模具制造领域中的表面工程技术应用综述及展望

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模具制造领域中的表面工程技术应用综述及展望
6 h( J4 Q) t  G+ Z  ~3 e摘要：扼要综述了在模具制造领域中应用较为广泛的几类表面工程技术，并对其性能指标和经济性作了比较。介绍了稀土表面工程技术在模具制造中的应用进展。对纳米表面工程技术在模具制造中的应用作了展望。
% |2 a/ G: v. ^. k关键词：模具制造；表面工程技术；稀土表面工程；纳米表面工程

引言
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& ~4 T  c0 W- ^1 s& h/ o国际模具协会专家认为：模具是金属加工业的帝王。而模具材料又是模具工业的基础。但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求。表面工程是当前材料科学与工程领域中表现较为活跃、发展较为迅速的分支。表面工
程具有学科的综合性，手段的多样性，广泛的功能性，潜在的创新性，环境的保护性，很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。表面工程技术在模具制造领域中的应用，在很大程度上弥补了模具材料的不足。
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# `& R  y3 j, s+ Q  L+ [6 T  G9 ^可用于模具制造的表面工程技术十分广泛，既包括传统的表面淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术，又包括近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术（PVD）、化学气相沉积技术（CVC）、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。而稀土表面工程技术的进展和纳米表面工程技术的兴起必将进一步推动模具制造的表面工程技术的发展。表面工程技术应用于模具型腔表面处理，可达到如下目的：

（1）提高模具型腔表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能，大幅度提高模具的使用寿命。提高模具型腔表面抗擦伤能力和脱模能力，从而提高生产率。

5 x, T/ l4 z! J* h& q4 M（2）经表面涂层或合金化处理过的碳素工具钢或低合金钢，其综合性能可达到甚至超过高合金化模具材料及硬质合金的性能指标，从而可大幅度降低材料成本。
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（3）可以简化模具制造加工工艺和热处理工艺，降低生产成本。

（4）可用于模具型腔表面的纹饰，以提高制品的档次和附加值。
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5 k$ _; P: \* B- Q* @（5）可用于模具的修复等再制造工程。

0 E0 l7 z. k* O1 热扩渗技术
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热扩渗技术是用加热扩散的方式使欲渗金属或非金属元素渗入金属材料或工件的表面，从而形成表面合金层的工艺。其突出特点是扩渗层与基材之间是靠形成合金来结合的，具有很高的结合强度，这是其它涂层方法如电镀、喷镀、化学镀、甚至物理气相沉积技术所无法比拟的。常用于热扩渗的合金元素包括碳、氮、硅、硼、铝、钒、钛、钨、铌、硫等。上述元素都已在不同程度上应用于各类模具型腔表面的强化。随着热扩渗技术的不断发展，二元乃至多元共渗工艺在模具表面强化中发挥越来越大的作用。对不同渗入元素或不同模具种类而言，最佳渗入工艺也不尽相同，这里介绍在模具表面强化中应用最多的几种热扩渗工艺。

2 Q* A/ O2 p$ V+ U/ h7 V* Z1.1 渗碳

渗碳具有渗速快、渗层深、渗层硬度梯度与成分梯度可方便控制、成本低等特点，能有效地提高材料的室温表面硬度、耐磨性和疲劳强度等。渗碳工艺应用于模具表面强化的第一个方面是低、中碳钢的渗碳。渗碳应用于冷作、热作和塑料模具上，都能提高模具寿命。对于注塑模，特别是在成形对型腔起磨粒磨损的塑料制品时，可采用20#钢粗加工成模，进行型腔表面渗碳，再经过精加工抛光后投入使用，除了可以降低表面粗糙度外，模具的耐磨性也会相应提高。又如3Gr2W8V钢制压铸模具，先渗碳再经1140℃-1150℃淬火，550℃回火两次，表面硬度可达58-61HRC，使压铸有色金属及其合金的模具寿命提高1.8 - 3.0倍。

渗碳工艺应用于模具表面强化的第二个方面是“碳化物弥散析出渗碳”，简称CD渗碳法。它是采用含有大量强碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具钢在渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时，渗层中会沉淀出大量弥
散合金碳化物，如（Cr·Fe）7C3、、（Fe·Cr）3C、V4C3、TiC，从而实现了CD渗碳。CD法渗碳层中，渗层表面含碳量（质量分数，下同）高达2% - 3%，弥散碳化物含量达50%以上，且碳化物呈细小均匀分布。CD 渗碳件直接淬火或重新淬火回火后可获得很高的硬度和优异的耐磨性。经CD渗碳的模具心部没有出现象Cr12型模具钢和高速钢中的粗大共晶碳化物和严重碳化物偏析，因而其心部韧性比Cr12MoV钢提高3-5倍。实践表明，CD渗碳模具的使用寿命大大超过消耗量占冷作模具钢首位的Cr12型冷作模具钢和高速钢。

0 P9 Y# E) }% i- {在对各类模具进行渗碳处理时，主要的渗碳工艺方法有固体粉末渗碳、气体渗碳以及近20年来迅速发展起来的真空渗碳及离子渗碳。其中，固体渗碳和气体渗碳应用广泛，但真空渗碳和离子渗碳技术由于具有渗速快、渗层均匀、碳浓度梯度平缓以及工件变形等特点，将会在模具表面尤其是精密模具表面处理中发挥越来越重要的作用。
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1 v7 U, z# h; F6 L4 H3 Z9 _7 u1.2 气体法低温热扩渗

9 W) Z; L3 U9 ^气体法低温表面热扩渗工艺在模具的表面强化处理中占有十分重要的地位。其处理工艺简便，扩渗温度较低，能适应冷作模具、热作模具以及塑料模具等对型腔表面的各种要求。常用的扩渗工艺有渗氮、软氮化（铁素体氮碳共渗）、氧氮共渗、硫氮共渗乃至硫碳氮、氧氮硫三元共渗等方法。
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1.2.1 气体渗氮与离子氮化工艺

" V8 D# P: W8 {8 I& g7 b将氮渗入钢件的过程称为钢的氮化或渗氮。氮化层的硬度高950-1200HV），耐磨性、疲劳强度、红硬性及抗咬合性均优于渗碳层。由于氮化温度低（一般为480℃-600℃），工件变形很小，尤其适应一些精密模具的表面强化。例如，3Cr2W8V钢压铸模、挤压模等经调质并在520℃-540℃氮化后，使用寿命较不氮化的模具提高2-3倍。又如，从德国引进的热冲模经解剖分析，发现其表面约有140μm的渗氮层。美国用H13钢制作的压铸模具，不少都要进行氮化处理，且以渗氮代替一次回火，表面硬度高达65-70HRC，而模具心部硬度较低，韧性好，从而获得优良的综合力学性能。
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' X4 g( ^% P5 F$ d' ]气体氮化法是采用最为广泛的渗氮工艺。离子氮化法是为解决气体氮化工艺工效低、时间长而发展起来的工艺，其特点是渗氮速度快、渗层成分及其梯度易控制、节能、省气、渗层质量好、工作环境好等。

1.2.2 气体软氮化（铁素体氮碳共渗）
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% b# e$ _/ q& n  ]) c+ c9 \+ I# j软氮化是将钢件在570℃左右加热，以尿素或氨气或醇类裂化气为渗剂，向钢内同时扩渗碳、氮原子的热扩渗工艺。气体软氮化比气体氮化渗速快、所需费用低，将其应用于冷、热作模具钢，可提高模具的耐磨性、抗高温氧化性和抗粘着性。
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2 热喷涂与喷焊技术

' p/ E2 M( Y) G9 N2.1 热喷涂技术

热喷涂技术是将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其以高速喷射到工件表面，形成耐磨、耐蚀以及抗高温氧化等特殊性能涂层的表面涂层方法。按加热喷涂材料的热源种类来划分，主要有燃气法、电气法和高能束加热法三类。热喷涂层由于不致密，与基材结合强度不高，在模具表面强化中难以发挥作用，于是涂层重熔使之与基材形成冶金结合、降低气孔率工艺的热喷焊就应运而生。

2.2 热喷焊技术

热喷焊工艺特别是氧乙炔火焰喷焊工艺简便，设备投资少，便于推广，广泛应用于模具表面的强化，提高耐蚀性、耐磨性和延长使用寿命，经济效益十分可观。
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3 气相沉积技术
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气相沉积技术按照成膜机理，可分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两大类。
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3.1 物理气相沉积
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; g' U; ~  I9 j' x' E% R% g在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程称为物理气相沉积。按照沉积时物理机制的差别分为真空蒸镀（VE）、真空溅射(VS）和离子镀（IP）三种类型。其中采用多弧离子镀膜方法镀覆TiN、TiC 耐磨涂层已在工模具表面强化方面取得了广泛的生产应用。
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3.2 化学气相沉积
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化学气相沉积是采用含有膜层中各元素的挥发性化合物或单质蒸气，在热基体表面产生气相化学反应，反应产物形成沉积涂层的一种表面技术。该技术在机械工业中发挥了巨大的作用，特别是一些如氮化物、碳化物、金刚石和类金刚石等
, y9 E# m+ X1 Z& h4 g: y超硬膜的沉积，大大提高了如模具等工件的耐磨、耐蚀性。
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6 E1 f9 ~4 x3 Z& k* v' z1 A4 复合电镀技术

' m# Z/ O. _4 D% h! y电镀层的应用，主要是在防蚀与装饰方面。复合电镀层的出现，为解决高温腐蚀、高温强度和磨损，提供了一种很有前途的方法。采用复合电镀，可以制备各类耐磨镀层。如采用基质金属———金刚石颗粒的复合镀层、Ni-P-SiC复合镀层，用于工模具表面具有良好的耐磨性。近年来，为了提高复合镀层的耐磨性，采取了如下措施：

! t# [7 N8 O, |8 [* k; `（1）采用合金镀层，包括Ni-Co、Ni-Mn、Ni-Fe、Ni-P镀层等，代替单金属镀层，以较大幅度地提高模具表面的硬度。
, _, O/ A/ U# q1 u$ |  J（2）采用硬Cr层作为基质金属，可比纯Cr层耐磨性提高1- 3倍。
（3）采用聚四氟乙烯（PJFE）作为共沉积微粒制备的Ni-PJFE复合镀层常用于橡胶模和注塑模的脱模镀层。在摩擦磨损试验机上的试验结果表明Ni-PJFE复合镀层的磨损量是硬Cr层的1/10，光亮Ni层的1/50左右。

5 复合电刷镀技术
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! l3 [, ?* C0 @3 [, v; g& M采用镍、钴、二氧化锆复合电刷镀液，使处理的模具型腔表面耐磨性大为提高，并有较高的硬度，镀层表面比较理想，与本体结合力强，经抛光后达到镜面，成本低，应用广泛。针对热锻模具、冲压模具、注射模具用量大、制造周期长、成本高的特点，利用复合电刷镀不仅可强化模具型腔表面，还可修复型腔面（属再制造工程），从而延长模具寿命。如在模具型腔表面刷镀0.01-0.02mm的非晶态镀层，可使寿命延长20%-100%。

0 |. x+ S. c9 n7 Q4 d6 d+ ?" P6 化学镀技术
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5 @  A2 Y, g# Y3 A化学镀的均镀能力强，由于没有外电源，没有电流密度的影响，镀层可在形状复杂的模具型腔基材表面均匀沉积。特别是化学镀Ni-P层，其硬度可达1000HV，已接近一些硬质合金的硬度，而且具有相当高的耐磨能力。Ni-P镀层无疑会在模具型腔表面强化中发挥作用。据文献报道，化学镀Ni-P层目前已用于锌压铸模、注塑模等模具，起到了良好的强化作用，提高了模具的寿命。

: [+ h) r! U5 `4 B; r. W0 S7 高能束技术

激光束、离子束、电子束是三大高能束。由于它们的能量密度极高，对材料表面进行加热时，加热速度极快，整个基体的温度在加热过程中基本不受影响。这样对处理件的形状、性能等也不产生影响。因此采用这三大高能束对模具型腔进行表面改性，正引起了人们的关注。如利用激光材料表面强化技术（包括激光相变硬化（LTH）、激光表面合金化（LC）、激光表面熔覆（LSC）等），在聚乙烯造粒模具上熔覆CO-包WC或Ni基合金涂层等，可得无气孔的致密熔覆层，降低模具型腔表面粗糙度，大大减小磨损。

: i5 ~, c) K9 g4 R# i0 P8 稀土表面工程技术
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稀土表面工程技术中极少有直接使用纯稀土金属的，绝大多数使用稀土化合物，最常见的几种化合物有CeO2、La2o3、LaF3、CeF3、CeS2、Y2O3及稀土硅铁等。表面工程中加入稀土元素通常采用化学热处理、喷涂、电沉积、气相沉积和激光涂覆等方法。
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3 u* {8 {9 n2 W& r4 X稀土元素对化学热处理的影响主要表现为有显著的催渗作用，大大优化工艺过程；加入少量稀土化合物，渗层深度可以明显增加；改善渗层组织和性能。从而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高温氧化性和抗冲击磨损性。

; z4 C% ^$ q7 i, O' G1 P# B" H8 k利用热喷涂和喷焊技术，将稀土元素加入涂层，可取得良好的组织与性能，使模具型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。
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  h# m$ B4 l% n物理气相沉积膜层性能的优劣和膜与基体结合强度大小密切相关，稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度，膜层表面致密度明显增大。同时，加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改善，例如应用于模具型腔表面的超硬TiN膜（加入稀土元素），使模具型表面呈现出高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性，提高了模具的使用寿命。

- {6 C) P. `0 U* T8 b6 s) T! K- X含稀土化合物的涂覆层，可大幅度提高模具金属材料表面对激光辐照能量的吸收率，对降低能耗和生产成本，以及推广激光表面工程技术都有重要意义。稀土涂覆层经激光处理后，组织和性能发生明显改善，涂覆层的硬度和耐磨性显著
9 z; G: p- g* j: I5 A提高，耐磨性是45#钢调质的5-6倍。对加入CeO2的热喷涂层进行激光重熔，研究发现合金化层的显微组织明显改变，晶粒得到细化。激光重熔加入稀土后的喷焊合金，稀土化合物质点在其中弥散强化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蚀性能，模具型腔表面的耐磨性也大大增强，有的文献报道稀土元素提高了耐磨性达1-4倍。另外，有研究发现，加入混合稀土化合物的效果优于单一稀土化合物。

把稀土元素加入镀层可采用电刷镀、电镀等电沉积方法。稀土甘氮酸配合物的加入使镀层防氧钝化寿命明显提高；稀土元素有催化还原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2电刷镀镀层中MoS2的氧化，明显改善了镀层的减摩性能，提高了抗腐蚀的能力，使模具型腔表面的耐磨寿命延长近5倍。
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# c; s/ S+ d  k+ s9 纳米表面工程技术展望
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纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工，或赋予表面新功能的系统工程。因其以具有许多特质的低维非平衡材料为基础，它的研究和发展将产生具有力、热、声、光、电、磁等性能的许多低维度、小尺寸、功能化表面。与传统表面工程相比，纳米表面工程取决于基体性能和功能的因素被弱化，表面处理、改性和加工的自由度扩大，表面加工技术的作用将更加突出。传统材料表面的低维化材料生长、组装，以及利用低维化材料对传统材料进行表面超精加工是纳米表面工程的主体技术。纳米表面工程技术是极具应用前景和市场潜力的。据德国科技部统计，在2000年材料表面的纳米薄膜器件组装和超精度加工的市场容量接近6000亿美元。

- v9 {/ F0 _- ^1 u8 V9.1 制作纳米复合镀层
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在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体材料可形成纳米复合镀层。用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层，可使模具寿命延长、精度持久不变，长时间使用镀层光滑无裂纹。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2纳米粉体材料加入Ni-W-B非晶态复合镀层，可提高镀层在550-850℃的高温抗氧化性能，使镀层的耐蚀性提高2-3倍，耐磨性和硬度也都明显提高。采用Co-DNP纳米复合镀层，在500℃以上，与Ni基、Cr基、Co基复合镀层相比，工件表面的高温耐磨性能大为提高。在传统的电刷镀溶液中，加入纳米粉体材料，也可制备出性能优异的纳米复合镀层。
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9.2 制作纳米结构涂层

热喷涂技术是制作纳米结构涂层的一种极有竞争力的方法。与其它技术相比，它有许多优越性：工艺简单，涂层和基体选择范围广，涂层厚度变化范围大，沉积速率快，以及容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。

3 U  c, j( w5 m" b笔者认为纳米表面工程技术必将在精密模具型腔表面处理中发挥作用。
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1 H* i% a) j8 C( q2 S/ h' h0 m了解各种表面工程技术的特点是合理选择模具型腔表面处理工艺的基础。模具表面改性技术的选择是一项复杂的工艺设计过程。设计者不仅要具备扎实的材料专业知识，还必须具备诸如失效分析、机械设计、模具设计等方面的知识，同时还必须具备较强的优化设计和综合分析的能力。另外，表面改性工艺选择中还应考虑经济原则，尽量选择既能满足性能指标要求又成本合宜的方法。总之，工艺技术选择必须从实际出发，以实际验证为标准。
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0 y+ }5 [* M, l5 f& F表1 列出了应用较为广泛的几种表面工程技术的特点和应用指标。