（材料加工工程专业论文）多尺度复合结构对7050铝合金表面性能影响的研究.pdf

摘要 摘要 具有多尺度复合结构的材料表面具有较好的的自洁性、疏水性、减阻、抗粘附 性能。橡胶模具在硫化以后模具会残留许多的硫化污染物，因此在橡胶模具表面构 筑一层多次度复合结构能够提高模具表面的抗粘附性能。本文采用增压喷丸设备在 a l 合金表面构筑多尺度复合结构。通过调节不同的喷丸工艺参数，探讨弹丸直径、 喷丸时间、压力等，对表面形成多尺度复合结构的影响。并研究多重喷丸后材料表 面性能的改变。并期望通过该方法来提高模具表面的抗粘附性能。论文的主要研究 内容如下： 1 调整喷丸参数在材料表面构筑多尺度复合结构，包括弹丸直径、压力、喷丸 时间等，观察试样表面后发现喷丸工艺先采用较大直径的丸粒试样表面形成的微米 级的凹凸结构直径较小，试样表面凹与凸变化较大，且喷丸时间长并且喷丸压力小 的试样凹凸结构的深度较小；先采用小粒径的试样表面形成的微米级结构直径相对 较大，并且深度变化的较为平缓。在纳米级的尺寸上，采用喷丸压力0 2 5 m p a 、丸 粒直径为0 3 m m 、喷丸时间为5 分钟的试样形成的纳米级的凹凸结构较少。通过粗 糙度测试可以发现试样表面的粗糙度变化较大，首次喷丸采用较大直径丸粒喷丸的 试样表面粗糙较大。 2 研究了材料在多重喷丸之后摩擦因数的变化。在油润滑状态下相对于原始试 样，表面形成了多尺度复合结构的试样摩擦因数比原始试样摩擦因数低。不同喷丸 工艺参数下，摩擦因数最好的试样采用的喷丸参数为压力0 2 m p a 、丸粒直径0 8 m m 、 喷丸时间5 分钟，摩擦因数最差的喷丸参数为压力0 2 5 m p a 、丸粒直径0 3 m m 、喷 丸时间5 分钟。在无润滑状态下相对原始试样，多重喷丸后试样的摩擦因数经历了 一段磨合期最后与原始试样相差无几。不同喷丸工艺参数中首次使用大粒径的试样 进入磨粒磨损状态，而使用小粒径的试样处在粘着磨损以及磨粒磨损的混合状态。 其中喷丸压力较小时间较短的试样还处在粘着磨损状态。多重喷丸后试样的表面硬 度大致为2 0 0 h v ，试样的表面形变层大致为2 0 9 m 。 3 平板硫化实验：通过多重喷丸后在铝合金试样表面构筑的多尺度复合结构能 够使试样表面具有低反应性，具有多尺度复合结构的样品，表面硬度得到提高，摩 擦磨损因数降低，脱模性提高，使硫化试样表面的污染物减少。另外试样表面润湿 广东工业大学硕士学位论文 性的降低使试样表面自洁性提高，同时获得的多尺度复合结构表面的纳米级凹陷能 很好的吸附空气减少试样表面与橡胶的接触面积，从而提高试样表面的抗粘附性能。 关键词：多重喷丸：7 0 5 0 铝合金；多尺度复合结构；耐磨性；抗粘附性 a b s t r a c t a b s t r a c t m a t e r i a lw i t hm u l t i - s c a l es t r u c t u r eo nt h es u r f a c eh a st h e g o o dp e r f o r m a n c ei n s e l f - c l e a n i n g ，h y d r o p h o b i c i t ya n da n t i - a d h e r e n c e t h e r ew i l lb ev u l c a n i z a t i o np o l l u t a n t s w h i c hr e s i d u a lo nt h er u b b e rm o u l d i no r d e rt oi m p r o v et h ea n t i a d h e r e n c e a b i l i t yo f r u b b e rm o u l d ，m u l t i - s c a l es t r u c t u r ew a sc h o s e nt ob u i l do nt h es u r f a c e i nt h i sr e s e a r c h t h es h o tp e n n i n gd e v i c ew a sc h o s e nt ob u i l dt h em u l t i s c a l es t r u c t u r eo nt h ea l u m i n u m a l l o ys u r f a c e t h ee f f e c to ft h em u l t i - s c a l es t r u c t u r ef o r m i n gp r o c e s sb ys h o tp e n n i n g p r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n g s h o tp e e n i n gp r e s s u r e ，d u r a t i o n t i m e ，d i a m e t e ro f p r o j e c t i l e sa n ds oo nw e r ed i s c u s s e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h es u r f a c ea f t e rm u l t i p l es h o t p e n n i n gw a sr e s e a r c h e d t h em e t h o dc o u l db eu s e dt oi m p r o v et h ea n t i a d h e r e n c e p e r f o r m a n c eo ft h es u r f a c eo ft h em o u l d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa b o u tt h i sp a p e ra r e a sf o l l o w s ： 1 b ya d j u s t i n gt h es h o tp e n n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n gs h o tp e e n i n gp r e s s u r e ， d u r a t i o nt i m e ，d i a m e t e ro fp r o je c t i l e sa n ds oo n ，t h em u l t i - s c a l es t r u c t u r ec o u l db e e s t a b l i s h e do nt h es u r f a c eo fm a t e r i a l i tc a nb es e e nt h a tc o n v e x c o n c a v e sd i a m e t e ra t m i c r o m e t e rl e v e li ss m a l l e rt h a nt h a to ft h e l a r g e rd i a m e t e ro fp r o j e c t i l e s f o rs h o t p e n n i n ga tf i r s tt i m eb yo b s e r v i n gt h es u r f a c eo ft h et e s ts a m p l e s a tt h es a m et i m et h e g t r u c t u r ei sl e s sd e e p e ri ft h e yu s et h el o n g e rd u r a t i o nt i m ea n dl e s sp r e s s u r ef o rs h o t p e n n i n g c o n v e x c o n c a v e sd i a m e t e ra tm i c r o m e t e rl e v e li sl a r g e rt h a nt h a tu s e st h e s m a l l e rd i a m e t e ro fp r o j e c t i l e sf o rs h o tp e n n i n ga tf i r s tt i m e t h es a m p l ew h i c hs h o t p e n n i n gp r e s s u r ea t0 2 5 m p a ，d i a m e t e ro fp r o j e c t i l e si s0 3 m m ，d u r a t i o nt i m ei s5m i n h a st h el e a s tc o n v e x c o n c a v ea tn a n o m e t e rl e v e l t h er o u g h n e s si s h i g hi ft h es h o t p e n n i n gp r o c e s su s e st h el a r g e rd i a m e t e rp r o j e c t i l e sa tt h ef i r s tt i m e 2 a f t e rs h o tp e n n i n g ，f r i c t i o na n d w e a rr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a lw a s r e s e a r c h e d r e s u l t si n d i c a t et h a to no i ll u b r i c a t i o nc o n d i t i o n ，f r i c t i o nf a c t o ri sl o w e rt h a n t h a to ft h eo r i g i n a l s a m p l e a n dt h e s h o tp e n n i n gp r o c e s sp a r a m e t e ro ft h el o w e s t f r i c t i o nf a c t o ri so 2 m p ap r e s s u r e ，d i a m e t e ro fp r o j e c t i l ei so 8 m m ，a n dt h ed u r a t i o nt i m e i s5 m i n ，a n dt h es h o tp e n n i n gp r o c e s sp a r a m e t e ro ft h eh i g h e s tf r i c t i o nf a c t o ri s i i i 广东工业大学硕士学位论文 o 2 5 m p ap r e s s u r e ，d i a m e t e ro fp r o j e c t i l ei s0 3 m m ，a n dt h ed u r a t i o nt i m ei s5 m i n o nt h e n o nl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n ，t h ef r i c t i o nf a c t o ro fs h o tp e n n i n gt r e a t m e n ts a m p l ei sl o w e r t h a nt h eo r i g i n a lo n ea tf i r s ta n de n d sa tt h es a m el e v e l ，t h et e s ts a m p l e sw h i c hu s et h e l a r g e rd i a m e t e ro fp r o j e c t i l e sf o rs h o tp e n n i n ga tf i r s tt i m ei s a ta b r a s i v ew e a rs i t u a t i o n ， a n do t h e r sa tt h em i xs i t u a t i o nb e t w e e na d h e s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a le s p e c i a l l yt h e o n eu s e st h el o w e rp r e s s u r ea n dl e s sd u r a t i o nt i m ei sa ta d h e s i v ew e a rs i t u a t i o n h a r d n e s s o ft h es u r f a c ei s2 0 0 h va f t e r m u l t i p l es h o tp e n n i n g a n dt h et h i c k n e s so fs u r f a c e d e f o r m a t i o nl a y e ri s2 0 1 a m 3 f l a tv u l c a n i z i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o wt h a t ：t h em u l t i - s c a l es t r u c t u r et h a t f o r m e di nt h es u r f a c ea f t e rs h o tp e n n i n gc a l lr e d u c et h ea c t i v i t yo ft h et e s ts a m p l e t h e t e s ts a m p l ew i t hm u l t i s c a l es t r u c t u r ea l s og e t sai m p r o v e m e n ti nh a r d n e s sa n dr e d u c e si n f r i c t i o nf a c t o r , w h i c hc a ni m p r o v et h ed e m o u l da b i l i t y a f t e rv u l c a n i z a t i o ni tw i l lr e d u c e t h ep o l l u t a n ti n t h e s u r f a c e s e l f - c l e a n i n ga b i l i t y i s i m p r o v e dw i t ht h ed e c r e a s eo f w e t t a b i l i t y a tt h es a m et i m et h em u l t i - s c a l es t r u c t u r ei nt h es u r f a c ec a na d s o r p t i o nt h e a i r , a n dr e d u c i n gt h ec o n t a c ta r e ab e t w e e nt h es u r f a c eo ft h et e s ts a m p l ea n dr u b b e r , a n d t h e ni m p r o v et h ea n t i a d h e r e n c ea b i l i t y k e y w o r d ：m u l t i p l es h o tp e e n i n g ；a l u m i n u ma l l o y ；m u l t i s c a l es t r u c t u r e ；a b r a s i v e r e s i s t a n c e ；a n t i - a d h e s i o n i v c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) 。v c o n t e n t s v i i c h a p t e r1e x o r d i u m i i im o d e ms u r f a c ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y - 1 1 2s h o tp e n n i n gt e c h n o l o g y 2 1 3t h ep e r f o r m a n c ea l u m i n u m a l l o y 。3 1 4r u b b e rm o l d s 4 1 4 1r u b b e rm o l dc l e a n i n gt e c h n o l o g y 5 1 4 2t h ee f f e c ta b o u tm o l df o u l i n gb e h a v i o rb ys u r f a c et r e a t m e n t 6 1 5s e l e c t e dt o p i ci d e aa n dt e c h n i c a lr o u t e 6 1 5 1s e l e c t e dt o p i ci d e a 6 1 5 2t h er e s e a r c hs t a t u so f b o t ha th o m ea n da b r o a d 7 1 5 3t e c h n i c a lr o u t e 7 c h a p t e r2t h ep r e p a r a t i o no fm u l t i - s c a l es t r u c t u r eo n7 0 5 0a l u m i n u ma l l o ys u r f a c e 2 1i n t r o d u c t i o n l0 2 2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s e q u i p m e n t sa n dm e t h o d s 1o 2 2 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n de q u i p m e n t s 10 2 2 2e x p e r i m e n t a lm e t h o d s 11 2 3m u l t i s c a l es t r u c t u r es u r f a c em o r p h o l o g y a n a l y s i s 12 2 3 1t e s ts a m p l e s s e mp h o t o 1 2 2 3 23 dp h o t oo f t h et e s ts a m p l e s 1 4 2 3 3t e s ts a m p l e ss u r f a c er o u g h n e s s 2 3 2 4s u m m a r y 2 3 c h a p t e r3r e s e a r c ha b o u tf r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c e 2 5 v l i 广东工业大学硕士学位论文 3 1i n t r o d u c t i o n 2 5 3 2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s ，e q u i p m e n t sa n dm e t h o d s 2 5 3 3r e s u l ta n dd i s c u s s i o na b o u tf r i c t i o na n dw e a re x p e r i m e n t a lp r o c e s s 2 7 3 3 1o 订l u b r i c a t i o nf r i c t i o na n dw e a l 2 7 3 3 2n o nl u b r i c a t i o nf r i c t i o na n dw e a r 3 2 3 4e f f e c to ft h eh a r d n e s so ft h em a t e r i a l sb ym u l t i s c a l es t r u c t u r eo nt h es u r f a c e3 6 3 5s u m m a r y 3 8 c h a p t e r4f o u l i n gr e s i s t a n c eb e h a v i o ro ft h em u l t i s c a l es t r u c t u r eo nt h es u r f a c e d u r i n gv u l c a n i z a t i o n 3 9 4 1i n t r o d u c t i o n 3 9 4 2v u l c a n i z a t i o ne x p e r i m e n t - 3 9 4 2 1p r e p a r a t i o no ft h ee x p e r i m e n t 3 9 4 2 2p r i n c i p l e so f e x p e r i m e n t 。4 0 4 2 3r e s u i t sa n dd i s c u s s i o n 4 1 4 3e x p e r m e n ta b o u tt h ew e t t a b i l i t yo ft h es u r f a c e 。4 7 4 3 1w e t t a b i l i t yo f t h et e s ts a m p l ea f t e rs h o tp e n n i n g 4 7 4 3 2w e r a b i l i t yo ft h et e s ts a m p l ew i t hd i f f e r e n tt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s 4 9 4 4s u m m a r y 51 c o n c l u s i o n s ! ；3 r e f e r e n c e s 5 4 p u b l i s h e dp a p e r s 5 8 o r i g i n a lc r e a t i o ns t a t e m e n t 5 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 0 v i i i 第一章绪论 1 1 现代表面工程技术 第一章绪论 除了一些贵金属外，大部分的金属材料都会与周围介质发生化学反应或者电化 学反应而遭受腐蚀，金属表面由于各种机械作用而引起的磨损也较为严重，所以生 活中大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效，造成极大的浪费和损失。据统计，全世 界发达国家仅仅因磨损、腐蚀而造成的经济损失大致占到国民生产总值的3 0 0 , - 5 ， 每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量的1 0 。我国表面工程技术 的运用还处在一个较低的水平，由于各种各样的摩擦磨损、腐蚀而造成的经济损失 就更大了。因此，应努力减少腐蚀和磨损的发生。发展金属表面防护和强化技术， 是各国普遍关心的重大课题而通过表面工程技术能在很大程度上改变这种状况。 随着现代工业技术的发展，各行各业对机械设备的性能要求大大增加，许多都 要求设备能在高温高压、高速度及高腐蚀等各种恶劣的工况条件下能长期稳定的运 行，因此，对材料的性能也提出更高要求。采用高性能材料制造的整体设备和零件 对于大规模工业生产来说花费太大，这显然是不经济的，甚至有些时候即使加大花 费也是实现不了，因此，研究和发展材料的表面处理技术也就变得很有必要，而表 面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高，表面工程技术在材料 科学中的地位更加重要，在修复及强化基体表面等方面起着不可代替的作用【。其 在工业生产和日常生活中的主要应用有： ( 1 ) 表面工程学科的建立是适应发展生产，提高产品质量和经济效益的需要。 其重点是研究各种最新表面技术，经济、高效、高质量地强化、改善零件表面，使 表面技术在经济建设中发挥重要作用，在提高经济效益上的作用是十分巨大的。 ( 2 ) 表面工程为高技术的发展提供特殊材料。航天技术中的人造卫星、空间 实验站和机器人等机构上的轴承采用的固体润滑主要依靠各种表面技术来实现。 ( 3 ) 表面工程为设备或装备的技术改造和维修提供强有效的手段。采用表面 技术修复或改造大型、重型、流程、精密设备，尤其是进口设备，已经取得了十分 突出的成效。 广东工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 表面工程是节约能源和资源的重要途径。零件的摩损、腐蚀和疲劳的失 效现象发生在表面，通过表面修复、强化，而不必整体改变材料，使材料“物尽其用”， 可显著地节约材料。 ( 5 ) 表面工程是装饰美化人民生活的得力助手。不仅能在金属表面上，在非 金属表面上也能很好地进行。 表面工程技术指为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成 分、结构和性能或功能的化学或物理方法与工艺，它实施的对象是固体材料的表面 不需要改变整个材料的性能，只需改变材料的表面性能，例如提高材料表面的强度 硬度，提高材料表面的耐磨损、耐腐蚀性能。表面工程技术包含如下几个方面1 2 , 3 1 ： ( 1 ) 表面改性技术。通过提高材料的表面耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能， 或修饰材料的表面、使零部件具有不同性能的相关工程技术。 ( 2 ) 表面加工技术。通过不同工艺或手段在材料表面加工或制作各种功能器 件的相关技术。例如通过刻蚀技术在单晶硅表面制作大规模集成电路。 ( 3 ) 表面合成材料技术。在材料表面通过不同方法合成新材料的相关技术。 类似于离子注入技术、表面渗碳技术等等。 ( 4 ) 表面加工三维合成技术。即将二维表面加工积累成三维零件的快速原型 技术等。 1 2 喷丸强化技术 喷丸强化技术是表面改性技术中的一种，是指利用高速运动的细小弹丸在室温 下轰击受喷材料表面，使用表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形并呈现较大 的残余应力，从而提高材料表面强度、疲劳强度、和抗应力腐蚀能力的技术；是大 幅提高零件疲劳抗力的简便易行、费用低廉的工艺措施，它属于表面组织转化技术 的一种，这一类加工技术并不是通过改变材料的表面成分来提高表面的性能，而是 通过改变材料的表面组织的结构特征或应力状况来改变性能【2 1 。 喷丸强化技术采用的喷丸机，分为叶轮式与压缩空气式两大类：叶轮式喷丸机 的优点是喷射的弹丸流的位置与速度不易改变，较常应用在形状简单、批量较大的 零件生产中；压缩空气式喷丸机的优点是依靠调节压缩空气的压力来改变弹丸的速 度，对于表面形状复杂的零件或者生产批量较小的生产过程；喷丸过程还可以采用 2 第一章绪论 湿喷丸方式进行，即将弹丸与液体混合，形成悬浮液后喷向工件f 射。 选择弹丸时，需要考虑受喷零件的工艺要求，例如喷丸面预期的塑性变形深度、 最大残余应力值和表面粗糙度，同时也要考虑弹丸的损耗和喷丸设备条件等。通常 所使用的弹丸有铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。单位 时间内所能达到的喷丸强度是通过喷丸设备和弹丸种类确定的，当喷丸设备和弹丸 种类选定以后，单位时间内的喷丸强度也就确定了。但是弹丸损耗则与受喷零件的 材料以及硬度等状况有关。一般情况下，钢制零件如果为了获得较高的塑性变形层 以及较大的残余应力选用铸钢或者铸铁丸比较好，但如果要求表面粗糙度较低则适 合常采用玻璃丸。铝等轻质金属也一般采用玻璃丸。 喷丸对材料的影响主要表现在，提高材料的表面硬度、对材料表面粗糙度的影 响、对疲劳寿命以及抗应力腐蚀能力的影响。具体为在喷丸的过程中丸粒轰击材料 表面发生加工硬化，材料的表面硬度随着变形层的深度增加而增加，在其条件相同 的情况下弹丸的强度或者动能越大试样表面的硬度越大。而零件表面的粗糙度对其 疲劳寿命影响很大，零件表面粗糙度的降低有助于疲劳强度的提高。喷丸时材料的 表面粗糙度与喷丸粒子的直径。喷丸工件的材料、弹丸的形状以及弹丸速度等因素 息息相关。 1 3 铝合金的性能 铝具有良好的抗蚀能力，因为铝在空气中能与氧结合，形成一层致密的氧化膜， 这层膜可以阻止铝继续氧化，从而保护铝不被腐蚀，并且当这层氧化膜被破坏后里 面的铝还可以继续生成新的膜重新起保护作用，所以铝具有良好的抗蚀能力【4 1 。虽 然纯铝具有这些优点但是由于纯铝的密度小、熔点低、强度低、机械性能较差小适 合用于工程材料，但是通过在纯铝中加入合金元素使其合金化却很好的解决了这些 问题1 5 ，6 1 。 铝合金是现在应用的最广泛的材料之一，在机械制造中、电气工业、电子工业、 家用电器、交通运输业等行业都有较为广泛的应用。铝合金性能主要有质量轻、强 度好比强度高、加工容易适于各种表面处理；耐蚀性、耐气候性及耐化学腐蚀性能 好；导热、导电对光、热、电波的反射性好；无磁性、无毒、吸音性及耐低温性能 好。根据合金元素和加工工艺特性的不同，铝合金可分为铸造铝合金以及变形锚合 广东工业大学硕士学位论文 金【5 1。变形铝合金主要是指在加热时，呈现单项固溶状态，不能用热处理方法使 之强化。而铸造铝合金存在共晶组织，适于铸造，故称为铸造铝合金。铸造铝合金 与变形铝合金最大差别就是硅元素的最大含量超过多数变形铝合金的硅含量1 6 i 。铝 合金的强化主要是通过形变强化、沉淀强化、基体中合金元素的固溶强化以及热处 理来提高强度等性能。 根据用途或生产方式，以及所含的合金元素，铝合金可以这样分类【6 1 ： a i c u 系合金，这一类合金的切削性能优良，热处理材料的力学性能高，有较 大的伸长率。但高温强度低，易发生高温断裂及铸造裂纹。a 1 s i 系合金，这一类合 金热脆性小，焊接性好、耐蚀性好。a i m g 系合金，这一类合金耐蚀特别耐海水腐 蚀性好，易通过阳极氧化而得到美观的薄膜。 7 系铝合金是以锌为主要元素，析出沉淀强化型的高强铝合金1 7 1 。如果加入镁 元素，则为a 1 z n m g 合金，合金的热变形性能很好，淬火范围很宽，热处理后强 度较高，焊接性较好，耐蚀性较好，但是具有应力腐蚀倾向。在轮胎的生产过程中， 需要进行硫化，因此要求模具具有耐蚀性、耐热性具有一定的强度及硬度，还要不 易变形，7 0 5 0 铝合金具有抗剥落腐蚀、耐应力腐蚀开裂能力、断裂韧性与疲劳性能 等【6 1 0 ，1 1 l 。7 0 5 0 铝合金综合强化主要包括沉淀强化、固溶强化和纯铝的固有强度。 7 0 5 0 铝合金的抗拉强度为5 0 0 m p a 、屈服强度为4 2 0 m p a 。因此做轮胎模具7 0 5 0 铝 合金是一种很好的选择。 1 4 橡胶模具 橡胶模具是现代工业生产中必1 可少的模具种类，例如制作轮胎用的轮胎模 具，从加工性质上来看，橡胶工业可以讲就是一个模具制作行业，橡胶模具的生产 与制造在整个橡胶制品行业占据重要部分，几乎每个橡胶制品工厂都有几百套橡胶 模具。橡胶模具的制作水甲在很大程度上代表了橡胶工业的生产能力，加工效率以 及技术水平。橡胶模具制作水平在很大程度上决定了橡胶制品的外观质量 1 2 - 1 4 l 。 橡胶模具的总类有很多种但是以由上下两块模板组成的模压硫化模具为主【1 3 ， 1 5 7 1 。近几年为了提高模具的性能模具开发者设计出了一些新型的模具。如两个半 模组合型，这种模具是由上下两块模板组合而成的模具；飞边设定模具，这一类模 具主要用于硫化尺寸要求严格的模压制品；三开型模具，该模具用于硫化制品时需 4 第一章绪论 要修边等等这一类模具。这些模具有一个共同特点就是，都是从上下两块模板组成 的模压硫化模具演化而来的。 但是由于橡胶模具大部分情况下都是在高压、高温条件下反复使用，工作条件 苛刻，除受到腐蚀性物质的化学腐蚀外还要承受高温高压以及摩擦磨损因此对模具 的性能要求较高。轻度的磨损和表面形态的恶化将造成模具失效，此外，有的模具 中的花纹、沟槽等处很容易积存橡胶和硫化残留物会影响橡胶制品的表面形状，因 此必须频繁拆卸清洗，因而影响模具的生产效率，增加生产成本i i 。 近年来，由于铝合金的导热性高、切削加工性好、热膨胀系数大等特征，因 而广泛应用在橡胶模具上。这类铝合金模具一般直接铸造而成，不需热处理。如何 提高铝镁合金模具的使用性能，延长其使用寿命是模具制造厂商急待解决的问题。 1 4 1 橡胶模具的清洗 橡胶模具的清洗技术备受关注，它的研究与发展一直受到国内外橡胶行业内人 士的关注，但它们都有不可弥补的缺陷1 1 8 - 2 0 i 。橡胶模具污染的主要原因是橡胶在硫 化过程中会对模具表面造成不同程度的污染，这些污染物的存在既影响橡胶制品的 外观质量，还会影响产量，并且会对模具本身造成污染。由于橡胶模具的污染是无 法回避的问题，因此定期清洗橡胶模具，开发高效、廉价、无污染的模具清洗技术 就变得非常必要1 2 。现在采用的比较多橡胶模具清洗方法主要有机械清洗法也称 物理清洗法、化学清洗法、电化学清洗法、超声波清洗法以及激光清洗法 2 i - 2 4 】。 ( 1 ) 物理清洗法 物理清洗法主要是指用物理方法来清洗模具，例如用砂布、钢丝等方法清洗模 具。这一种方法已经具备较成熟的工艺，这种方法工艺简单，对设备的要求也不高， 因此这种方法在轮胎行业广泛使用。但是这种清洗方法会对模具腔体的棱角造成较 大损伤，使模具的使用寿命变短，同时也易造成模具排气孔堵塞。并且需要经常拆 装模具，工作量较大，且费时费事。 ( 2 ) 化学清洗法 化学清洗法主要包括是指使用化学溶剂溶解模具表面粘附的污染物，这种方法 操作简单，并且费用也很低。但由于使用的是化学溶剂，它在溶解污染物的同时也 会对模具造成腐蚀，因此不能长期使用。并且化学溶剂在使用的过程中会对环境造 广东工业大学硕士学位论文 成污染，并损害工作人员的健康，因此对作业时的保护措施要求较高。目前，该清 洗方法主要在小型橡胶制品企业使用。 ( 3 ) 电化学清洗 电化学清洗法主要是指利用电解或者电泳对模具表面进行清洗，这种方法在工 作的过程中会产生大量氢气及氧气混合物，具有一定的危害性。 ( 4 ) 超声波清洗法 超声发生器发出的高频振荡信号，在换能器的转换下而转变成为高频机械震荡 在介质中传播，超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体产生大量的微小气 泡，存在于液体中的气泡在声场的作用下震荡。气泡在超声波纵向传播的负压区形 成、生长，而在正压区，当声压达到一定值时，气泡迅速增大、爆炸，形成瞬间高 压，连续不断的瞬间高压就像一连串小爆炸不断地轰击模具的表面，将污染物从模 具表面迅速剥落，达到清洗目的。这种方法操作简便，劳动强度低，效率较高，洗 净能力强，模具的花纹底部及排气孑l 等角落均能洗到，还不损伤模具。并且清洗液 经过内置的过滤循环系统后可重复利用。但是这种方式只适合与清洗较小的模具。 ( 5 ) 激光清洗法1 2 2 ，2 5 之8 l 激光清洗法是近年来飞速发展的一种新型清洗技术，在许多领域中逐步取代了 传统清洗法。激光清洗技术主要是采用高能激光束照射工件表面，利用试样表面基 体与表面附着物( 污物) 对某一波长激光能量的吸收因数的差别，使辐射到工件表 面的能量大部分被表面附着物吸收，附着在模具表面的污染物在大量的热辐射下汽 化蒸发或者瞬间膨胀，并被表面形成的蒸汽流带动，脱离物体表面。激光清洗是一 种“绿色”的清洗方法，不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗剩下来的废料也 都是固体粉末，易于存放。由于激光与模具表面没有机械作用力，并且模具表面 吸收的热量极小，所以激光清洗并不会对模具造成损伤。 1 4 2 表面处理对模具污染的影响 仅通过表面处理技术提高材料表面的抗污然能力的方法越来越引起人们的关 注，例如在模具表面镀上一层铬能提高大大提高试样的表面硬度，还具有耐磨、耐 热、脱模性能好等特点，并且铬的表面会形成一层致密的氧化膜，能提高其耐腐蚀 性。 6 第一章绪论 山口幸一【2 9 】在铬镀层注入氮离子，使镀层表面氮化，形成c r 2 n 和铬氧化物， 以此来提高成型模具的寿命、硬度、耐磨性、润滑性和耐腐蚀性，使镀层表面变硬， 摩擦因数减小，最终使模具的抗污染性明显提高。 为了提高模具的使用寿命，模具表面强度，降低模具拆卸，清理的难度，除了 常规的热处理以外，还有如表面强化处理渗氮，软氮化，稀土复合渗等技术特别 是稀土复合渗是一种兼具先进性和经济性的表面强化技术，除用于轮胎模具以外， 在其它橡胶塑料制品模具领域也有着广阔的应用前景【3 0 3 。 1 5 本文的选题思路及技术路线。 1 5 1 本文的选题思路 鉴于橡胶模具清洗技术的不足及其局限性，本课题提出在模具表面喷丸，通过 某种特定的喷丸方式，获得具有微纳结构的表面组织，表面微纳结构可以提高模具 的抗硫化腐蚀的能力，减少模具上的污物残留量，这样能减少后续清洗的工作。 本课题拟采用多重喷丸方法对铝合金橡胶模具进行表面处理，探讨通过不同的 喷丸工艺，通过改变弹丸直径、作用方向、喷丸时间等工艺参数对橡胶模具表面形成 多尺度复合结构组织的影响，研究多尺度复合结构的耐硫化腐蚀性能、耐磨性能、 抗粘附性能及其影响规律。利用在材料表面构筑多尺度复合结构的来提高橡胶模具 的使用性能，通过材料工艺与装备技术的集成，开发出适合于构筑模具表面微纳结 构的工业示范装置和工艺规范，这对于实现在金属材料表面形成多尺度复合结构结 构的技术的工业化应用，提高橡胶模具产品的档次与附加值。 1 5 2 国内外的研究状况 材料表面多尺度结构是指材料的表面存在不同尺度的凹凸结构，这一结构首先 是在动物以及植物上发现的。例如江雷【3 2 1 研究组发现在荷叶表面微米结构的乳突 上还存在着某种纳米级结构，这些纳米级的结构之间被空气所占据，于是在一层漳 簿的空气膜便在荷叶的表面形成了，在雨点以及粉尘落在上面时，只与其中的几个 点接触，这一层空气膜能很好的减少荷叶与水滴粉尘的接触。由于许多文献都研究 过材料表面通过各种方法构筑多尺度的复合结构，例如在微波等离子体增强化学气 7 广东工业大学硕士学位论文 相沉积( m w p e c v d ) 1 3 3 1 ，s h i b u i c h i ，s 、y am a m o t o ，t 1 3 4 i 等利用阳极氧化法获得多 尺度复合结构，将多孔氧化铝凝胶浸入沸水中1 3 5 , 3 6 1 ，将升华材料与硅石或铝石混合 1 3 7 1 。等这些方法都可以构造多尺度复合结构。 具有多尺度复合结构的材料表面通常具有良好的自洁性、疏水性、减阻、抗粘 附等性能【3 8 i 。鉴于多尺度复合结构所具有的这些特性，因此表面多尺度结构在国 内外被广泛研究，但是这些研究都是停留在试样表面超疏水行的研究，而大家都知 道多尺度复合结构之所有具有超疏水性是因为材料表面形成了不同尺度等级的凹 凸，这些凹凸的存在一方面能够存储一定量的空气能减少材料表面与水珠的接触面 积，另一方面试样表面形成的这些结构能够降低材料表面的反应性，从而提高试样 表