模具工作零件表面強化技術應用研究

1、表面強化技術在模具制造中的應用現(xiàn)狀

1.1 滲碳表面化學熱處理

滲碳工藝是一種較常使用（80%以上）的模具表面強化技術，該工藝主要針對塑料模具型腔的表面強化。經(jīng)滲碳處理后的模具工作零件，可達到“外硬內韌”的效果，即工作零件表面獲得硬度、

耐磨性、疲勞強度等性能的提升，而心部仍保持原來的塑韌性、強度，符合對模具工作零件使用性能的要求。具有滲速快、滲層深、成本低，且滲層和基體零件之間具有較完美的結合性能，

結合層之間實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。但操作溫度較高（900～950℃），尤其是離子滲碳溫度可達1100℃，且滲碳后還需進行相應的熱處理，從而導致模具變形的可能性加大，因此高精度塑料模具不建議采用該項技術。

氣體滲碳溫度一般為920～950℃，經(jīng)王榮濱試驗綜合評定：滲碳層表面最合理的含碳量為ｗ（Ｃ）0.85％～0.95％，滲層由外向內碳質量分數(shù)梯度應均勻平緩，淬火組織中不允許有粗條狀馬氏體，過多殘奧，網(wǎng)狀碳化物和黑色屈氏體。過高的碳質量分數(shù)易使模具零件組織中出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物等惡性組織，影響模具質量和壽命，在后續(xù)加工過程中易出現(xiàn)應力集中，產(chǎn)生龜裂等現(xiàn)象。

離子滲碳溫度一般為900～960℃，與氣體滲碳比較，離子滲碳具有效率高、變形小、污染小、可處理任何形狀的模具零件表面等優(yōu)點，更適合在塑料模具和沖壓模具表面強化加工中應用。

1.2 火焰表面熱噴涂技術

熱噴涂技術是一種發(fā)展極為迅速的表面強化新技術，它是利用熱源（電弧、離子弧、火焰等）將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并使其霧化，以一定的速度噴向經(jīng)過預處理的基體表面，依靠物理變化和化學變化，與基體結合的工藝方法，此結合層，能提高模具零件的耐磨、耐蝕、耐熱等性能，且操作簡便，成本較低。近年來，該項技術在模具表面強化中的應用得到進一步發(fā)展和完善，廣州有色金屬研究院采用超音速噴涂硬質合金工藝，使Cr12不銹鋼拉深

模的壽命提高了3～10倍。同時該技術應用在模具修復中也取得較大進步，如華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室的張祥林等采用超音速火焰噴涂（HVOF）技術，在Cr12MoV模具鋼表面制備了納米結構的WC12Co金屬陶瓷涂層，測得涂層平均剪切強度達150.8MPa，涂層的結合強度大于80 MPa，涂層硬度高于1000HV。運用HVOF技術對冷擠壓模修復后，完全能滿足企業(yè)的使用要求。

1.3 復合表面電鍍技術

電鍍技術是一種用電化學方法在基體表面沉積金屬或金屬化處理的技術。電鍍硬鉻和硬鎳是我國塑料模具表面處理的傳統(tǒng)技術。該技術在近室溫下進行，模具性能幾乎不受影響，也不會出現(xiàn)嚴重變形，

同時電鍍層的表面粗糙度較低，硬度升高為800HV。但仍存在諸多問題，如：耐蝕性不高，溝槽、深孔無法處理，使其在模具強化中的應用受到一定限制，目前只可用于強化普通塑料模具的耐磨性，不適用于形狀復雜且耐蝕性要求高的塑料模具。

目前，復合鍍是模具行業(yè)中鍍層技術應用最有活力的領域。復合電刷鍍可強化模具型腔表面，也可用于修復模具型腔表面。研究發(fā)現(xiàn)，在模具型腔表面刷鍍非晶態(tài)鍍層（0.01～0.02mm），可延長壽命0.5～1.0倍。復合鍍層中可加入微粒的品種較多，且參數(shù)調整范圍較寬，可操作性強，充分體現(xiàn)出鍍層的多樣性和綜合性。大連理工大學的于同敏、劉貴昌等將Ni－P－PTFE復合鍍用于UPVC管件模具表面強化，解決UPVC材料對模具表面的腐蝕有明顯效果，達到模具成型表面耐磨耐腐蝕等綜合性能要求，但其硬度稍低。為此哈爾濱工業(yè)大學的范會玉在Ni－P的基礎上，將PTFE與SiC微粒復合，應用在玻璃纖維增強的塑料成型模具中，實踐表明可使其壽命提高10倍左右。

1.4 PVD、CVD、PCVD表面鍍膜技術

鍍膜技術也就是氣相沉積技術，是將具有特殊性能的穩(wěn)定化合物沉積于模具工作零件表面，形成超硬鍍膜，使模具工作零件具有優(yōu)異性能。工業(yè)中使用頻率較高的穩(wěn)定化合物主要有TiC、TiN、SiN等。

物理氣相沉積（PVD）是用物理方法使鍍膜材料汽化后在基體表面沉積成覆蓋層的實用技術。該技術在20世紀初開始應用，在最近30年發(fā)展迅速，成為了一門具有廣闊應用前景的新技術，并逐漸向環(huán)保型、清潔型趨勢發(fā)展，主要用于制造精度較高的冷作模具。江西省科學

院應用物理研究所的彭文屹、張德元采用多弧離子鍍膜法對20根經(jīng)TiN涂層處理的冷擠壓凸模進行實際使用壽命試驗，發(fā)現(xiàn)其壽命提高1.5倍以上；廣州有色金屬研究院的林松盛、代明江對物理氣相沉積硬質薄膜在工模具上的應用進行了詳細研究，指出該技術能明顯提高模具的使用壽命和工件加工質量。但是PVD法也存在著諸如繞鍍性差等缺點，對形狀復雜的模具零件表面進行處理存在一定限制。

化學氣相沉積（CVD）是在900～2000℃范圍內用化學方法使氣體在基體材料表面發(fā)生化學反應并形成覆蓋層的實用技術。該技術沉積溫度高、涂層結合牢固，對模具零件表面形狀幾乎沒有要求，諸如形狀復雜或帶有槽溝及小孔的零件均可進行均勻涂覆，彌補了物理氣相沉積的相關缺陷，例如在模具表面強化中經(jīng)常使用的TiC涂層硬度高，耐磨性好，摩擦因數(shù)小，減摩性好，抗咬合性強，大幅度提高模具的使用壽命。但CVD法存在處理溫度高，仍需進行淬火處理，會導致較大變形等缺陷，因此在高精度模具的制造中此技術的使用受到一定限制。

等離子增強化學氣相沉積（PCVD）是利用輝光放電增強反應物化學活性，促進氣相間的化學反應，在低溫下沉積出優(yōu)質鍍層的實用技術，是介于CVD和PVD之間的一種處理方法。用PCVD法將涂層鍍覆在模具工作零件表面，經(jīng)實踐證明，經(jīng)濟效益非常可觀。重慶工學院的張葉成、張津對PCVD技術在模具強化中的應用進行研究，發(fā)現(xiàn)利用PCVD技術在W18Cr4V冷擠壓模具上沉積一層TiC，比無沉積膜層的模具壽命提高10倍以上；將PCVD法用于塑料制品模具上可提高模具壽命1～4倍。北京航空航天大學的陶冶教授籌建了PCVD表面強化技術研究實驗室，自行設計制造了試驗設備和輔助配套設施，并及時得到了自然科學基金的資助。項目組研制了基于PCVD復合滲鍍法的模具表面強化技術，具有工藝溫度低、均鍍性好和鍍層結合力高等優(yōu)點，適用于所有高溫回火模具和部分低溫回火模具的制備，是目前唯一一種既適用于刀具強化又適用于形狀復

雜的模具表面強化的氣相沉積表面強化技術。由此可見，PCVD技術在模具零件強化領域中的應用已經(jīng)有所成就，

并且應用前景非常廣闊。

1.5 高能束流強化技術

高能束流強化技術具有非接觸、精確可控、材料適應性廣、柔性強、質量優(yōu)、資源節(jié)約和環(huán)境友好等綜合優(yōu)勢，既可用于大批量高效自動化生產(chǎn)，又適用于多品種、小批量加工，甚至個性化產(chǎn)品的訂制，是模具制造業(yè)中不可缺少的重要技術。其中，離子注入技術以其幾乎完美的強化效果在冷作模具、熱作模具和塑料模具等領域中得到廣泛應用，其平均壽命一般可提高2～10倍。有重大應用價值。

2、表面強化技術在模具制造中的應用前景展望

根據(jù)研究，稀土元素可以強化表面，提高滲速，凈化穩(wěn)定晶界，同時改善模具零件表面組織、物理化學性能和機械加工性能。把稀土元素應用在復合表面強化技術過程中，可獲得更加明顯的效果。如在Ni－Cu－P－MoS2鍍層中加入稀土，可使模具型腔面的耐磨壽命延長近5倍。除此之外，稀土元素在化學沉積、電沉積、噴涂和激光涂覆等方面都具有明顯的改善作用，但效果尚不十分穩(wěn)定，可見稀土元素應用于模具制造將是今后研究的重要方向。

隨著納米技術的飛速發(fā)展，其在提高模具的生產(chǎn)率和壽命方面效果顯著。但該技術還存在許多不完善的地方，尚有許多工作要做，如：復雜的模具型腔表面涂層不均勻、沉積參數(shù)不明確、針對模具零件表面強化機理未明等問題。

3、結論

模具工作零件表面強化技術可以在一定程度上彌補目前模具材料的一些不足，并已顯現(xiàn)出極強的發(fā)展?jié)摿Γ湍壳暗哪＞吡慵砻鎻娀夹g而言，仍存在一些不足，其應用也受到一定限制，只要注重研究開發(fā)，一定會加快和完善表面強化技術在模具制造過程中的應用。