模具制造領域中的表面工程技術應用綜述
發布時間：2012-07-25 共2頁
摘要：扼要綜述了在模具制造領域中應用較為廣泛的幾類表面工程技術，并對其性能指標和經濟性作了比較。介紹了稀土表面工程技術在模具制造中的應用進展。對納米表面工程技術在模具制造中的應用作了展望。
關鍵詞：模具制造；表面工程技術；稀土表面工程；納米表面工程
引言
國際模具協會專家認為：模具是金屬加工業的帝王。而模具材料又是模具工業的基礎。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。表面工程是當前材料科學與工程領域中表現較為活躍、發展較為迅速的分支。表面工程具有學科的綜合性，手段的多樣性，廣泛的功能性，潛在的創新性，環境的保護性，很強的實用性和巨大的增效性，因而受到各行各業的重視。表面工程技術在模具制造領域中的應用，在很大程度上彌補了模具材料的不足。
可用于模具制造的表面工程技術十分廣泛，既包括傳統的表面淬火技術、熱擴滲技術、堆焊技術和電鍍硬鉻技術，又包括近20年來迅速發展起來的激光表面強化技術、物理氣相沉積技術（PVD）、化學氣相沉積技術（CVC）、離子注入技術、熱噴涂技術、熱噴焊技術、復合電鍍技術、復合電刷鍍技術和化學鍍技術等。而稀土表面工程技術的進展和納米表面工程技術的興起必將進一步推動模具制造的表面工程技術的發展。表面工程技術應用于模具型腔表面處理，可達到如下目的：
（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，從而提高生產率。
（2）經表面涂層或合金化處理過的碳素工具鋼或低合金鋼，其綜合性能可達到甚至超過高合金化模具材料及硬質合金的性能指標，從而可大幅度降低材料成本。
（3）可以簡化模具制造加工工藝和熱處理工藝，降低生產成本。
（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）可用于模具的修復等再制造工程。
1、熱擴滲技術
熱擴滲技術是用加熱擴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。其突出特點是擴滲層與基材之間是靠形成合金來結合的，具有很高的結合強度，這是其它涂層方法如電鍍、噴鍍、化學鍍、甚至物理氣相沉積技術所無法比擬的。常用于熱擴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用于各類模具型腔表面的強化。隨著熱擴滲技術的不斷發展，二元乃至多元共滲工藝在模具表面強化中發揮越來越大的作用。對不同滲入元素或不同模具種類而言，最佳滲入工藝也不盡相同，這里介紹在模具表面強化中應用最多的幾種熱擴滲工藝。
1.1滲碳采集者退散
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，能有效地提高材料的室溫表面硬度、耐磨性和疲勞強度等。滲碳工藝應用于模具表面強化的第一個方面是低、中碳鋼的滲碳。滲碳應用于冷作、熱作和塑料模具上，都能提高模具壽命。對于注塑模，特別是在成形對型腔起磨粒磨損的塑料制品時，可采用20#鋼粗加工成模，進行型腔表面滲碳，再經過精加工拋光后投入使用，除了可以降低表面粗糙度外，模具的耐磨性也會相應提高。又如3Gr2W8V鋼制壓鑄模具，先滲碳再經1140℃-1150℃淬火，550℃回火兩次，表面硬度可達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。
滲碳工藝應用于模具表面強化的第二個方面是“碳化物彌散析出滲碳”，簡稱CD滲碳法。它是采用含有大量強碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具鋼在滲碳氣氛中加熱，在碳原子自表面向內部擴散的同時，滲層中會沉淀出大量彌散合金碳化物，如（Cr.Fe）7C3、（Fe.Cr）3C、V4C3、TiC，從而實現了CD滲碳。CD法滲碳層中，滲層表面含碳量（質量分數，下同）高達2%-3%，彌散碳化物含量達50%以上，且碳化物呈細小均勻分布。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異的耐磨性。經CD滲碳的模具心部沒有出現象Cr12型模具鋼和高速鋼中的粗大共晶碳化物和嚴重碳化物偏析，因而其心部韌性比Cr12MoV鋼提高3-5倍。實踐表明，CD滲碳模具的使用壽命大大超過消耗量占冷作模具鋼首位的Cr12型冷作模具鋼和高速鋼。
在對各類模具進行滲碳處理時，主要的滲碳工藝方法有固體粉末滲碳、氣體滲碳以及近20年來迅速發展起來的真空滲碳及離子滲碳。其中，固體滲碳和氣體滲碳應用廣泛，但真空滲碳和離子滲碳技術由于具有滲速快、滲層均勻、碳濃度梯度平緩以及工件變形等特點，將會在模具表面尤其是精密模具表面處理中發揮越來越重要的作用。
1.2氣體法低溫熱擴滲
氣體法低溫表面熱擴滲工藝在模具的表面強化處理中占有十分重要的地位。其處理工藝簡便，擴滲溫度較低，能適應冷作模具、熱作模具以及塑料模具等對型腔表面的各種要求。常用的擴滲工藝有滲氮、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
將氮滲入鋼件的過程稱為鋼的氮化或滲氮。氮化層的硬度高950-1200HV），耐磨性、疲勞強度、紅硬性及抗咬合性均優于滲碳層。由于氮化溫度低（一般為480℃-600℃），工件變形很小，尤其適應一些精密模具的表面強化。例如，3Cr2W8V鋼壓鑄模、擠壓模等經調質并在520℃-540℃氮化后，使用壽命較不氮化的模具提高2-3倍。又如，從德國引進的熱沖模經解剖分析，發現其表面約有140μm的滲氮層。美國用H13鋼制作的壓鑄模具，不少都要進行氮化處理，且以滲氮代替一次回火，表面硬度高達65-70HRC，而模具心部硬度較低，韌性好，從而獲得優良的綜合力學性能。
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、時間長而發展起來的工藝，其特點是滲氮速度快、滲層成分及其梯度易控制、節能、省氣、滲層質量好、工作環境好等。
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裂化氣為滲劑，向鋼內同時擴滲碳、氮原子的熱擴滲工藝。氣體軟氮化比氣體氮化滲速快、所需費用低，將其應用于冷、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
2.1熱噴涂技術
熱噴涂技術是將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態，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來劃分，主要有燃氣法、電氣法和高能束加熱法三類。熱噴涂層由于不致密，與基材結合強度不高，在模具表面強化中難以發揮作用，于是涂層重熔使之與基材形成冶金結合、降低氣孔率工藝的熱噴焊就應運而生。
2.2熱噴焊技術
熱噴焊工藝特別是氧乙炔火焰噴焊工藝簡便，設備投資少，便于推廣，廣泛應用于模具表面的強化，提高耐蝕性、耐磨性和延長使用壽命，經濟效益十分可觀。
3、氣相沉積技術
氣相沉積技術按照成膜機理，可分為化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）兩大類。
3.1物理氣相沉積
在真空條件下，以各種物理方法產生的原子或分子沉積在基材上，形成薄膜或涂層的過程稱為物理氣相沉積。按照沉積時物理機制的差別分為真空蒸鍍（VE）、真空濺射（VS）和離子鍍（IP）三種類型。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化方面取得了廣泛的生產應用。
3.2化學氣相沉積
化學氣相沉積是采用含有膜層中各元素的揮發性化合物或單質蒸氣，在熱基體表面產生氣相化學反應，反應產物形成沉積涂層的一種表面技術。該技術在機械工業中發揮了巨大的作用，特別是一些如氮化物、碳化物、金剛石和類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。
關鍵詞：模具制造；表面工程技術；稀土表面工程；納米表面工程
引言
國際模具協會專家認為：模具是金屬加工業的帝王。而模具材料又是模具工業的基礎。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。表面工程是當前材料科學與工程領域中表現較為活躍、發展較為迅速的分支。表面工程具有學科的綜合性，手段的多樣性，廣泛的功能性，潛在的創新性，環境的保護性，很強的實用性和巨大的增效性，因而受到各行各業的重視。表面工程技術在模具制造領域中的應用，在很大程度上彌補了模具材料的不足。
可用于模具制造的表面工程技術十分廣泛，既包括傳統的表面淬火技術、熱擴滲技術、堆焊技術和電鍍硬鉻技術，又包括近20年來迅速發展起來的激光表面強化技術、物理氣相沉積技術（PVD）、化學氣相沉積技術（CVC）、離子注入技術、熱噴涂技術、熱噴焊技術、復合電鍍技術、復合電刷鍍技術和化學鍍技術等。而稀土表面工程技術的進展和納米表面工程技術的興起必將進一步推動模具制造的表面工程技術的發展。表面工程技術應用于模具型腔表面處理，可達到如下目的：
（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，從而提高生產率。
（2）經表面涂層或合金化處理過的碳素工具鋼或低合金鋼，其綜合性能可達到甚至超過高合金化模具材料及硬質合金的性能指標，從而可大幅度降低材料成本。
（3）可以簡化模具制造加工工藝和熱處理工藝，降低生產成本。
（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）可用于模具的修復等再制造工程。
1、熱擴滲技術
熱擴滲技術是用加熱擴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。其突出特點是擴滲層與基材之間是靠形成合金來結合的，具有很高的結合強度，這是其它涂層方法如電鍍、噴鍍、化學鍍、甚至物理氣相沉積技術所無法比擬的。常用于熱擴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用于各類模具型腔表面的強化。隨著熱擴滲技術的不斷發展，二元乃至多元共滲工藝在模具表面強化中發揮越來越大的作用。對不同滲入元素或不同模具種類而言，最佳滲入工藝也不盡相同，這里介紹在模具表面強化中應用最多的幾種熱擴滲工藝。
1.1滲碳采集者退散
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，能有效地提高材料的室溫表面硬度、耐磨性和疲勞強度等。滲碳工藝應用于模具表面強化的第一個方面是低、中碳鋼的滲碳。滲碳應用于冷作、熱作和塑料模具上，都能提高模具壽命。對于注塑模，特別是在成形對型腔起磨粒磨損的塑料制品時，可采用20#鋼粗加工成模，進行型腔表面滲碳，再經過精加工拋光后投入使用，除了可以降低表面粗糙度外，模具的耐磨性也會相應提高。又如3Gr2W8V鋼制壓鑄模具，先滲碳再經1140℃-1150℃淬火，550℃回火兩次，表面硬度可達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。
滲碳工藝應用于模具表面強化的第二個方面是“碳化物彌散析出滲碳”，簡稱CD滲碳法。它是采用含有大量強碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具鋼在滲碳氣氛中加熱，在碳原子自表面向內部擴散的同時，滲層中會沉淀出大量彌散合金碳化物，如（Cr.Fe）7C3、（Fe.Cr）3C、V4C3、TiC，從而實現了CD滲碳。CD法滲碳層中，滲層表面含碳量（質量分數，下同）高達2%-3%，彌散碳化物含量達50%以上，且碳化物呈細小均勻分布。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異的耐磨性。經CD滲碳的模具心部沒有出現象Cr12型模具鋼和高速鋼中的粗大共晶碳化物和嚴重碳化物偏析，因而其心部韌性比Cr12MoV鋼提高3-5倍。實踐表明，CD滲碳模具的使用壽命大大超過消耗量占冷作模具鋼首位的Cr12型冷作模具鋼和高速鋼。
在對各類模具進行滲碳處理時，主要的滲碳工藝方法有固體粉末滲碳、氣體滲碳以及近20年來迅速發展起來的真空滲碳及離子滲碳。其中，固體滲碳和氣體滲碳應用廣泛，但真空滲碳和離子滲碳技術由于具有滲速快、滲層均勻、碳濃度梯度平緩以及工件變形等特點，將會在模具表面尤其是精密模具表面處理中發揮越來越重要的作用。
1.2氣體法低溫熱擴滲
氣體法低溫表面熱擴滲工藝在模具的表面強化處理中占有十分重要的地位。其處理工藝簡便，擴滲溫度較低，能適應冷作模具、熱作模具以及塑料模具等對型腔表面的各種要求。常用的擴滲工藝有滲氮、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
將氮滲入鋼件的過程稱為鋼的氮化或滲氮。氮化層的硬度高950-1200HV），耐磨性、疲勞強度、紅硬性及抗咬合性均優于滲碳層。由于氮化溫度低（一般為480℃-600℃），工件變形很小，尤其適應一些精密模具的表面強化。例如，3Cr2W8V鋼壓鑄模、擠壓模等經調質并在520℃-540℃氮化后，使用壽命較不氮化的模具提高2-3倍。又如，從德國引進的熱沖模經解剖分析，發現其表面約有140μm的滲氮層。美國用H13鋼制作的壓鑄模具，不少都要進行氮化處理，且以滲氮代替一次回火，表面硬度高達65-70HRC，而模具心部硬度較低，韌性好，從而獲得優良的綜合力學性能。
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、時間長而發展起來的工藝，其特點是滲氮速度快、滲層成分及其梯度易控制、節能、省氣、滲層質量好、工作環境好等。
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裂化氣為滲劑，向鋼內同時擴滲碳、氮原子的熱擴滲工藝。氣體軟氮化比氣體氮化滲速快、所需費用低，將其應用于冷、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
2.1熱噴涂技術
熱噴涂技術是將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態，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來劃分，主要有燃氣法、電氣法和高能束加熱法三類。熱噴涂層由于不致密，與基材結合強度不高，在模具表面強化中難以發揮作用，于是涂層重熔使之與基材形成冶金結合、降低氣孔率工藝的熱噴焊就應運而生。
2.2熱噴焊技術
熱噴焊工藝特別是氧乙炔火焰噴焊工藝簡便，設備投資少，便于推廣，廣泛應用于模具表面的強化，提高耐蝕性、耐磨性和延長使用壽命，經濟效益十分可觀。
3、氣相沉積技術
氣相沉積技術按照成膜機理，可分為化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）兩大類。
3.1物理氣相沉積
在真空條件下，以各種物理方法產生的原子或分子沉積在基材上，形成薄膜或涂層的過程稱為物理氣相沉積。按照沉積時物理機制的差別分為真空蒸鍍（VE）、真空濺射（VS）和離子鍍（IP）三種類型。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化方面取得了廣泛的生產應用。
3.2化學氣相沉積
化學氣相沉積是采用含有膜層中各元素的揮發性化合物或單質蒸氣，在熱基體表面產生氣相化學反應，反應產物形成沉積涂層的一種表面技術。該技術在機械工業中發揮了巨大的作用，特別是一些如氮化物、碳化物、金剛石和類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。
