模具涂层的远景方向

彼岸花开

本文研究了在模具工作元件上涂覆强化涂层的各种方法：离子—等离子法、离子注入、等离子化学注入、爆炸喷涂。评估了这些方法对提高模具耐用度的影响。确定了爆炸喷涂法是最有前景的涂覆方法。
[主题词]强化涂层 离子注入 爆炸喷涂
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% U) p/ B# N$ J$ F8 l5 a9 A提高模具耐用度的远景方向是用离子注入法和爆炸喷涂法在模具工件元件上涂覆强化涂层。本文就国内外对这两种涂覆法在模具上的应用作一介绍，以供参考。
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1 离子注入法
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' r' \+ Z4 K  X, F& G离子注入（Ion implantatin)就是将工件放在离子机的真空靶室中，在几十至几百kV的电压下，把所需元素的离子注入到工件表面，以改善模具工作元件的耐磨性的一种技术，我国从79年开始相继进行离子注入的试验形容，包括理论研究、实验室研究和工业性应用试验等。
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近来，真空-等离子工艺的新方向-离子注入在国外亦不断发展。离子注入过程是借助高能量的离子束将任意元素注入固体表面层内（离子能量由若干kev至10Mev），最通常的离子注入可用来提高材料的耐磨性各耐蚀性。离子注入是通过形成强化层提高材料的耐磨性，与基体是扩散联接，无明显分界面。强化层的厚度显著超过离子行程的深度（当离子能量为0.1Mev时，层厚0.1μm）。

同样，在真空中离子-等离子涂覆涂层是最有效过程，因获得的层厚可用微米测量，且涂层是高强度、高耐磨性、高硬度和高塑性的新材料。但是，获得的涂层与基体是粘除联接，而不是扩散联接。
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这样，最有前景的方法是离子注入与离子-等离子涂覆工艺相结合。因此，真空离子-等离子涂覆工艺相结合。因此，真空离子-等离子涂覆法将演变成等离子化学注入法。它有下列主要优点：1）深的气体扩散（根据炉底板温度，可从0.005mm至0.3mm）。2）被蒸发的金属可扩散到基体表面层内（根据炉底板温度，可从0.005mm至0.3mm）。3）在基体材料内可获得组织过渡层，从而可在其上涂覆给定性能和特殊性能的涂层。

' Z# R3 z9 U+ B/ {! ]研制等离子化学注入法的先决条件是下列原则。在利用真空离子-等离子法涂覆涂层时，当“激活区”的面积恒定时热流通功率可按下式确定：M=U基I
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式中 U基——基准电压；I——离子电流。
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. ~; z5 `/ h3 G9 a4 O7 a, _+ H对表面状态影响最大的是离子流的动能：W=（1/Z）ε
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式中Z——平均放电倍数；ε——离子流的平均能量。

! k* P" ~! L7 z$ I. S6 D# D在真空-等离子工艺中最常用材料的等离子流的离子组分的参数列于下表：
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材料	原子量	平均放电倍数	离子化程度	离子束内离子的平均能量ev	离子电流A
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钛	47.90	2.05	50	75.93	2.0
锆	91.92	2.33	50	93.24	2.3
钼	95.94	2.35	90	151.56	4.5

8 M1 D- y0 H3 p- F将上述数值代入公式，并按公式计算后可确定，钼离子的动能和热流功率分别较钛离子大3倍和1倍。被蒸发金属的离子化程度愈大，则离子流的密度愈大。

将热处理后的Cr12MoV钢试样和经钛离子和铬离子（其活化能分别为113.13kJ/mol和129.89kJ/mol）轰击的同样试样，进行静弯曲比较试验，结果表明在第二种情况，不中断真空过程，而进行涂覆涂层。
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离子-等离子涂覆工艺过程是一个多参数过程。其中每个参数（或者各种参数的结合）均影响到涂层的基本成分、组织和性能。分析离子等离子过程各参数间的定量关系，可定向改变上述这些性能，最终可控制被强化工件的工作能力。例如，仅改变一个参数如真空室内的压力，这时在沉积多层和单层氮化基础课基涂层时可按氮化物数量改变相成分：在单层涂层内钛和氮化物的平均含量分别为15%和85%，在多层涂层内分别为47%和54%。

7 h  ^4 z9 e9 f- L4 F单层涂层因厚度和硬度较大，故具有显著的脆性，并可能由于工作时振动和冲击而破坏。多层涂层的强度特性符合金属冲压加工的条件，但带这种涂层的模具其耐用度可能低于单层涂层的模具。因为多层涂层的单一硬度往往较单层涂层的耐磨层薄，并且配置在软相上。

' d0 I. S, m6 x因此，必须研制获得较大密度的单层涂层。
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为此目的，研究了当真空室内的压力P不同时，涂层厚度与基准电压U基值的变化关系。已确定，起初提高基准电压时，涂层厚度在真空室内任意压力下均被增大。并且当U基=100～150V时其过到最大值。进一步提高基准电压时，涂层厚度逐渐减小，且真空压力P愈低。例如，当P=10-3Pa时，就是在U基=400V时未形成涂层，而当U基>400V时将产生表面的溅射。类似过程还产生在P=10-2Pa和10-1Pa时。但是，表面溅射产生在U基=670～700V时和U基>1600C时。
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6 Z6 |/ `* X; ]; x$ b7 Y3 E) F获得的涂层厚度与基准电压和真空室内压力的关系，可研制原理新的多层涂层涂覆工艺。变种涂层具有稳定的特殊性能。用新法获得的氮化钛基涂层是由100个特薄硬度的交替层组成的结构。涂层的化学成分由7～9%α-Ti和93～91%γ-Ti组成，6.18g/cm3，显微硬度为37GPa左右。这种涂层被涂在模具的成形元件上可提高耐磨性1.1～1.4倍。

1 F7 Q" `1 _; r! L5 K/ e! Y8 x这样，离子注入与真空离子-等离子涂覆相结合，将演变成等离子化学注入过程。它可提高模具成形元件的耐磨性、强度各耐蚀性。

2 爆炸喷涂法
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爆炸喷涂是50年代美国联合碳合物公司（UCAR）发明的一项技术。其特点是适用涂料成分范围宽，涂层质优。爆炸喷涂是利用气体爆燃产生的冲击波能量进行喷涂的一种新技术。我国航空工业和其它工业部门研究单位对爆炸喷涂设备和工艺已有研究和应用。北京长城钛合金公司与乌克兰科学院材料科学研究所合作，已在国内国民经济各部门有了初步应用，并取得成功。如航空发动机叶片各其它零件，冶金工业中的各种轧辊等。

% m& p$ x* V  T, C模具的工作元件一般由工具钢T8、T10、rWMn、Cr12MoV等制造。这些工具钢的主要缺点是：在热处理时表面野脱碳，零件各截面的性能各向异性，形成白点的敏感性高，有回火脆性倾向，成本较高。大多数缺点可采用爆炸喷涂法喷涂模具成形元件的工作表面来克服。
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制造模具工作元件的远景材料是：优质碳素钢45钢、低合金结构钢40Cr。必须指出，40Cr钢具有白点形成敏感性，有回火脆性倾向，但这些缺点与高合金模具钢相比明显小。此外，由于40Cr钢的淬透性较好，故可保证在零件所有截面内足够高的机械特性。40Cr钢的淬透性较好，故可保证在零件所有截面内足够高的机械特性。40Cr钢和45Cr的耐磨性相当低，但可通过爆炸喷涂法来提高。

在拉伸模、弯曲模、成形模的凹模内，最危险处是所谓过拉刃口。这是由于高接触应力的作用（对含碳量0.06%的钢将达300MPa）和在该载荷下金属沿凹模表面移动（滑动）造成的。

, d5 R' n1 S' [6 p" j) P在分离模工作元件的切削刃上引起的载荷，直接与被冲裁材料的强度及其厚有关。计算表明：被冲裁材料的厚度约每增加0.25mm，凸模刃口上的应力将增加（0.030.05)σs。这种情况显著限制了爆炸喷涂法在强化分离模切削刃口上的应用。
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1 C/ u+ g6 p$ Q2 R从模具工作表面上的作用载荷观点，确定了爆炸喷涂的涂层必须的特性：1）对拉伸模、弯曲模和成形模：硬度不低于50N，粘附强度不低于100MPa，这时涂层的抗剪强度约为250MPa，从而大于切向应力2倍以上；涂层厚度为150～250μm，涂层应耐磨，抗接触疲劳性好，滑动磨擦系数小（0.15以下）。2）对分离模：涂层硬度不小于800N，粘附强度不低于200MPa，这时抗剪强度τ=500MPa，涂层厚度为200～300μm，涂层应具有高耐磨性和耐机械冲击性。
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在所需工作特性的基础了，确定了最有前景的爆炸喷涂的涂层材料：
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: |& A- X) k. O2 F对拉伸、弯曲模和成形模是：Ni、Cr、B、NTi、钴铬钨钼合金以及NiAl型金属间化合物基材料。
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5 P* X3 x6 Y: W分离模是：带YG10、YG20金属粘结剂的WC和Cr3C2型难熔碳化物基材料。

9 q9 `( Z. u' Y* N7 n1 `8 C3 B这些材料可保证最大的硬度值、粘附强度值，且残余应力水平最小，大多是压应力。

在修订爆炸喷涂的规范时，预先对喷射规范进行了优化，并试验性的选择不同涂覆规范。作为优化准则是：涂层的粘附强度、硬度、一次喷出的层进厚和粉末利用系数。

9 w0 T( O; ?8 \4 g0 k: r分析爆炸喷涂的涂层试验结果表明：1）所有试验涂层的硬度均对模具提出的要求；2）粘附强度和疲劳强度较好的是：Ni、Cr、B、NTi基涂层；3）当载荷P=0.75Pmax时最小滑动磨擦系数的涂层是NiAl型金属间化合物基涂层，而当P=Pmax=300MPa时是Ni、Cr、B、NTi基涂层。

9 m& v  T7 U, I4 ?综合评估使用性能表明，在金属涂层中最佳强化涂层是Ni、Cr、B、NTi基材料。采用爆炸喷涂法强化模具的工作元件，其工作表面的耐用度可提高0.5～1倍，拉伸力可降低10%～15%，且可用廉价结构替代昂贵的工具钢。