———高校“表面工程”课程教学初探[J].考试周刊,2012,84:155~156

软氮化是将钢件在570℃左右加热,以尿素或氨气或醇类裂化气为渗剂,向钢内同时扩渗碳、氮原子的热扩渗工艺。气体软氮化比气体氮化渗速快、所需费用低,将其应用于冷、热作模具钢,可提高模具的耐磨性、抗高温氧化性和抗粘着性。

部分章节设立课堂讨论环节,列举大量实例,增加与学生的互动,便于学生理解掌握知识点。例如:对掘进机、采煤机中的矿用截齿,在使用过程中承受高的压应力、剪切应力、冲击载荷以及温度变化,因而极易磨损。通常采用热喷涂、等离子熔覆、激光熔覆、堆焊耐磨焊条、等离子束表面冶金、钎焊-热处理一体化等表面改性技术提高其耐磨性。对煤矿综采工作面的液压支架而言,由于矿井特殊的环境,因而对支架立柱、千斤顶表面、油缸、活塞等产生强烈的腐蚀,终导致支架失效。常采用的表面处理技术有:化学热处理,如渗铝、渗铬、渗硼、硼铝共渗等,电镀锌、铜、铬、镍,化学镀镍、磷化,堆焊以及热喷涂锌铝合金层等。对于煤矿罐道,一般采用普通碳钢制造,其传统的表面处理方法包括:涂料防腐、热浸镀锌、热喷涂锌+涂料防腐等。

[4]章晓波,巴志新,王章忠,蔡璐.面向产业转型的应用型本科材料专业人才实践能力培养[J].中国冶金教育,2012,5:47~50

2、热喷涂与喷焊技术

针对近几年发展起来的新的煤矿机械表面处理技术如达克罗表面处理、Q-P-Q盐浴复合处理技术,阴极氧化法等进行简明扼要地讲解,以扩大学生的知识面。

[5]朱斌,陈呈频,何兴.构建大学生创新教育长效机制的思考[J].中国大学教学,2006,1:16~18

2.1热喷涂技术

4教学管理

[6]徐滨士.中国再制造工程及其进展[J].中国表面工程,2010,23:1~6

热喷涂技术是将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态,用高速气流将其雾化、加速,使其以高速喷射到工件表面,形成耐磨、耐蚀以及抗高温氧化等特殊性能涂层的表面涂层方法。按加热喷涂材料的热源种类来划分,主要有燃气法、电气法和高能束加热法三类。热喷涂层由于不致密,与基材结合强度不高,在模具表面强化中难以发挥作用,于是涂层重熔使之与基材形成冶金结合、降低气孔率工艺的热喷焊就应运而生。

为保证材料表面工程技术课程的教学质量,我们在教学管理上采取了以下几点措施:

2.2热喷焊技术

集中讨论本课程教学体系、教学内容等改革方案;

热喷焊工艺特别是氧乙炔火焰喷焊工艺简便,设备投资少,便于推广,广泛应用于模具表面的强化,提高耐蚀性、耐磨性和延长使用寿命,经济效益十分可观。

根据各位教师的特点和专业,合理分工;

3、气相沉积技术

每学期组织一次课程建设教学队伍成员及前、后继课相关教师的座谈会,讨论相互知识的衔接及如何在教学中融合表面改性技术的前沿知识,对教学内容加以整合、优化;

气相沉积技术按照成膜机理,可分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类。

每学期进行一次学生座谈,了解教、学情况,对存在问题加以改进,以提高教学质量;

3.1物理气相沉积

每学期组织2~3次课程教学成员教学经验交流会,以改进教学方法和调整、优化教学内容;

在真空条件下,以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上,形成薄膜或涂层的过程称为物理气相沉积。按照沉积时物理机制的差别分为真空蒸镀、真空溅射和离子镀三种类型。其中采用多弧离子镀膜方法镀覆TiN、TiC耐磨涂层已在工模具表面强化方面取得了广泛的生产应用。

注重教学资料的收集和管理。各成员可通过多种渠道收集其它院校相关专业的有关资料,并进行分析研究与整理,逐步建立完善的表面改性技术教学资料.

3.2化学气相沉积

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化学气相沉积是采用含有膜层中各元素的挥发性化合物或单质蒸气,在热基体表面产生气相化学反应,反应产物形成沉积涂层的一种表面技术。该技术在机械工业中发挥了巨大的作用,特别是一些如氮化物、碳化物、金刚石和类金刚石等超硬膜的沉积,大大提高了如模具等工件的耐磨、耐蚀性。

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4、复合电镀技术

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电镀层的应用,主要是在防蚀与装饰方面。复合电镀层的出现,为解决高温腐蚀、高温强度和磨损,提供了一种很有前途的方法。采用复合电镀,可以制备各类耐磨镀层。如采用基质金属———金刚石颗粒的复合镀层、Ni-P-SiC复合镀层,用于工模具表面具有良好的耐磨性。近年来,为了提高复合镀层的耐磨性,采取了如下措施:

采用合金镀层,包括Ni-Co、Ni-Mn、Ni-Fe、Ni-P镀层等,代替单金属镀层,以较大幅度地提高模具表面的硬度。

采用硬Cr层作为基质金属,可比纯Cr层耐磨性提高1-3倍。

采用聚四氟乙烯(PJFE)作为共沉积微粒制备的Ni-PJFE复合镀层常用于橡胶模和注塑模的脱模镀层。在摩擦磨损试验机上的试验结果表明Ni-PJFE复合镀层的磨损量是硬Cr层的1/10,光亮Ni层的1/50左右。

5、复合电刷镀技术

采用镍、钴、二氧化锆复合电刷镀液,使处理的模具型腔表面耐磨性大为提高,并有较高的硬度,镀层表面比较理想,与本体结合力强,经抛光后达到镜面,成本低,应用广泛。针对热锻模具、冲压模具、注射模具用量大、制造周期长、成本高的特点,利用复合电刷镀不仅可强化模具型腔表面,还可修复型腔面(属再制造工程),从而延长模具寿命。如在模具型腔表面刷镀0.01-0.02mm的非晶态镀层,可使寿命延长20%-100%.

6、化学镀技术

化学镀的均镀能力强,由于没有外电源,没有电流密度的影响,镀层可在形状复杂的模具型腔基材表面均匀沉积。特别是化学镀Ni-P层,其硬度可达1000HV,已接近一些硬质合金的硬度,而且具有相当高的耐磨能力。Ni-P镀层无疑会在模具型腔表面强化中发挥作用。据文献报道,化学镀Ni-P层目前已用于锌压铸模、注塑模等模具,起到了良好的强化作用,提高了模具的寿命。

7、高能束技术

激光束、离子束、电子束是三大高能束。由于它们的能量密度极高,对材料表面进行加热时,加热速度极快,整个基体的温度在加热过程中基本不受影响。这样对处理件的形状、性能等也不产生影响。因此采用这三大高能束对模具型腔进行表面改性,正引起了人们的关注。如利用激光材料表面强化技术(包括激光相变硬化(LTH)、激光表面合金化、激光表面熔覆(LSC)等),在聚乙烯造粒模具上熔覆CO-包WC或Ni基合金涂层等,可得无气孔的致密熔覆层,降低模具型腔表面粗糙度,大大减小磨损。

8、稀土表面工程技术

稀土表面工程技术中极少有直接使用纯稀土金属的,绝大多数使用稀土化合物,最常见的几种化合物有CeO2、La2o3、LaF3、CeF3、CeS2、Y2O3及稀土硅铁等。表面工程中加入稀土元素通常采用化学热处理、喷涂、电沉积、气相沉积和激光涂覆等方法。

稀土元素对化学热处理的影响主要表现为有显著的催渗作用,大大优化工艺过程;加入少量稀土化合物,渗层深度可以明显增加;改善渗层组织和性能。从而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高温氧化性和抗冲击磨损性。

利用热喷涂和喷焊技术,将稀土元素加入涂层,可取得良好的组织与性能,使模具型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。

物理气相沉积膜层性能的优劣和膜与基体结合强度大小密切相关,稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度,膜层表面致密度明显增大。同时,加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改善,例如应用于模具型腔表面的超硬TiN膜(加入稀土元素),使模具型表面呈现出高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性,提高了模具的使用寿命。

含稀土化合物的涂覆层,可大幅度提高模具金属材料表面对激光辐照能量的吸收率,对降低能耗和生产成本,以及推广激光表面工程技术都有重要意义。稀土涂覆层经激光处理后,组织和性能发生明显改善,涂覆层的硬度和耐磨性显著提高,耐磨性是45#钢调质的5-6倍。对加入CeO2的热喷涂层进行激光重熔,研究发现合金化层的显微组织明显改变,晶粒得到细化。激光重熔加入稀土后的喷焊合金,稀土化合物质点在其中弥散强化,降低晶界能量,提高晶界的抗腐蚀性能,模具型腔表面的耐磨性也大大增强,有的文献报道稀土元素提高了耐磨性达1-4倍。另外,有研究发现,加入混合稀土化合物的效果优于单一稀土化合物。

把稀土元素加入镀层可采用电刷镀、电镀等电沉积方法。稀土甘氮酸配合物的加入使镀层防氧钝化寿命明显提高;稀土元素有催化还原SO2的作用,可以抑制Ni-Cu-P/MoS2电刷镀镀层中MoS2的氧化,明显改善了镀层的减摩性能,提高了抗腐蚀的能力,使模具型腔表面的耐磨寿命延长近5倍。

9、纳米表面工程技术展望

纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础,通过特定的加工技术、加工手段,对固体表面进行强化、改性、超精细加工,或赋予表面新功能的系统工程。因其以具有许多特质的低维非平衡材料为基础,它的研究和发展将产生具有力、热、声、光、电、磁等性能的许多低维度、小尺寸、功能化表面。与传统表面工程相比,纳米表面工程取决于基体性能和功能的因素被弱化,表面处理、改性和加工的自由度扩大,表面加工技术的作用将更加突出。传统材料表面的低维化材料生长、组装,以及利用低维化材料对传统材料进行表面超精加工是纳米表面工程的主体技术。纳米表面工程技术是极具应用前景和市场潜力的。据德国科技部统计,在2000年材料表面的纳米薄膜器件组装和超精度加工的市场容量接近6000亿美元。

9.1制作纳米复合镀层

在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体材料可形成纳米复合镀层。用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层,可使模具寿命延长、精度持久不变,长时间使用镀层光滑无裂纹。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2纳米粉体材料加入Ni-W-B非晶态复合镀层,可提高镀层在550-850℃的高温抗氧化性能,使镀层的耐蚀性提高2-3倍,耐磨性和硬度也都明显提高。采用Co-DNP纳米复合镀层,在500℃以上,与Ni基、Cr基、Co基复合镀层相比,工件表面的高温耐磨性能大为提高。在传统的电刷镀溶液中,加入纳米粉体材料,也可制备出性能优异的纳米复合镀层。

9.2制作纳米结构涂层

热喷涂技术是制作纳米结构涂层的一种极有竞争力的方法。与其它技术相比,它有许多优越性:工艺简单,涂层和基体选择范围广,涂层厚度变化范围大,沉积速率快,以及容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比,纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善,且一种涂层可同时具有上述多种性能。

笔者认为纳米表面工程技术必将在精密模具型腔表面处理中发挥作用。

10、结束语

了解各种表面工程技术的特点是合理选择模具型腔表面处理工艺的基础。模具表面改性技术的选择是一项复杂的工艺设计过程。设计者不仅要具备扎实的材料专业知识,还必须具备诸如失效分析、机械设计、模具设计等方面的知识,同时还必须具备较强的优化设计和综合分析的能力。另外,表面改性工艺选择中还应考虑经济原则,尽量选择既能满足性能指标要求又成本合宜的方法。总之,工艺技术选择必须从实际出发,以实际验证为标准。

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