模具制造領(lǐng)域中的表面工程技術(shù)應(yīng)用綜述及展望
關(guān)鍵詞：模具制造；表面工程技術(shù)；稀土表面工程；納米表面工程
引言
國(guó)際模具協(xié)會(huì)專(zhuān)家認(rèn)為：模具是金屬加工業(yè)的帝王。而模具材料又是模具工業(yè)的基礎(chǔ)。但即使是新型模具材料仍難以滿足模具的較高綜合性能的要求。表面工程是當(dāng)前材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中表現(xiàn)較為活躍、發(fā)展較為迅速的分支。表面工
程具有學(xué)科的綜合性，手段的多樣性，廣泛的功能性，潛在的創(chuàng)新性，環(huán)境的保護(hù)性，很強(qiáng)的實(shí)用性和巨大的增效性，因而受到各行各業(yè)的重視。表面工程技術(shù)在模具制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，在很大程度上彌補(bǔ)了模具材料的不足。
可用于模具制造的表面工程技術(shù)十分廣泛，既包括傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、堆焊技術(shù)和電鍍硬鉻技術(shù)，又包括近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的激光表面強(qiáng)化技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)（PVD）、化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVC）、離子注入技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、熱噴焊技術(shù)、復(fù)合電鍍技術(shù)、復(fù)合電刷鍍技術(shù)和化學(xué)鍍技術(shù)等。而稀土表面工程技術(shù)的進(jìn)展和納米表面工程技術(shù)的興起必將進(jìn)一步推動(dòng)模具制造的表面工程技術(shù)的發(fā)展。表面工程技術(shù)應(yīng)用于模具型腔表面處理，可達(dá)到如下目的：
（1）提高模具型腔表面硬度、耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性能，大幅度提高模具的使用壽命。提高模具型腔表面抗擦傷能力和脫模能力，從而提高生產(chǎn)率。
（2）經(jīng)表面涂層或合金化處理過(guò)的碳素工具鋼或低合金鋼，其綜合性能可達(dá)到甚至超過(guò)高合金化模具材料及硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)，從而可大幅度降低材料成本。
（3）可以簡(jiǎn)化模具制造加工工藝和熱處理工藝，降低生產(chǎn)成本。
（4）可用于模具型腔表面的紋飾，以提高制品的檔次和附加值。
（5）可用于模具的修復(fù)等再制造工程。
1 熱擴(kuò)滲技術(shù)
熱擴(kuò)滲技術(shù)是用加熱擴(kuò)散的方式使欲滲金屬或非金屬元素滲入金屬材料或工件的表面，從而形成表面合金層的工藝。其突出特點(diǎn)是擴(kuò)滲層與基材之間是靠形成合金來(lái)結(jié)合的，具有很高的結(jié)合強(qiáng)度，這是其它涂層方法如電鍍、噴鍍、化學(xué)鍍、甚至物理氣相沉積技術(shù)所無(wú)法比擬的。常用于熱擴(kuò)滲的合金元素包括碳、氮、硅、硼、鋁、釩、鈦、鎢、鈮、硫等。上述元素都已在不同程度上應(yīng)用于各類(lèi)模具型腔表面的強(qiáng)化。隨著熱擴(kuò)滲技術(shù)的不斷發(fā)展，二元乃至多元共滲工藝在模具表面強(qiáng)化中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。對(duì)不同滲入元素或不同模具種類(lèi)而言，最佳滲入工藝也不盡相同，這里介紹在模具表面強(qiáng)化中應(yīng)用最多的幾種熱擴(kuò)滲工藝。
1.1 滲碳
滲碳具有滲速快、滲層深、滲層硬度梯度與成分梯度可方便控制、成本低等特點(diǎn)，能有效地提高材料的室溫表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度等。滲碳工藝應(yīng)用于模具表面強(qiáng)化的第一個(gè)方面是低、中碳鋼的滲碳。滲碳應(yīng)用于冷作、熱作和塑料模具上，都能提高模具壽命。對(duì)于注塑模，特別是在成形對(duì)型腔起磨粒磨損的塑料制品時(shí)，可采用20#鋼粗加工成模，進(jìn)行型腔表面滲碳，再經(jīng)過(guò)精加工拋光后投入使用，除了可以降低表面粗糙度外，模具的耐磨性也會(huì)相應(yīng)提高。又如 3Gr2W8V鋼制壓鑄模具，先滲碳再經(jīng)1140℃-1150℃淬火，550℃回火兩次，表面硬度可達(dá)58-61HRC，使壓鑄有色金屬及其合金的模具壽命提高1.8 - 3.0倍。
滲碳工藝應(yīng)用于模具表面強(qiáng)化的第二個(gè)方面是“碳化物彌散析出滲碳”，簡(jiǎn)稱(chēng)CD滲碳法。它是采用含有大量強(qiáng)碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具鋼在滲碳?xì)夥罩屑訜?，在碳原子自表面向?nèi)部擴(kuò)散的同時(shí)，滲層中會(huì)沉淀出大量彌
散合金碳化物，如（Cr·Fe）7C3、、（Fe·Cr）3C、V4C3、TiC，從而實(shí)現(xiàn)了CD滲碳。CD法滲碳層中，滲層表面含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）高達(dá)2% - 3%，彌散碳化物含量達(dá)50%以上，且碳化物呈細(xì)小均勻分布。CD 滲碳件直接淬火或重新淬火回火后可獲得很高的硬度和優(yōu)異的耐磨性。經(jīng)CD滲碳的模具心部沒(méi)有出現(xiàn)象Cr12型模具鋼和高速鋼中的粗大共晶碳化物和嚴(yán)重碳化物偏析，因而其心部韌性比Cr12MoV鋼提高3-5倍。實(shí)踐表明，CD滲碳模具的使用壽命大大超過(guò)消耗量占冷作模具鋼首位的Cr12型冷作模具鋼和高速鋼。
在對(duì)各類(lèi)模具進(jìn)行滲碳處理時(shí)，主要的滲碳工藝方法有固體粉末滲碳、氣體滲碳以及近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的真空滲碳及離子滲碳。其中，固體滲碳和氣體滲碳應(yīng)用廣泛，但真空滲碳和離子滲碳技術(shù)由于具有滲速快、滲層均勻、碳濃度梯度平緩以及工件變形等特點(diǎn)，將會(huì)在模具表面尤其是精密模具表面處理中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
1.2 氣體法低溫?zé)釘U(kuò)滲
氣體法低溫表面熱擴(kuò)滲工藝在模具的表面強(qiáng)化處理中占有十分重要的地位。其處理工藝簡(jiǎn)便，擴(kuò)滲溫度較低，能適應(yīng)冷作模具、熱作模具以及塑料模具等對(duì)型腔表面的各種要求。常用的擴(kuò)滲工藝有滲氮、軟氮化（鐵素體氮碳共滲）、氧氮共滲、硫氮共滲乃至硫碳氮、氧氮硫三元共滲等方法。
1.2.1 氣體滲氮與離子氮化工藝
將氮滲入鋼件的過(guò)程稱(chēng)為鋼的氮化或滲氮。氮化層的硬度高950-1200HV），耐磨性、疲勞強(qiáng)度、紅硬性及抗咬合性均優(yōu)于滲碳層。由于氮化溫度低（一般為480℃-600℃），工件變形很小，尤其適應(yīng)一些精密模具的表面強(qiáng)化。例如，3Cr2W8V鋼壓鑄模、擠壓模等經(jīng)調(diào)質(zhì)并在520℃-540℃氮化后，使用壽命較不氮化的模具提高2-3倍。又如，從德國(guó)引進(jìn)的熱沖模經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)其表面約有140μm的滲氮層。美國(guó)用H13鋼制作的壓鑄模具，不少都要進(jìn)行氮化處理，且以滲氮代替一次回火，表面硬度高達(dá)65-70HRC，而模具心部硬度較低，韌性好，從而獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。
氣體氮化法是采用最為廣泛的滲氮工藝。離子氮化法是為解決氣體氮化工藝工效低、時(shí)間長(zhǎng)而發(fā)展起來(lái)的工藝，其特點(diǎn)是滲氮速度快、滲層成分及其梯度易控制、節(jié)能、省氣、滲層質(zhì)量好、工作環(huán)境好等。
1.2.2 氣體軟氮化（鐵素體氮碳共滲）
軟氮化是將鋼件在570℃左右加熱，以尿素或氨氣或醇類(lèi)裂化氣為滲劑，向鋼內(nèi)同時(shí)擴(kuò)滲碳、氮原子的熱擴(kuò)滲工藝。氣體軟氮化比氣體氮化滲速快、所需費(fèi)用低，將其應(yīng)用于冷、熱作模具鋼，可提高模具的耐磨性、抗高溫氧化性和抗粘著性。
2 熱噴涂與噴焊技術(shù)
2.1 熱噴涂技術(shù)
熱噴涂技術(shù)是將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，用高速氣流將其霧化、加速，使其以高速噴射到工件表面，形成耐磨、耐蝕以及抗高溫氧化等特殊性能涂層的表面涂層方法。按加熱噴涂材料的熱源種類(lèi)來(lái)劃分，主要有燃?xì)夥ā㈦姎夥ê透吣苁訜岱ㄈ?lèi)。熱噴涂層由于不致密，與基材結(jié)合強(qiáng)度不高，在模具表面強(qiáng)化中難以發(fā)揮作用，于是涂層重熔使之與基材形成冶金結(jié)合、降低氣孔率工藝的熱噴焊就應(yīng)運(yùn)而生。
2.2 熱噴焊技術(shù)
熱噴焊工藝特別是氧乙炔火焰噴焊工藝簡(jiǎn)便，設(shè)備投資少，便于推廣，廣泛應(yīng)用于模具表面的強(qiáng)化，提高耐蝕性、耐磨性和延長(zhǎng)使用壽命，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
3 氣相沉積技術(shù)
氣相沉積技術(shù)按照成膜機(jī)理，可分為化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）兩大類(lèi)。
3.1 物理氣相沉積
在真空條件下，以各種物理方法產(chǎn)生的原子或分子沉積在基材上，形成薄膜或涂層的過(guò)程稱(chēng)為物理氣相沉積。按照沉積時(shí)物理機(jī)制的差別分為真空蒸鍍（VE）、真空濺射(VS）和離子鍍（IP）三種類(lèi)型。其中采用多弧離子鍍膜方法鍍覆TiN、TiC 耐磨涂層已在工模具表面強(qiáng)化方面取得了廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用。
3.2 化學(xué)氣相沉積
化學(xué)氣相沉積是采用含有膜層中各元素的揮發(fā)性化合物或單質(zhì)蒸氣，在熱基體表面產(chǎn)生氣相化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物形成沉積涂層的一種表面技術(shù)。該技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用，特別是一些如氮化物、碳化物、金剛石和類(lèi)金剛石等
超硬膜的沉積，大大提高了如模具等工件的耐磨、耐蝕性。
4 復(fù)合電鍍技術(shù)
電鍍層的應(yīng)用，主要是在防蝕與裝飾方面。復(fù)合電鍍層的出現(xiàn)，為解決高溫腐蝕、高溫強(qiáng)度和磨損，提供了一種很有前途的方法。采用復(fù)合電鍍，可以制備各類(lèi)耐磨鍍層。如采用基質(zhì)金屬———金剛石顆粒的復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層，用于工模具表面具有良好的耐磨性。近年來(lái)，為了提高復(fù)合鍍層的耐磨性，采取了如下措施：
（1）采用合金鍍層，包括Ni-Co、Ni-Mn、Ni-Fe、Ni-P鍍層等，代替單金屬鍍層，以較大幅度地提高模具表面的硬度。
（2）采用硬Cr層作為基質(zhì)金屬，可比純Cr層耐磨性提高1- 3倍。
（3）采用聚四氟乙烯（PJFE）作為共沉積微粒制備的Ni-PJFE復(fù)合鍍層常用于橡膠模和注塑模的脫模鍍層。在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果表明Ni-PJFE復(fù)合鍍層的磨損量是硬Cr層的1/10，光亮Ni層的1/50左右。
5 復(fù)合電刷鍍技術(shù)
采用鎳、鈷、二氧化鋯復(fù)合電刷鍍液，使處理的模具型腔表面耐磨性大為提高，并有較高的硬度，鍍層表面比較理想，與本體結(jié)合力強(qiáng)，經(jīng)拋光后達(dá)到鏡面，成本低，應(yīng)用廣泛。針對(duì)熱鍛模具、沖壓模具、注射模具用量大、制造周期長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn)，利用復(fù)合電刷鍍不僅可強(qiáng)化模具型腔表面，還可修復(fù)型腔面（屬再制造工程），從而延長(zhǎng)模具壽命。如在模具型腔表面刷鍍0.01-0.02mm的非晶態(tài)鍍層，可使壽命延長(zhǎng)20%-100%。
6 化學(xué)鍍技術(shù)
化學(xué)鍍的均鍍能力強(qiáng)，由于沒(méi)有外電源，沒(méi)有電流密度的影響，鍍層可在形狀復(fù)雜的模具型腔基材表面均勻沉積。特別是化學(xué)鍍Ni-P層，其硬度可達(dá)1000HV，已接近一些硬質(zhì)合金的硬度，而且具有相當(dāng)高的耐磨能力。Ni-P鍍層無(wú)疑會(huì)在模具型腔表面強(qiáng)化中發(fā)揮作用。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，化學(xué)鍍Ni-P層目前已用于鋅壓鑄模、注塑模等模具，起到了良好的強(qiáng)化作用，提高了模具的壽命。
7 高能束技術(shù)
激光束、離子束、電子束是三大高能束。由于它們的能量密度極高，對(duì)材料表面進(jìn)行加熱時(shí)，加熱速度極快，整個(gè)基體的溫度在加熱過(guò)程中基本不受影響。這樣對(duì)處理件的形狀、性能等也不產(chǎn)生影響。因此采用這三大高能束對(duì)模具型腔進(jìn)行表面改性，正引起了人們的關(guān)注。如利用激光材料表面強(qiáng)化技術(shù)（包括激光相變硬化（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基合金涂層等，可得無(wú)氣孔的致密熔覆層，降低模具型腔表面粗糙度，大大減小磨損。
8 稀土表面工程技術(shù)
稀土表面工程技術(shù)中極少有直接使用純稀土金屬的，絕大多數(shù)使用稀土化合物，最常見(jiàn)的幾種化合物有CeO2、La2o3、LaF3、CeF3、CeS2、Y2O3及稀土硅鐵等。表面工程中加入稀土元素通常采用化學(xué)熱處理、噴涂、電沉積、氣相沉積和激光涂覆等方法。
稀土元素對(duì)化學(xué)熱處理的影響主要表現(xiàn)為有顯著的催滲作用，大大優(yōu)化工藝過(guò)程；加入少量稀土化合物，滲層深度可以明顯增加；改善滲層組織和性能。從而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高溫氧化性和抗沖擊磨損性。
利用熱噴涂和噴焊技術(shù)，將稀土元素加入涂層，可取得良好的組織與性能，使模具型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。
物理氣相沉積膜層性能的優(yōu)劣和膜與基體結(jié)合強(qiáng)度大小密切相關(guān)，稀土元素的加入有利于改善膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，膜層表面致密度明顯增大。同時(shí)，加入稀土元素可以使膜層耐磨性能也得到明顯改善，例如應(yīng)用于模具型腔表面的超硬TiN膜（加入稀土元素），使模具型表面呈現(xiàn)出高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，提高了模具的使用壽命。
含稀土化合物的涂覆層，可大幅度提高模具金屬材料表面對(duì)激光輻照能量的吸收率，對(duì)降低能耗和生產(chǎn)成本，以及推廣激光表面工程技術(shù)都有重要意義。稀土涂覆層經(jīng)激光處理后，組織和性能發(fā)生明顯改善，涂覆層的硬度和耐磨性顯著
提高，耐磨性是45#鋼調(diào)質(zhì)的5-6倍。對(duì)加入CeO2的熱噴涂層進(jìn)行激光重熔，研究發(fā)現(xiàn)合金化層的顯微組織明顯改變，晶粒得到細(xì)化。激光重熔加入稀土后的噴焊合金，稀土化合物質(zhì)點(diǎn)在其中彌散強(qiáng)化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蝕性能，模具型腔表面的耐磨性也大大增強(qiáng)，有的文獻(xiàn)報(bào)道稀土元素提高了耐磨性達(dá)1-4倍。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，加入混合稀土化合物的效果優(yōu)于單一稀土化合物。
把稀土元素加入鍍層可采用電刷鍍、電鍍等電沉積方法。稀土甘氮酸配合物的加入使鍍層防氧鈍化壽命明顯提高；稀土元素有催化還原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2電刷鍍鍍層中MoS2的氧化，明顯改善了鍍層的減摩性能，提高了抗腐蝕的能力，使模具型腔表面的耐磨壽命延長(zhǎng)近5倍。
9 納米表面工程技術(shù)展望
納米表面工程是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎(chǔ)，通過(guò)特定的加工技術(shù)、加工手段，對(duì)固體表面進(jìn)行強(qiáng)化、改性、超精細(xì)加工，或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。因其以具有許多特質(zhì)的低維非平衡材料為基礎(chǔ)，它的研究和發(fā)展將產(chǎn)生具有力、熱、聲、光、電、磁等性能的許多低維度、小尺寸、功能化表面。與傳統(tǒng)表面工程相比，納米表面工程取決于基體性能和功能的因素被弱化，表面處理、改性和加工的自由度擴(kuò)大，表面加工技術(shù)的作用將更加突出。傳統(tǒng)材料表面的低維化材料生長(zhǎng)、組裝，以及利用低維化材料對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行表面超精加工是納米表面工程的主體技術(shù)。納米表面工程技術(shù)是極具應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力的。據(jù)德國(guó)科技部統(tǒng)計(jì)，在2000年材料表面的納米薄膜器件組裝和超精度加工的市場(chǎng)容量接近6000億美元。
9.1 制作納米復(fù)合鍍層
在傳統(tǒng)的電鍍液中加入零維或一維納米質(zhì)點(diǎn)粉體材料可形成納米復(fù)合鍍層。用于模具的Cr-DNP納米復(fù)合鍍層，可使模具壽命延長(zhǎng)、精度持久不變，長(zhǎng)時(shí)間使用鍍層光滑無(wú)裂紋。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復(fù)合鍍層。如將n-ZrO2納米粉體材料加入Ni-W-B非晶態(tài)復(fù)合鍍層，可提高鍍層在 550-850℃的高溫抗氧化性能，使鍍層的耐蝕性提高2-3倍，耐磨性和硬度也都明顯提高。采用Co-DNP納米復(fù)合鍍層，在500℃以上，與Ni基、 Cr基、Co基復(fù)合鍍層相比，工件表面的高溫耐磨性能大為提高。在傳統(tǒng)的電刷鍍?nèi)芤褐?，加入納米粉體材料，也可制備出性能優(yōu)異的納米復(fù)合鍍層。
9.2 制作納米結(jié)構(gòu)涂層
熱噴涂技術(shù)是制作納米結(jié)構(gòu)涂層的一種極有競(jìng)爭(zhēng)力的方法。與其它技術(shù)相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡(jiǎn)單，涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大，沉積速率快，以及容易形成復(fù)合涂層等等。與傳統(tǒng)熱噴涂涂層相比，納米結(jié)構(gòu)涂層在強(qiáng)度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面都有顯著改善，且一種涂層可同時(shí)具有上述多種性能。
筆者認(rèn)為納米表面工程技術(shù)必將在精密模具型腔表面處理中發(fā)揮作用。
10 結(jié)束語(yǔ)
了解各種表面工程技術(shù)的特點(diǎn)是合理選擇模具型腔表面處理工藝的基礎(chǔ)。模具表面改性技術(shù)的選擇是一項(xiàng)復(fù)雜的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)者不僅要具備扎實(shí)的材料專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還必須具備諸如失效分析、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，同時(shí)還必須具備較強(qiáng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和綜合分析的能力。另外，表面改性工藝選擇中還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)原則，盡量選擇既能滿足性能指標(biāo)要求又成本合宜的方法。總之，工藝技術(shù)選擇必須從實(shí)際出發(fā)，以實(shí)際驗(yàn)證為標(biāo)準(zhǔn)。