模具制造領(lǐng)域中的表面工程技術(shù)應(yīng)用綜述及展望
更新時(shí)間：2008-9-1 16:00:18 文章來源：互聯(lián)網(wǎng) 點(diǎn)擊：
、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(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來劃分，主要有燃?xì)夥�、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(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。
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程稱為物理氣相沉積。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，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)，由于沒有外電源，沒有電流密度的影響，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
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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(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來劃分，主要有燃?xì)夥�、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(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。
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程稱為物理氣相沉積。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，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)，由于沒有外電源，沒有電流密度的影響，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
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