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：
模具上熔覆CO-包WC或Ni基合金涂層等，可得無氣孔的致密熔覆層，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、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)用前景和市場潛力的。據(jù)德國科技部統(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、精度持久不變，長時(shí)間使用鍍層光滑無裂紋。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)涂層的一種極有競爭力的方法。與其它技術(shù)相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡單，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
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)過程。設(shè)計(jì)者不僅要具備扎實(shí)的材料專業(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�？傊�，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)。
表1 列出了應(yīng)用較為廣泛的幾種表面工程技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用指標(biāo)。
文章地址：http://www.yangfine.cn/Article/mjjs/200809/199.html
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、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)用前景和市場潛力的。據(jù)德國科技部統(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、精度持久不變，長時(shí)間使用鍍層光滑無裂紋。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)涂層的一種極有競爭力的方法。與其它技術(shù)相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡單，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
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)過程。設(shè)計(jì)者不僅要具備扎實(shí)的材料專業(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�？傊�，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)。
表1 列出了應(yīng)用較為廣泛的幾種表面工程技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用指標(biāo)。
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