模具制造領(lǐng)域中的表面工程技術(shù)應(yīng)用綜述
發(fā)布時(shí)間：2012-07-25 共2頁(yè)
摘要：扼要綜述了在模具制造領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的幾類(lèi)表面工程技術(shù)，并對(duì)其性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性作了比較。介紹了稀土表面工程技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用進(jìn)展。對(duì)納米表面工程技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用作了展望。
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(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)夥罩屑訜幔谔荚幼员砻嫦騼?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?lài)娚涞焦ぜ砻妫纬赡湍ァ⒛臀g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。
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(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)夥罩屑訜幔谔荚幼员砻嫦騼?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?lài)娚涞焦ぜ砻妫纬赡湍ァ⒛臀g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。
