专利名称：模具表面强化处理方法
技术领域：
本发明是有关于一种模具表面处理方法，尤指一种可提升模具材料表面结构性能的模具表面强化处理方法。
背景技术：
压铸及锻造模具在经过加工处理或生产一段时间后，常会在模具表面形成缺陷或残留张应力(tensile stress)，此表面缺陷或残留应力往往造成模具破坏的根源，而降低模具的使用寿命。再者，模具在使用短时间后所产生的热龟裂与热侵蚀现象，是模具业者最头痛的品质问题，也连带使得维护成本问题与制造成本大幅激增。而多数加工过程包括放电加工、线切割加工及表面氮化处理等都会在模具表面形成硬化白层造成模具表面脆化，降低模具生产寿命。因此，如何解决前述压铸及锻造模具其表面硬度的缺点，而进一步强化模具表面结构组织，以降低模具的维护成本及延伸使用寿命，诚是业界更应努力研发、突破的重点方向。
因此，本发明针对上述问题而提出一种模具表面强化处理方法，来改善传统模具表面容易磨耗的缺点。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种模具表面强化处理方法，其是于模具表面形成一硬化层，以增加模具强度以及硬度，使模具表面的组织更致密性。
本发明的次要目的，在于提供一种模具表面强化处理方法，以增加模具的热疲劳强度。
本发明的又一目的，在于提供一种模具表面强化处理方法，以增加模具的抗热侵蚀性。
本发明的又一目的，在于提供一种模具表面强化处理方法，以延长模具的使用寿命。
为达上述目的本发明提供一种模具表面强化处理方法，其包括有下列步骤a.将模具进行应力消除的操作；b.经应力消除后的模具以砂体进行喷砂操作程序；c.模具经喷砂操作程序后继进入珠击处理，其是以连续性的硬质近圆球型小粒高速撞击模具表面；通过前述方法，使模具表面更坚硬及有效的增加其压应力，以减少龟裂和其它缺陷，并进而增加模具的抗疲乏性。
所述的模具表面强化处理方法，其中该步骤a之前是可先将模具进行清洗及硬度确认。
所述的模具表面强化处理方法，其中该步骤a的应力消除操作是回火处理。
所述的模具表面强化处理方法，其中该步骤b进行喷砂操作的砂体是陶瓷砂。
所述的模具表面强化处理方法，其中该步骤b进行喷砂操作的砂体是玻璃砂。
所述的模具表面强化处理方法，其中该步骤c进行珠击处理的硬质近圆球型小粒是金属材。
所述的模具表面强化处理方法，其中该步骤c进行珠击处理的硬质近圆球型小粒是玻璃材。
由上述可知，本发明一模具表面强化的处理方法是对公知的模具首先进行应力消除，然后以砂体对模具表面进行喷砂操作，最后再进行珠击处理，以在模具表面形成一提高表面强度、并使表面形成压缩、组织更为致密以及提高材料表面硬度及韧性的硬化层，且去除模具表面放电白层。
第1图是本发明模具表面强化处理方法的流程示意图；图2是利用本发明对模具进行表面强化处理后，模具表面形成一硬化层的示意图。
图3是本发明对模具表面进行介质撞击的示意图。
图4是本发明对模具进行表面处理后，模具表面致密组织形成的示意图；图5为疲劳试验(采用Moore式回转弯取试验机)的结果；图6为热熔损测试的结果；图7A为进行热龟裂试验的操作时间与温度条件；图7B为无经过强化处理的模具进行热龟裂试验的操作时间与温度条件与龟裂生成的曲线图；图7C为无经过强化处理的模具进行热龟裂试验后的SEM图；图7D为经过强化处理的模具进行热龟裂试验的操作时间与温度条件与龟裂生成的曲线图；图7E为经过强化处理的模具进行热龟裂试验后的SEM图；图8为利用本发明对模具进行表面处理后的试片与经一般习知表面处理后的试片进行表面强度比较的长条图；图9为模具经#220砂纸抛光再以#400砂纸抛光后以强化处理方法所得的不同时间的表面硬度结果比较；图10是利用本发明对模具进行表面处理后的表面致密SEM图；图11是经本发明表面处里后，模具的表面深度与应力值的曲线图；图12A是习知模具表面含有白层的SEM图；图12B是经本发明表面处理后的模具表面已去除白层的SEM图；图13A为标准恰比冲击试片规格图；图13B为韧性测试的结果；图14A为无经过强化处理的8407-Ms钢材的磨耗结果；图14B为无经过强化处理的8407-Ms钢材其磨耗测试后，钢材表面磨损的情况；图14C为经过强化处理的8407-Ms钢材的磨耗结果；图14D为经过强化处理的8407-Ms钢材其磨耗测试后钢材表面磨损的情况；图15A为模具经放电加工后的中心线平均粗糙度(Ra)与SEM图；图15B为模具经#220抛光处理后的中心线平均粗糙度(Ra)与SEM图；
图15C为模具经#400抛光处理后的中心线平均粗糙度(Ra)与SEM图；图15D为模具经模具强化处理后的中心线平均粗糙度(Ra)与SEM图。
具体实施例方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效更有进一步的说明，谨佐以较佳的实施例图予以配合，详述如后请参阅图1所示，本发明模具表面强化处理方法是如步骤S10所示，首先将模具进行应力消除的操作，其应力消除操作是高温回火处理；接续如步骤S20，将经应力消除后的模具以砂体进行喷砂操作程序；然后如步骤S30，将经喷砂操作程序后的模具进行珠击处理，其中该珠击处理是以连续性的特殊硬质近圆球型小粒高速撞击模具表面，以使模具表面更坚硬及有效的增加其压应力，以减少龟裂和其它缺陷，并进而增加模具的抗疲乏性，其结果将形成如图2所示，于一金属模具10上形成一硬化层20的型态。
其中步骤S10之前是可先对模具进行清洗及硬度确认，因压铸或锻造模具经过加工完成或试模生产前，表面通常会残留有脱膜剂、油质或其它杂质，其于高温回火时会产生化学变化，而可能影响模具表面状况，所以可视模具表面状况，再判断是否必需在回火应力消除前先进行模具的清洗，而所使用的清洗溶剂为70℃的美沙克隆溶剂。
而步骤S10的应力的消除是利用回火处理来进行，其所实施的回火为介于500℃~600℃间的高温回火，其较佳的温度550℃，时间4小时，采空冷的方式。
步骤S20进行喷砂操作的砂体是可为陶瓷砂或玻璃砂，而喷砂的速度及颗粒的大小和时间条件为喷砂介质为粒度20～28μm的SiC，速度为50m/sec，时间30min。
步骤S30进行珠击处理的硬质近圆球型小粒是可为金属材，其进行珠击处理的硬质近圆球型小粒是可为玻璃材，而珠击的速度及颗粒的大小和时间条件为珠击介质为粒度0.3mm钢珠，速度为200m/sec，时间为40min。
本发明是以一特殊以特殊介质高速撞击材料表面之后，在材料表面形成一层紧密而压缩的组织(如图3、图4所示)，通常此影响区的深度范围约有0.07～0.10mm左右。
因此，本发明模具表面强化处理方法的优点为能够提高模具的热疲劳强度。
请参阅图5为疲劳试验(采用Moore式回转弯取试验机)的结果，可由其结果得知经过强化处理的模具的耐疲劳限较无处理过的模具高出甚多。
能够提高模具的抗热侵蚀性。
图6为热熔损测试的结果，于此试验是采一个未经处理的素材与二个较为常见的模具强化方式处理的氮化素材与氮化铬素材来与经本发明进行测试比较，可得知经模具强化的素材的重量损失最少。
能够改善模具表面的热龟裂。
请参阅图7，为进行龟裂实验的探讨。图7A至图7E为进行热龟裂试验的操作时间与温度条件，图7B与图7C为无经过强化处理的模具经试验后的结果，图7D与图7E是经过强化处理的模具经试验后的结果，由本实验可显著的观察到经过强化处理后的试片其龟裂现象较几乎不显著。
能够提高模具表面强度(如图8所示)与硬度。
图9为模具经#220砂纸抛光再以#400砂纸抛光后以强化处理方法所得的不同时间的表面硬度结果比较，由图中可以得知于相同的距表面深度下，较长的强化处理时间(process 3)可以得到较高的硬度值。
能够使模具表面组织较为致密(如图10所示)。
能够去除模具残留加工应力。
模具经过加工处理后，通常会在材料表面形成残留的张应力(tensilestress)，此应力会造成模具材料表面缺陷的根源。利用本发明的对模具表面进行处理所产生的压缩应力(compress stress)正好与此张应力互相抵消(如图11所示)，同时在材料表面形成较微致密的组织，将使的材料的表面缺陷降低，以防止因疲劳产生的龟裂。
能够去除模具表面的放电白层。
请参阅图12A(公知技术示意图)及图12B(本发明意图)。材料经放电加工之后，其材料表面所形成的放电白层(EDM layer)一般均用抛光(polish)加以除去，以避免材料表面因放电白层所造成的脆性，使材料表面产生龟裂(crack)；然而因抛光过程中所产生的应力与方向性，却反而会降低材料的冲击值。
如冲击试验结果所示，材料经EDM处理后，利用回火应力消除的方式确实可以增加材料的冲击值，提高材料的韧性；利用本发明对模具进行表面处理后，其冲击值又明显高于回火，这意谓着本发明不仅可提高材料表面的硬度，同时也能增加材料表面的韧性。其中于本测试是采恰比冲击试验(charpy test)来进行经强化处理与未经强化处理的模具韧性比较，试片规格为标准恰比冲击试片如图13A所示，且由图13B可得知经强化处理后的模具的耐冲击能较高。
本发明表面处理后的试片的时间参数对材料表面的耐磨耗性与摩擦系数影响相当大；时间太短，则造成材料表面磨擦系数增大，耐磨性反而降低；随着时间增加，材料表面磨擦系数降低，同时表面硬度增加的结果，使耐磨性大大增加；但处理时间过长反而无法增加其耐磨耗性。
请参阅图14A至图14D，为进行磨耗试验的结果，其测试条件为负载10牛顿(N)，转速272rpm/min，滑动速度0.3m/sec，旋转半径21mm，尖端磨耗球为铬钢材质，其中图14A为无经过强化处理的8407-Ms(AISIH13)钢材的磨耗结果，图14B为其磨耗测试后钢材表面磨损的情况，图14C为经过强化处理的8407-Ms钢材的磨耗结果，图14D为其磨耗测试后钢材表面磨损的情况。
具极高的表面平整度。
图15A至图15D各为模具经放电加工、#220抛光、#400抛光与模具强化处理后的中心线平均粗糙度(Ra)，由此可得知经过模具强化处理后的试片的Ra值与经#400抛光后的试片相近，具有极高的表面平整度。
以上所述，仅为本发明一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。
权利要求
1.一种模具表面强化处理方法，其特征在于，其包括有下列步骤a.将模具进行应力消除的操作；b.经应力消除后的模具以砂体进行喷砂操作程序；c.模具经喷砂操作程序后继进入珠击处理，其是以连续性的硬质近圆球型小粒高速撞击模具表面；通过前述方法，使模具表面更坚硬及有效的增加其压应力，以减少龟裂和其它缺陷，并进而增加模具的抗疲乏性。
2.根据权利要求1所述的模具表面强化处理方法，其特征在于，其中该步骤a之前是可先将模具进行清洗及硬度确认。
3.根据权利要求1所述的模具表面强化处理方法，其特征在于，其中该步骤a的应力消除操作是回火处理。
4.根据权利要求1所述的模具表面强化处理方法，其特征在于，其中该步骤b进行喷砂操作的砂体是陶瓷砂。
5.根据权利要求1所述的模具表面强化处理方法，其特征在于，其中该步骤b进行喷砂操作的砂体是玻璃砂。
6.根据权利要求1所述的模具表面强化处理方法，其特征在于，其中该步骤c进行珠击处理的硬质近圆球型小粒是金属材。
7.根据权利要求1所述的模具表面强化处理方法，其特征在于，其中该步骤c进行珠击处理的硬质近圆球型小粒是玻璃材。
全文摘要
一种模具表面强化处理方法，其步骤是先将模具完成品进行应力消除的操作，经应力消除后的模具再以陶瓷砂进行喷砂操作程序，模具经喷砂操作程序后继进入珠击处理，其是以连续性的金属或玻璃近圆球型小粒高速撞击模具表面，通过此，使达到模具表面更坚硬及有效的增加其压应力，以减少龟裂和其它缺陷，并进而增加模具的抗疲乏性。
文档编号C21D7/06GK1550559SQ20041003967
公开日2004年12月1日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月12日
发明者张世贤 申请人:台湾盛百股份有限公司