专利名称：具有仿生非光滑表面的模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于各种机械部件成型的耐磨、抗热疲劳冷、热作模具，特别是一种具有仿生非光滑表面的模具。
背景技术：
在现代化工业生产中，60％-90％的工业产品需要使用模具加工，模具工业已成为工业发展的重要基础，许多新产品的开发和生产在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。而作为制造业基础的机械行业，据国际生产技术协会预测，21世纪机械制造业的零件，其粗加工的75％和精加工的50％都将依靠模具完成。模具在日本被誉为“进入富裕社会的原动力”，在德国则冠之为“金属加工业中的帝王”，在罗马尼亚视为“模具就是黄金”，在欧美其他一些发达国家被称为“磁力工业”。可以断言，随着工业生产的迅速发展，模具工业在国民经济发展中将发挥越来越重要的作用。
为了提高生产效率，提高毛坯精度和材料利用率，减少部件加工环节，采用和发展少、无切削新工艺，新设备，对模具提出了向高精度、多型腔、高寿命方向发展的要求。其中，提高模具寿命是今后模具工业发展的重中之重。利用现代高技术手段制备高性能的新型模具，延长模具的服役时间，避免发生过早失效，从而挽回生产中不必要的损失，将会大大推动工业和国民经济的发展，具有显著的经济效益和社会意义。通过比较模具工作的环境因素，发现模具表面的磨损，因热疲劳在模具表面产生的裂纹，部件与模具表面的粘附，是造成模具失效的主要形式。模具表面与被加工部件相互摩擦，引起表面磨损，随着磨损量加大，模腔表面的粗糙度值也将变大，须重新抛光才能继续使用。反复的磨损、抛光导致模具尺寸超差最终不能使用，属于磨损失效。热作模具的型腔表面由于受热而软化，其耐磨性更差。在急冷急热条件下使用的热作模具，因表层的热胀冷缩受到内层的约束而产生热应力。如果热应力大于材料在该温度下的屈服点，便会发生压、拉塑性应变，这样，型腔表面在循环热应力的作用下产生循环的塑性应变，经过一定周次，导致表面产生许多细小的裂纹，即热疲劳裂纹，其形状有网状，放射状，平行状等。这些裂纹一般不会向纵深扩展，但却明显影响模腔表面的粗糙度，此时如达不到被加工部件对表面质量的要求，则发生冷热疲劳失效。少数热疲劳裂纹有时也会在模具材料内部缺陷处或应力集中处进一步扩展，使模具断裂。当被加工部件在压力作用下与模具表面接触时，在微观上首先是表面各凸峰的接触，其实际接触面积远小于名义接触面积，因而，某些接触点的实际比压很大，产生挤压塑性变形，并使接触点处的润滑油膜、氧化膜被挤破，造成金属间的直接接触而发生粘附，使得部件难以从模具脱离。小快坯料金属粘结在模具表面形成坚硬的“小瘤”，并在部件表面产生划痕、擦伤及粘结点被撕裂的痕迹；对于较薄部件因粘附，使其脱离时往往造成部件的变形，这就构成了粘附失效。因此，在国内外，改善模具的耐磨、抗热疲劳、减粘性能从而提高模具寿命一直是模具研究者最关心的课题之一，且近年来在改善模具单一性能方面也取得了一些有益探索，但迄今为止还没有一种方法能使这些性能同时得到改善。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以同时提高模具表面耐磨性、抗热疲劳性、降低模具与部件之间粘附从而提高部件脱模性的具有仿生非光滑表面的模具。
仿生是未来新材料设计和制造的潜在的最有效途径。生物体结构经过20亿年物竟天择的优化，几乎是完美无缺的。通过对生物体表非光滑形态理论的研究，导致仿生非光滑表面新型模具设计思想的形成。
非光滑形态是通过对生物体材料的结构和静态学、动力学性能研究提出来的仿生新思想。通过对某些生物如蜣螂、海生贝类、穿山甲、蛇、蜥蜴、竹材等的研究发现，生物体表具有的减粘、耐磨、抗挤压、抗裂纹等功能与其体表的非光滑形态有密切关系，这是生物经过亿万年的进化优化，逐渐形成与生存环境相适应的特征。按照传统观念，物体表面愈光滑，其与外物的粘附力愈小，因此产生相对运动时的摩擦阻力也小。所以，需要减少摩擦阻力或物料粘附的工作部件或产品都被设计加工成光滑表面。然而自然界向人们展示出这一问题的另一方面在天空飞翔的生物，其体表或翅膀表面并未进化成光滑表皮或翼膜，而是有羽毛组成的低能量非光滑表面；在水中邀游的生物，尤其是行动敏捷的生物(如深海鲨鱼，爆发启动速度是惊人的快，可以达到10-20m/s)，其体表也不是光滑表面，而是由鳞片或皮下结缔组织构成的非光滑表面，水洞试验也证实适当设计的非光滑表面要比光滑表面阻力小。该原理导致降低模具与部件之间粘附从而提高部件脱模性。
通过对一般材料的磨损发现，磨损开始材料的磨损量较大，一定时间后，磨损趋于平缓，这时磨损表面的较软组织被磨损掉，较硬组织凸露出来，抵抗磨损，这时磨损量减少。在对蜣螂的研究中，发现蜣螂出入于粘性较大的粪便和土壤，经受磨损，能自由行动，身体很少粘附粪便和泥土，这是因为螳螂体表有一定弹性，在外力作用下，体表可吸收能量，发生弹性变形。凹入部位易集留空气，可减轻大气负压，从而降低体表与粪便和土壤之间的摩擦力。凸起部位较硬，除含有基体中的元素外，还含有一些其它元素，其作用主要是承受着粪便和土壤的挤压与摩擦，抵抗磨损。正是蜣螂体表这种结构，可显著提高模具表面耐磨性。
又如海螺表面，由许多凹凸不平，方向各异的层片交叉叠合而成，层片取向和凹凸度与贝壳表面的硬度、韧性分布密切相关。研究表明，此交叉层片结构在阻止裂缝发展方面具有明显优势。再如昆虫表皮，在显微镜下也是非光滑结构，且体表的不同位置软硬度各不相同，这在昆虫表皮产生不同的应力分布，该结构为昆虫提供了最轻便、最高强度和韧性的保护。此原理可有效提高模具表面抗热疲劳性，抵御热疲劳裂纹的萌生和扩展。
不同的生物体具有不同的非光滑形态，有凸包(蜣螂头部)、凹坑(蚂蚁头部)、波纹(花葬甲鞘翅)、鳞片(穿山甲、鱼类)、网格(蚂蚱腿、)、花纹(蜣螂胸节背、海洋贝类)、条状以及两种或多种形状相结合的混合形等形态。体表非光滑单元体大小从几十微米到几十毫米，如蜣螂头部凸包直径在12-16微米，凸包高度在6-8微米；穿山甲表面鳞片长轴在20-40毫米，短轴最大尺寸范围在10-20毫米，鳞片高度在1-4毫米。在以上理论基础上，制备仿生非光滑表面新型模具，在模具表面加工具有仿生非光滑功能的单元体，这些单元体呈一定规则分布，具有一定几何形状，组织结构和基体相区别，根据需要，单元体中相对于基体还可以出现化学成分或含量的变化。该模具可显著提高其表面耐磨性、抗热疲劳性、降低模具与部件之间粘附从而提高部件脱模性。
本发明是基于上述思想按如下方案实现的具有仿生非光滑表面的模具，其特征在于模具的成型工作面上分布有与其基体表面呈0.01-0.5mm高度差的凸凹单元体，该凸凹单元体是球冠状凹坑或凸包、火山口状凹凸体、平行或网格状条纹。
所述的球冠状凹坑或凸包单元体在模具表面呈规则点阵式分布，其底圆直径为0.02-2mm，单元体间中心距为0.03-4mm。
所述的火山口状凹凸体在模具表面呈规则点阵式分布，其凸起部分底圆直径为0.04-2.2mm，下凹部分上口直径为0.02-2mm，下凹深度为0.01-0.5mm，单元体间中心距为0.05-4mm。
所述的平行或网格状条纹，其条纹宽度为0.02-2mm，条纹间中心距为0.03-4mm。
所述的凸凹单元体内含有合金元素Cr、Mn、Si、Mo、Ni、W、V、B，与基体中对应元素含量差为Cr0.5-20％、Mn0.5-20％、Si0.1-3％、Mo0.1-5％、Ni0.1-5％、W0.5-20％、V0.5-10％、B0.01-0.1％。即，可在单元体中加入Cr、Mn、Si、Mo、Ni、W、V、B八种化学元素中的一种甚至几种元素，使该元素在单元体中的含量高于基体材料，与基体材料形成化学成分含量差。
加入规则为对于冷作模具，欲提高其强韧性，可在单元体中加入Si、Mn、Cr元素；欲提高耐磨性，可加入W、Mo、V元素；欲提高其淬透性，可加入B、Mo元素。对于热作模具，欲提高其高温强度、硬度和回火稳定性，可在单元体中加入Cr、W、Mo、Ni、V元素；欲提高其抗热疲劳性可加入Cr、Mo、Ni元素；欲提高其淬透性可加入Cr、Ni、Si、Mn、B元素。
本发明具有仿生非光滑表面模具的制备方法是由计算机设计出模具表面上的仿生单元体形态，通过机械加工、激光、腐蚀雕刻并结合喷涂、化学、物理、溅射、气相沉积、镀覆、渗入、合金涂敷等方法，在模具表面加工出具有一定几何形状、组织结构优化或化学成分有区别于基体的凸凹状单元体，最终得到高耐磨性、高抗热疲劳性、利于减粘的具有仿生非光滑形态的模具。
本发明模具由于具有仿生非光滑表面可以显著提高模具表面的耐磨性、抗热疲劳性、降低模具与部件之间粘附从而提高部件脱模性。未改变单元体化学成分的具有仿生非光滑表面的模具，其使用寿命与具有相同基体材料的光滑表面模具比较，提高0.5-2倍；改变单元体化学成分的具有仿生非光滑表面的模具，其使用寿命与具有相同基体材料的光滑表面模具比较，提高1.5-3倍。通过对单元体的微观分析和检测，可发现其组织结构和化学成分同基体明显区别，单元体组织结构和化学成分的变化可以保证模具的耐磨性、抗热疲劳性明显提高。非光滑表面上凹凸不平的非光滑形态使模具表面与制件间由面接触变为点或线接触，单元体条纹内缝隙可直接与大气相通，降低了模具与部件的结合力，从而保证模具减粘特性的提高。
图1是表面具有球冠状凸包非光滑形态的汽车零件罩盖压铸模具结构示意图；图2是表面具有凸起网格非光滑形态的汽车零件罩盖压铸模具结构示意图；图3是表面具有凸起网格非光滑形态的汽车零件罩盖压铸模具结构示意图；图4是表面具有球冠状凹坑非光滑形态的汽车空调器壳塑料模具结构示意图；图5是表面具有火山口状凹凸体非光滑形态的汽车空调器壳塑料模具结构示意图；图6是表面具有下凹条纹非光滑形态的汽车空调器壳塑料模具结构示意图；图7是表面具有下凹条纹非光滑形态的汽车空调器壳塑料模具结构示意图；图8是表面具有球冠状凸包和下凹条纹混合非光滑形态的差速器砂型铸造模具结构示意图；图9是表面具有火山口状凹凸体非光滑形态的汽车用齿轮模具结构示意图；图10是表面具有凸起和下凹网格混合非光滑形态的汽车车门内饰板冲压模具结构示意图；图11是表面具有下凹斜条纹非光滑形态的汽车车门内饰板冲压模具结构示意图；图12是表面具有下凹网格非光滑形态的铝合金压铸模具结构示意图；图13是表面具有球冠状凸包和下凹条纹混合非光滑形态的差速器砂型铸造模具结构示意图；图14是表面具有火山口状凹凸体非光滑形态的汽轮机叶片压铸模具结构示意图；图15是表面具有凸起网格非光滑形态的汽轮机叶片压铸模具结构示意图；图16是表面具有凸起和下凹网格混合非光滑形态的铝合金压铸模具结构示意图；图17是表面具有球冠状凸包非光滑形态的镁合金压铸模具结构示意图；图18是表面具有火山口状凹凸体非光滑形态的汽车零件罩盖压铸模具结构示意图；图19是45#钢模具表面通过激光加工形成的仿生非光滑表面单元体的显微组织形态；图20是激光加工高速钢模具仿生非光滑表面单元体的显微组织形态；图21为仿生非光滑表面单元体能谱分析结果图；图22为热疲劳裂纹在非光滑表面上扩展的形貌显微照片；图23为3Cr2W8V、H13、HD模具钢不同形态表面磨损实验结果；图24为3Cr2W8V模具钢改变与未改变成分的单元体对提高材料性能的比较。
图1至图18中的(a)为其表面俯视示意图，(b)为其截面剖视示意图。
具体实施例方式
以下结合附图给出的实施例对本发明具有仿生非光滑表面的模具作进一步详细说明。
实施例1
制造表面具有球冠状凸包非光滑形态的汽车零件罩盖压铸模具。
参照图1，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈规则点阵式分布有球冠状凸包单元体u，其球冠底圆直径d为0.02mm，球冠高h为0.01mm，球冠单元体间距g为0.03mm，模具材料为H11模具钢，在压铸AlSi9Cu3铝合金条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比同等基材的光滑表面模具提高1.7倍。处理仿生非光滑表面的成本仅提高17％。
实施例2制造表面具有凸起网格非光滑形态的汽车零件罩盖压铸模具。
参照图2，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈网格状分布有凸起条纹单元体u，其条纹宽度w为0.02mm，条纹高h为0.05mm，条纹单元体间距g为0.03mm，模具材料为H11模具钢，在压铸AlSi9Cu3铝合金条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高1.8倍，而处理仿生非光滑表面的成本提高17％。
实施例3，制造表面具有凸起网格非光滑形态的汽车零件罩盖压铸模具。
参照图3，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈网格状分布有凸起条纹单元体u，其条纹宽度w为0.1mm，条纹高h为0.2mm，条纹单元体间距g为0.8mm，模具材料为H11模具钢，在压铸AlSi9Cu3铝合金条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高1.5倍，而处理仿生非光滑表面的成本提高15％。
实施例4制造表面具有球冠状凹坑非光滑形态的汽车空调器壳塑料模具。
参照图4，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈规则点阵式分布有球冠状凹坑单元体u，其球冠底圆直径d为0.2mm，球冠深h为0.1mm，球冠单元体间距g为0.8mm，模具材料为3Cr2W8V模具钢，在同样工作条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高1.3倍，处理仿生非光滑表面的成本仅提高15％。
实施例5制造表面具有火山口状凹凸体非光滑形态的汽车空调器壳塑料模具。
参照图5，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈规则点阵式分布有火山口状凹凸单元体u，其凸起部分底圆直径d1为0.04mm，下凹部分上口直径d2为0.02mm，单元体高h1为0.05mm，下凹深度h2为0.01mm，火山口状单元体间距g为0.05mm，模具材料为3Cr2W8V模具钢，在同样工作条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高1.7倍，处理仿生非光滑表面的成本仅提高17％。
实施例6制造表面具有下凹条纹非光滑形态的汽车空调器壳塑料模具。
参照图6，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上平行分布有下凹条纹状单元体u，其条纹宽度w为0.5mm，条纹深h为0.3mm，条纹状单元体间距g为2mm，材料为3Cr2W8V模具钢，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高0.5倍，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高6％。
实施例7制造表面具有下凹条纹非光滑形态的汽车空调器壳塑料模具。
参照图7，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上平行分布有下凹条纹状单元体u，其条纹宽度w为0.2mm，条纹深h为0.4mm，条纹状单元体间距g为0.8mm，材料为3Cr2W8V模具钢，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高0.5倍，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高6％。
实施例8制造表面具有球冠状凸包和下凹条纹混合非光滑形态的差速器砂型铸造模具。
参照图8，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上交错分布有球冠状凸包单元体u1和下凹条纹单元体u2，球冠底圆直径d为1mm，高h1为0.5mm，条纹宽w为0.02mm，深h2为0.05mm，单元体间距g为2mm，模具材料为HT200铸铁，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高2倍，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高20％。
实施例9制造表面具有火山口状凹凸体非光滑形态的汽车用齿轮模具。
参照图9，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈规则点阵式分布有火山口状凹凸单元体u，其凸起部分底圆直径d1为1mm，下凹部分上口直径d2为0.6mm，单元体高h1为0.3mm，下凹深度h2为0.2mm，火山口状单元体间距g为2mm，模具材料为3Cr2W8V模具钢，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高1.6倍，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高15％。
实施例10制造表面具有凸起和下凹网格混合非光滑形态的汽车车门内饰板冲压模具参照图10，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈网格状交错分布有凸起和下凹条纹单元体u1、u2，凸起条纹宽w1为2mm，高h1为0.4mm，下凹条纹宽w2为0.02mm，深h2为0.01，单元体间距g为4mm。模具材料为45#钢，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑模具提高2倍，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高20％。
实施例11制造表面具有下凹斜条纹非光滑形态的汽车车门内饰板冲压模具参照图11，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上平行分布有下凹条纹状单元体u，其条纹宽度w为1mm，条纹深h为0.2mm，条纹状单元体间距g为4mm，模具材料为H11模具钢，基体材料中含Cr4.8％，Mo1.2％，Si0.8％，Mn0.2％，V0.4％，利用合金涂敷、激光熔渗技术向单元体中熔入合金元素，涂敷合金混合物含4.6％金属Mn，93.7％金属Cr，1.7％Mo-Fe粉，涂敷合金厚度为0.13mm，烧损率为5％，熔入后单元体中Mn、Cr、Mo含量分别提高到0.7％、15％、1.3％，Mn元素含量差为0.5％，Cr元素含量差为10.2％，Mo元素含量差为0.1％，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高1.5倍，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高15％。
实施例12制造表面具有下凹网格非光滑形态的铝合金压铸模具参照图12，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈网格状分布有下凹条纹单元体u，条纹宽w为0.5mm，深h为0.1，单元体间距g为2mm。模具材料为3Cr2W8V模具钢，基体材料中含Cr2.5％，W8.2％，V0.3％，Si0.2％，Mn0.3％，利用合金涂敷、激光熔渗技术将合金元素熔入单元体，涂敷合金混合物含55.6％W-Fe粉，0.7％Si-Fe粉，43.7％Mo-Fe粉，涂敷合金厚度为0.07mm，烧损率为5％，处理后单元体中增加了5％Mo，W、Si含量分别为18％、0.3％，Mo元素含量差为5％，W元素含量差为9.8％，Si元素含量差为0.1％，在压铸AlSi9Cu3铝合金条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高2.2倍，而处理仿生非光滑表面的成本提高20％。
实施例13制造表面具有球冠状凸包和下凹条纹混合非光滑形态的差速器砂型铸造模具参照图13，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上交错分布有球冠状凸包和下凹条纹单元体u1、u2，球冠底圆直径d为2mm，高h1为0.4mm，条纹宽w为0.05mm，深h2为0.03mm，单元体间距9为4mm，模具材料为HT200铸铁，基体材料中含Si1.5％，Mn0.8，利用合金涂敷、激光熔渗技术将合金元素W、B、Ni熔入单元体，涂敷合金混合物含82.3％W-Fe粉，0.2％B-Fe粉，17.5％电解Ni，涂敷合金厚度为0.03mm，烧损率为5％，处理后单元体中增加了20％W，0.01％B，5％Ni，W元素含量差为20％，B元素含量差为0.01％，Ni元素含量差为5％，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑模具提高3倍，而处理仿生非光滑表面的成本仅提高22％。
实施例14制造表面具有火山口状凹凸体非光滑形态的汽轮机叶片压铸模具参照图14，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈规则点阵式分布有火山口状凹凸单元体u，其凸起部分底圆直径d1为2.2mm，下凹部分上口直径d2为2mm，单元体高h1为0.5mm，下凹深度h2为0.5mm，火山口状单元体间距g为4mm，模具材料为45#钢，利用合金涂敷、激光熔渗技术将合金元素Mn、V、B熔入单元体，涂敷材料为由59.4％金属Mn，39.2％V-Fe粉，1.4％B-Fe粉组成的混合物，涂敷合金厚度为0.02mm，烧损率为5％，处理后单元体中含Mn20％，V10％，B0.1％，Mn元素含量差为20％，V元素含量差为10％，B元素含量差为0.1％，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑模具提高2.5倍，而处理仿生非光滑表面的成本提高22％。
实施例15
制造表面具有凸起网格非光滑形态的汽轮机叶片压铸模具参照图15，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈网格状分布有凸起条纹单元体u，其条纹宽度w为1mm，条纹高h为0.5mm，条纹单元体间距g为4mm，模具材料为H11模具钢，基体材料中含Cr4.8％，Mo1.2％，Si0.8％，Mn0.2％，V0.4％，利用合金涂敷、激光熔渗技术将合金元素熔入单元体，涂敷合金混合物含8.2％电解Ni，51％V-Fe粉，40.8％金属Cr，涂敷合金厚度为0.005mm，烧损率为5％，处理后单元体中增加了0.1％Ni，V、Cr元素分别提高到0.9％，5.3％，Ni元素含量差为0.1％，V元素含量差为0.5％，Cr元素含量差为0.5％，在同样条件下工作，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高2.5倍，而处理仿生非光滑表面的成本提高20％。
实施例16制造表面具有凸起和下凹网格混合非光滑形态的铝合金压铸模具参照图16，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈网格状交错分布有凸起和下凹条纹单元体u1、u2，凸起条纹宽w1为1.5mm，高h1为0.3mm，下凹条纹宽w2为0.02mm，深h2为0.05mm，单元体间距g为4mm。模具材料为45#钢，利用合金涂敷、激光熔渗技术将合金元素Cr、Si、W、Mo熔入单元体，涂敷合金混合物含2％W-Fe粉，13.3％Si-Fe粉，18％Mo-Fe粉，66.7％金属Cr，涂敷合金厚度为0.08mm，烧损率为5％，处理后单元体中含20％Cr，3％Si，0.5％W，3％Mo，Cr、Si、W、Mo元素含量差分别为20％，3％，0.5％，3％，在压铸铝合金条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高3倍，而处理仿生非光滑表面的成本提高25％。
实施例17制造表面具有球冠状凸包非光滑形态的镁合金压铸模具参照图17，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈规则点阵式分布有球冠状凸包单元体u，其球冠底圆直径d为0.5mm，球冠高h为0.3mm，球冠单元体间距g为4mm，模具材料为3Cr2W8V模具钢，基体材料中含Cr2.5％，W8.2％，V0.3％，Si0.2％，Mn0.3％，利用合金涂敷、激光熔渗技术将合金元素熔入单元体，涂敷合金混合物含49.5％金属Mn，31.9％V-Fe粉，18.6％Mo-Fe粉，涂敷合金厚度为0.03mm，烧损率为5％，处理后单元体中增加了2％Mo，V、Mn元素含量分别提高到5.3％、10％，Mo、V、Mn元素含量差分别为2％，5％，9.7％，在压铸镁合金条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高2.0倍，处理仿生非光滑表面的成本仅提高19％。
实施例18制造表面具有火山口状凹凸体非光滑形态的汽车零件罩盖压铸模具参照图18，模具的非光滑形态工作表面，是在其基体m表面上呈规则点阵式分布有火山口状凹凸单元体u，其凸起部分底圆直径d1为1.2mm，下凹部分上口直径d2为0.8mm，单元体高h1为0.3mm，下凹深度h2为0.2mm，火山口状单元体间距g为3mm。模具材料为H11模具钢，基体材料中含Cr4.8％，Mo1.2％，Si0.8％，Mn0.2％，V0.4％，利用合金涂敷、激光熔渗技术向单元体中熔入合金元素，涂敷原料为由65.2％电解Ni，34.8％Si-Fe粉组成的混合物，涂敷合金厚度为0.008mm，烧损率为5％，处理后单元体中增加了3％Ni，Si元素含量增加到2％，Ni、Si元素含量差分别为3％，1.2％，在同样工作条件下，具有仿生非光滑表面模具的使用寿命比相同基材的光滑表面模具提高2.5倍，处理仿生非光滑表面的成本仅提高22％。
综上实施例，通过以下试验检测结果可看出本发明所获得的积极效果。
参照图19，图19是45#钢模具表面通过激光加工形成的仿生非光滑单元体的显微组织形态，可见单元体内晶体颗粒度明显变化。下部基体组织颗粒度为6级，而上部单元体内达到11-12级。晶粒细化为使强度提高而不牺牲韧性，甚至使韧性略有提高的强化方式，激光处理后的颗粒更细小、碎化，并且比常规热处理具有更高的位错结构，增加了位错运动障碍的数目，不仅强度有极大的提高，而且韧性也有较大提高。所以这类组织有利于耐磨性、抗热疲劳性的提高。
参照图20，图20是激光加工高速钢模具表面仿生非光滑单元体的显微组织形态。单元体内可见合金元素及碳化物均匀分布，晶体颗粒度由原来的7级细化为10-11级，其耐磨性、抗热疲劳性提高。
参照图21，图21为仿生非光滑单元体能谱分析结果。它说明了合金元素及碳在单元体中分布的情况。经仿生非光滑制备技术，合金元素均匀熔入仿生非光滑单元体，在单元体中形成固熔体、化合物或多相共存。通过控制单元体化学成分或成分的含量使之与基体化学成分之间形成不同的含量差，从而获得与基体不同的机械性能，使得非光滑表面模具的耐磨性、抗热疲劳性、抗粘附性提高。例如图中Cr、Mn、Si等元素为形成细小、弥散分布的第二相粒子提供必要的成分条件。运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，滑移变形才能继续进行，这一过程无疑要消耗额外的能量，造成强化。Mo元素对第二相或其它溶质原子在晶界偏聚有抑制作用，这样使裂纹难于在晶界形成并扩展，提高表面的韧性等。
参照图22，图22为热疲劳裂纹在非光滑表面上扩展的形貌，发现仿生非光滑单元体有阻断裂纹扩展的作用。在疲劳裂纹同单元体结合处，裂纹无法穿过仿生非光滑单元体，或者在单元体处终止，或者从单元体旁边绕过，裂纹出现多条分岔，扩展的路径也变得更加曲折，它反映了裂纹在扩展过程中受到更大的阻碍，从而不得不经常改变方向，这也说明仿生非光滑单元体具有更大的热疲劳抗力，裂纹要扩展，必须消耗更多的能量。具有一定分布规律的非光滑单元体如同桩钉一样钉扎于模具表面，有效阻滞热疲劳裂纹的萌生和扩展，使模具表面整体的抗热疲劳性能显著提高。
参照表1，表1为经万能试验机测得的5种部件材料在45#钢、高速钢模具不同形态表面上的粘附力值，其中45#钢模具表面加工网格状单元体，高速钢模具表面加工条纹状单元体。表中可见具有仿生非光滑表面模具与部件间的粘附力较光滑表面明显降低，随着单元体在模具表面分布密度(单元体在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比)的增加，部件与模具表面之间的粘附力呈下降趋势(但有个别离散点除外)。对于不同部件材料，粘附力下降的幅度不同。高速钢在单元体分布密度为20％条件下，粘附力最高下降6％，最低下降为0；在分布密度为30％条件下，粘附力最高下降9％，最低下降1.2％；在分布密度为40％条件下，粘附力最高下降16.5％，最低下降5.6％。45#钢在分布密度为20％条件下，粘附力最高下降26.6％，最低下降为0.9％；在分布密度为30％条件下，粘附力最高下降26.7％，最低下降4.3％；在分布密度为40％条件下，粘附力最高下降30％，最低下降5.4％。
表1不同部件材料在45#钢、高速钢模具不同形态表面上的粘附力值单位KN 参照图23，图23为3Cr2W8V、H13、HD三种模具钢加工网格、条纹、凹坑状非光滑表面与光滑表面磨损实验的比较，其中单元体的分布密度均为30％。可见在磨损实验中具有仿生非光滑表面模具较光滑表面模具磨损量明显减少，耐磨性显著提高。本实验中3Cr2W8V模具钢非光滑表面耐磨性提高30％-59％，H13模具钢非光滑表面耐磨性提高47％-56％，HD模具钢非光滑表面耐磨性提高29％-57％，其中，不同非光滑形态实验结果不同，说明非光滑单元体尺寸、分布等因素对耐磨性有不同的影响。
参照图24，图24为改变与未改变成分的单元体对提高材料性能的比较。其中，模具材料为3Cr2W8V模具钢，在模具的工作表面上，呈网格状分布有下凹条纹单元体，条纹宽w为0.5mm，深h为0.1，单元体间距g为2mm，基体材料化学成分为Cr2.5％，W8.2％，V0.3％，Si0.2％，Mn0.3％；在其中一种模具试样的单元体中增加了5％Mo，W、Si含量分别提高到18％、0.3％，Mo元素含量差为5％，W元素含量差为9.8％，Si元素含量差为0.1％。结果表明，未改变单元体化学成分的非光滑试样较相同基体材料的光滑试样其耐磨、抗热疲劳、减粘性能分别提高250％，100％，150％；而改变单元体化学元素含量的非光滑试样较相同基体材料的光滑试样其耐磨、抗热疲劳、减粘性能分别提高400％，200％，250％。这说明经过合适工艺处理单元体，适当改变其成分含量与基体材料形成含量差，该种非光滑表面比未改变单元体成分的非光滑表面具有更优异的耐磨、抗热疲劳、减粘性能。
权利要求
1.一种具有仿生非光滑表面的模具，其特征在于模具的成型工作面上分布有与其基体表面呈0.01-0.5mm高度差的凸凹单元体，该凸凹单元体是球冠状凹坑或凸包、火山口状凹凸体、平行或网格状条纹。
2.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的模具，其特征在于所述的球冠状凹坑或凸包单元体在模具表面呈规则点阵式分布，其底圆直径为0.02-2mm，单元体间中心距为0.03-4mm。
3.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的模具，其特征在于所述的火山口状凹凸体在模具表面呈规则点阵式分布，其凸起部分底圆直径为0.04-2.2mm，下凹部分上口直径为0.02-2mm，下凹深度为0.01-0.5mm，单元体间中心距为0.05-4mm。
4.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的模具，其特征在于所述的平行或网格状条纹，其条纹宽度为0.02-2mm，条纹间中心距为0.03-4mm。
5.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的模具，其特征在于所述的凸凹单元体内含有合金元素Cr、Mn、Si、Mo、Ni、W、V、B，与基体中对应元素含量差为Cr0.5-20％、Mn0.5-20％、Si0.1-3％、Mo0.1-5％、Ni0.1-5％、W0.5-20％、V0.5-10％、B0.01-0.1％。
全文摘要
本发明涉及用于机械部件成型的耐磨、抗热疲劳冷、热作模具，特别是一种具有仿生非光滑表面的模具，其特征是模具的成型工作面上分布有与其基体表面呈0.01－0.5mm高度差的凸凹单元体，该凸凹单元体是球冠状凹坑或凸包、火山口状凹凸体、平行或网格状条纹。本发明模具由于具有仿生非光滑表面可以显著提高模具表面的耐磨性、抗热疲劳性、降低模具与部件之间粘附从而提高部件脱模性，其使用寿命与具有相同基体材料的光滑表面模具比较，提高0.5－3倍。
文档编号B23P15/24GK1597241SQ20041001103
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月16日 优先权日2004年8月16日
发明者任露泉, 周宏 , 张志辉, 宋起飞, 单宏宇, 陈莉, 邱小明, 韩志武 申请人:吉林大学