表面技术在模具中的应用.docx
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表面技术在模具中的应用
表面技术在模具中的应用及展望
引言
国际模具协会专家认为：
模具是金属加工业的帝王。
而模具材料又是模具工业的基础。
但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求。
表面工程是当前材料科学与工程领域中表现较为活跃、发展较为迅速的分支。
表面工程具有学科的综合性，手段的多样性，广泛的功能性，潜在的创新性，环境的保护性，很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。
表面工程技术在模具制造领域中的应用，在很大程度上弥补了模具材料的不足。
表面技术应用于模具型腔表面处理，可达到如下目的：
（1）提高模具型腔表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能，大幅度提高模具的使用寿命。
提高模具型腔表面抗擦伤能力和脱模能力，从而提高生产率。
（2）经表面涂层或合金化处理过的碳素工具钢或低合金钢，其综合性能可达到甚至超过高合金化模具材料及硬质合金的性能指标，从而可大幅度降低材料成本。
（3）可以简化模具制造加工工艺和热处理工艺，降低生产成本。
（4）可用于模具型腔表面的纹饰，以提高制品的档次和附加值。
（5）可用于模具的修复等再制造工程。
本文主要从以下三个方面进行综述：
（1）简要介绍了模具行业中用到的三大类表面技术（表面组织转化技术、表面涂镀层技术和表面合金化技术）中若干种表面处理技术的原理，概述了各种技术的优点、缺点及应用范围，并举例说明了各项技术在模具研究或实际生产中的应用效果。
（2）单方面从表面技术在模具加工中的应用及表面技术在模具修复中的应用进展进行综述。
（3）介绍了稀土表面工程技术在模具制造中的应用进展。
对纳米表面工程技术在模具制造中的应用作了展望。
一
表面技术种类繁多，常用于模具的表面技术概括起来有三大类：
表面组织转化技术，表面涂镀层技术和表面合金化技术。
各大类中又包括不同的方法，下面分别介绍其原理、特点和应用。
1表面组织转化技术表面组织转化技术，即不改变材料的表面成分
只通过改变表面组织结构特征或应力状况来改变材料性能，常用的有火焰表面淬火、激光相变硬化等。
1.1火焰表面淬火工艺是利用氧乙炔（或其他可燃气）火焰，将材料表面加热并快速冷却的淬火口使表面2～10mm厚度范围硬度和耐磨性提高该工艺一般在装配后进行，可简化模具零件的制造工序，保证模具的装配精度，便于模具的补焊修复但是要求操作人员技术娴熟。
1.2激光相变硬化是以高能量的激光束快速扫描待处理表面，使其温度迅速升高到相变点以上，激光移开后，通过冷态基体材料的快速热传导瞬间自冷淬火，形成厚度0.1～1.0mrn的光亮且细化的表面相变硬化层，其硬度较常规淬火可提高15～20倍，表层残余压应力减少可使其疲劳强度提高。
2表面涂镀层技术
表面涂镀层技术，利用外加涂层或镀层的性能使基体性能优化，基体不参与或很少参与涂层反应,包括涂层技术和镀层技术。
2．1涂层技术
利用各种热源将金属或非金属涂层材料加热到熔化或半熔化状态，喷射或涂敷在待处理表面，形成以机械结合或冶金结合为主的耐磨、耐热或耐蚀等功能性涂层，包括热喷涂、热喷焊和堆焊技术。
方法多样，操作灵活；涂层厚度可控且范围大（零点几到几十毫米）；涂层材料种类多，可按使用要求选用；热源和涂层材料不同，则所得涂层性能各异。
既可用于新模具制造，又可用于旧模具修复。
2.2镀层技术
按反应物质形态可分为化学溶液沉积（电镀和化学镀）和气相沉积（物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD）。
1）电镀
利用电解的方式使金属或合金沉积在待处理表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层。
传统的镀铬技术工艺成熟、质量稳定，镀层厚度可达数百微米，硬度可达1000HV，耐热性好（空气中500℃无氧化，热硬性好）、耐腐蚀。
如镀硬铬后，钢制模具表面寿命可提高3～5倍；膨胀石膏模表面导电化处理后镀硬铬后其性能可提高十几倍，在小批量试制性产品的模具制造中具有实用价值。
2）化学镀
也称电解镀，无外加电流而是借助适当的还原剂，使欲镀金属阳离子还原沉积到待处理表面。
化学镀镍磷合金镀层硬度可达550～1100HV，摩擦因数小，极少有粘模和拉伤现象，耐腐蚀性优于不锈钢，若引入SiC、PTE或Cu等形成复合镀层性能更佳，可镀零件形状不受限制而且成本低、效率高，是各种模具表面强化的新途径，特别适用于塑料
模或橡胶模、玻璃模、电木模、压铸模和拉深模等。
3）离子镀
PVD技术中，模具表面处理应用的主要是离子镀TiC及TiN超硬膜它是借助于一种惰性气体的辉光放电使金属或合金蒸汽离子化，离子电场加速而沉积在阴极基体上。
由于处理温度于500℃，工件变形小，沉积硬可达1500～2000HV。
由于目前设备昂贵，膜层厚一般只1～3／tm，只用于一些受载荷不大的精密长寿命模具。
4）CVD
在高温下借助空间气相化学反应在基体表面上沉积形成结合强度和硬度高、摩擦因数小、抗高温氧化性好的固态膜层，厚度可达5～20m，CVD绕镀性好，可用于型腔复杂的模具表面处理。
模具表面CVD涂层常为TiC、TiN、Ti（C，N）和a—A12O3等，也可沉积金刚石或类金刚石。
由Cr12MoV和9CrSi钢制作的切边模、挤压模、拉深模、拔丝模和弯曲模，经CVD法沉积TiN强化处理，硬度达1800～2450HV，使用寿命提高3倍以上。
但由于基体温度高（800～1200℃），工件变形大，对回火温度低的模具钢应用受到了一定限制。
3表面合金化技术
它是利用外来材料与基体相混合，形成成分既不同于基材也不同于添加材料的表面合金化层，如热扩渗（化学热处理）、离子注入、电火花强化和激光表面合金化等
3．1热扩渗
用加热扩散的方式使欲渗元素渗入待处理表面，形成冶金结合（其结合强度之高是涂镀层技术。
无法比拟的），提高表面的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性或抗高温氧化性能，而基体仍保持高韧性。
通过它可用普通材料来代替贵重金属，降低成本。
渗剂物理状态可为气体、液体和固体；渗入元素可为非金属或金属（常用的有碳、氮、硅、硼、铝、钒、钛、钨和硫等）；渗入元素数量可为一种（单元渗）或多种（多元共渗），二元乃至多元共渗工艺以及稀土多元共渗工艺正在模具表面强化或改性中发挥着越来越大的作用。
对不同渗入元素或不同模具种类而言，最佳渗
入工艺也不尽相同。
3.2离子注入
将注入元素电离，利用被加速的高能离子束与固体表层之间发生非热平衡相互作用，提高表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能。
其特点是注入元素种类、剂量不受固溶度限制，注入剂量、深度及位置可精确
控制，低温或室温注入工件变形小；但设备昂贵，注入深度浅（一般<1m）。
常用元素有N、B、Cr、Ni、Ti、Ta、Al等。
目前，离子注入法已在高精密度的冷冲模、拉丝模、精冲模、挤压模、拉伸模和塑料模中得到广泛应用，其寿命可提高2～10倍。
3.3电火花表面强化
利用火花放电的高能量把电极材料（如WC、TiC）熔渗进待处理表面兼有表面淬火和热扩渗效果形成特殊的合金强化层，电极材料可根据用途自由选择，如以WC作电极，强化层显微硬度达1100HV，700~800℃仍保持高硬度。
该技术方法简单，效果好，既可强化局部表面，也可对损坏的冲模进行微量修复（O．02～O.05ram），实际生产中应用广泛。
3.4激光表面合金化
利用高能量激光束快速辐照待处理表面，使添加的合金元素与基体表层熔化混合，形成具有非平衡微观结构的固溶体或非晶合金层。
过程简单，效率高。
由于激光能量集中，可形成纯冶金结合表面，结合力极强，提高耐磨性、耐蚀性和耐高温等性能；激光的深聚焦使其可对难接近的或不规则表面的局部区域合金化；参数控制精确，工件变形小。
二
（1）表面技术在模具加工中的应用
模具在使用时要求表面高硬度、强度、耐磨性，来用表面改性处理可使材抖的潜力得到充分发挥。
通过对普通电火花加工机床上进行金属工件表面改性祈方法的研究，能有效提高电火花加工后的模其精度及表面质量。
随着科学技术的迅速发展，加工设备的运转速度加工能A、生产效率和自动化水平日益提高，对产品的精度、硬度、表面质量的要求越来越严格，对模具制造提出了高精度、高硬度高耐磨性和高耐腐蚀性的要求。
在计算机技术、微电子技术、控制技术飞速发展的推动下，利用电火花加工技术独特的加工原理，进行表面强化处理，能提高模具表面各项性能，使模具内部保持足够的强韧性，这对于改善模具的综合性能、节约合金元素、降低成本、发掘材料的最大潜力以及更好地利用新材料的综合性能，都是非常有效的。
表面强化处理是提高模具质量和延长其使用寿命的重要途径。
为了提高零件的可靠性和使用寿命，改进产品的质最和增加经济效益，零件必须经过特殊的表面处理。
表面改性技术的方法是多种多样的。
高能束热源表面改性傲光、电子束、高频电磁感应加热等）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）、热喷涂各种涂层材料、物理气相沉积（PV功、化学气相沉积（CV功、喷丸改性等都是非常有效的表面改性手段，它们既可以提高产品的硬度、耐磨性及高温红硬性等性能，显著提高产品的使用寿命，又能大大减少贵重材料的消耗，从而降低产品的成本。
2模具表面强化
表面强化技术包括物理和化学两种方法.它们可以改变表层化学成分和组织结构，提高表面的力学性能和物化性能，也可对表层物质起到保护作用。
2.1高能束热源表面改性技术
电子束表面改性应用了聚焦线圈和偏转线圈，使得电子束加工技术在使用中更方便，可以较灵活地调节加热面积、加热区域和材料表面的能量密度，并且电子束的能量和利用率更高，可以达到95%。
电子束在材料表面地作用范围为（0.01-0.2）mm，利用电子束可以对材料的表层进行加热，使其达到某一所需温度或使材料熔化，即可以对材料进行表面改性。
并且适合于局部表面改性，表面层的硬度、改性的深度加热和冷却速度都可以得到控制。
同时，不需要特别的冷却装置即可获得足够的冷却速度。
不论零件的形状多么复杂，凡是能观察到的区域都可进行电子束表面改性。
2.2超硬化合物表面改性处理
在工件表面涂极一层或多层超硬化合物。
涂覆物质有Tic,NbC,AL3O2等，扭膜厚度随涂4物质的种类、工件形状等因素改变，一般在3-5um范围内。
这种技术的最大特点是能获得高硬度、高熔点的覆膜。
实施超硬化合物表面涂彼的主要方法有化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）.熔盐浸镀（TD）几种。
2.3化学热处理表面改性
化学表面热处理是一种对材料进行“表硬里韧”的表面改性，提高工件的疲劳强度，获得特殊的物理、化学性能，如耐蚀性、耐磨性等。
根据工件的表面性能要求不同，化学表面热处理有渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼和渗硫等。
2.4离子束表面改性处理
在真空条件下利用离子轰击进行镀膜或表面改性的方法，离子束表面改性技术包括离子镀、溅射镀膜和离子注人等。
离子注人可以向金属或合金材料表面注人任何所需要的元素，被注人的元素不受合金系统平衡相图中固溶度的限制。
处理过程是依赖于离子的高能运动而不是靠热能渗浸到工件表面内，不存在变形问题。
能改变材料的表面性质而不影响材料的内部结构和特性，既可保持工件表面硬度、耐磨性好，又可保持基体韧性好。
离子以很高的速率注人工件表面引起点阵损伤，形成密集的位错网络，使表面获得改性，增加耐磨性和其它力学性能。
在处理的表面上产生压应力，提高了工件的疲劳寿命。
注人层和基体不存在着明显的界面，不存在表层疏松剥落和界面腐蚀问题。
但是，离子注人设备费用昂贵，由于工件表面注人层浅，仅适合于制造成本较高的、磨损量不允许很大的精密工件，所以其应用受到限制。
2.5电火花表面改性技术
利用电火花加工原理使工具电极周期性的与被处理表面产生脉冲放电，电极间隙中的空气、煤油或其它介质在电场作用下电离为离子而形成火花通道，电子、离子间的碰撞放出大量的热，电极受到电子束的高速轰击，工件表面受到正离子的撞击，在极短的时间内产生很高的温度，使电极和工件的表面瞬时被熔化，电离的氮离子和少量氧离子作用下，在工件表面微区内产生高温高压下的物理化学冶金过程而使工件表面重新合金化，并伴随着融渗扩散过程，同时工件表层也快速冷却而产生自硬化现象。
电火花表面改性的效果非常显著。
3电火花表面改性技术
传统的EDM表面强化是在空气中进行不同金属间火花放电，随着对电火花加工技术（EDM）研究的日益深人，EDM应用范围日趋广泛。
该技术加工原理独特，已被成功的应用于金属等导电材料的表面改性中。
新的EDM放电技术已不局限于材料的去除加工，还用于材料的表面改性处理、着色、堆积造型加工。
主要有:
气体中的EDM表面强化、液体放电沉积（EDC）,钛合金EDM放电着色、气体中放电沉积等。
（2）表面技术在模具修复中的应用进展
各种模具因为反复使用之后均会存在不同程度的磨损，有时存在刮伤腐蚀，往往因局部表面失效而弃之，从而造成极大的资源浪费。
为此，可以针对不同的模具失效方式和相应的表面处理技术对其失效模具进行修复再利用。
基于此目的，综合介绍了目前用于模具修复的几种表面技术及其特点和应用，包括堆焊修复技术、热喷焊修复技术、电刷镀修复技术、激光熔覆修复技术和电火花修复技术。
1模具的堆焊修复技术
最早用于模具修复的表面技术是堆焊技术，它是指用焊接方法在模具受损区域堆覆一层或数层具有一定性能材料的工艺过程，目的是使修复模具达到使用要求，并在修复区域获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔覆层。
堆焊多是以延长设备或零件的使用寿命为目的。
据统计，用于修复旧零件的合金量占堆焊合金总量的72.2%"'模具堆焊修复技术主要有火焰堆焊、电弧堆焊、电渣堆焊、等离子堆焊和激光堆焊。
2模具的激光熔覆修复技术
模具激光熔覆修复技术是指以不同的填料方式在经过预处理的模具失效区域放置所选择的材料，经激光辐照后使之以极快的速度和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体呈冶金结合的表面涂层。
根据熔覆的金属材料，可使修复后的模具具有比原来模具更优异的表面硬度、耐磨性、红硬性、抗冷热疲劳等性能。
3热喷焊模具修复技术
热喷焊方法是采用氧一乙炔火焰作为热源，通过喷枪将合金
粉末加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向预热后的模具表面，形成喷焊层，再将喷焊层加热重熔，如此反复直至喷焊层达到预定的厚度。
热喷焊设备一般为氧一乙炔焰喷焊设备。
常用于模具修复上的热喷焊合金有Ni基和Co基自熔性合金粉末。
因热喷焊层与基体呈冶金结合，满足模具工作条件对表面的要求，修复后模具的寿命可大幅提高，如山西某兵工厂的炮弹拉延模，采用热喷焊工艺后，模具寿命提高了5-6倍。
北京211厂应用热喷焊工艺后，模具寿命提高了3一5倍。
4模具电刷镀修复工艺
电刷镀工艺是电镀的一种特殊方法，它是依靠1个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液，电镀时，垫或刷在被镀的阴极上移动。
电刷镀方法在修复方面的发展很快，目前在工程车辆、航空、机械、电子、建筑、船舶、石油等各行各业得到了广泛的应用，在模具修复领域的应用近年来也发展得很快。
常用的电刷镀工艺是:
电净活化一打底层、刷镀、镀后处理。
随着电刷镀技术的发展，工艺正向复合化发展，如与激光技术结合的激光电刷镀，与减摩技术、钎焊技术、离子注人技术、计算机工程、粘涂技术等结合形成复合镀层。
用堆焊十电刷镀技术仁修复1套二手组合（上、中、下三体）模具。
该模具约30%的工作表面存在着剥落、划沟、气孔、崩损等缺陷，先用堆焊技术进行打底修复，再用电刷镀强化，使模具的性能和尺寸达到生产要求，使用3年后，仍正常工作。
5模具电火花修复技术
电火花模具修复技术是利用电火花堆焊设备在需修复的模具表面沉积金属，利用电弧放电将电极材料转移并堆积到工件表面。
利用电火花技术可在模具失效表面沉积1层特殊合金，不但起到修复作用，还能起到强化作用。
电火花修复技术对磨损、小气孔、小崩口等微量修复的效果较好。
三
（1）稀土表面工程技术
稀土表面工程技术中极少有直接使用纯稀土金属的，绝大多数使用稀土化合物，最常见的几种化合物有及稀土硅铁等。
表面工程中加入稀土元素通常采用化学热处理、喷涂、电沉积、气相沉积和激光涂覆等方法。
稀土元素对化学热处理的影响主要表现为有
显著的催渗作用，大大优化工艺过程；加入少量稀土化合物，渗层深度可以明显增加；改善渗层组织和性能。
从而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高温氧化性和抗冲击磨损性。
利用热喷涂和喷焊技术，将稀土元素加入涂层，可取得良好的组织与性能，使模具型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。
物理气相沉积膜层性能的优劣和膜与基体结合强度大小密切相关，稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度，膜层表面致密度明显增大。
同时，加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改善，例如应用于模具型腔表面的超硬膜（加入稀土元素），使模具型表面呈现出高
硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性，提高了模具的使用寿命。
（2）纳米表面工程技术
纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工，或赋予表面新功能的系统工程。
因其以具有许多特质的
低维非平衡材料为基础，它的研究和发展将产生具有力、热、声、光、电、磁等性能的许多低维度、小尺寸、功能化表面。
与传统表面工程相比，纳米表面工程取决于基体性能和功能的因素被弱化，表面处理、改性和加工的自由度扩大，表面加工技术的作用将更加突出。
传统材料表面的低维化材料生长、组装，以及利低维化材料对传统材料进行表面超精加工是纳米表面工程的主体技术。
纳米表面工程技术是极具应用前景和市场潜力的。
据德国科技部统计，材料表面的纳米薄膜器件组装和超精度加工的市场容量接近2亿美元。
总结
各种表面技术特点各异，所需成本和所得表层性能也不尽相同。
同时，表面技术在向节能、精密、环保和连续化生产方向发展。
例如，在热扩渗的渗剂中加入稀土元素提高渗速，降低渗入温度目前正是热门研究课题；电镀领域中正在开发采用无毒或低毒以及有毒排放物少的合金镀层代替单金属镀层等。
实际生产中，针对待处理模具自身的特点，结合工作条件，选择经济、有效的表面技术方法对新模具进行表面处理或损坏模具进行修复，可以成倍地延长模具使用寿命，同时还能改善产品质量，降低产品成本，提高生产效率，可谓一举多得。
因此应在模具行业中大力推广使用表面技术。
参考文献：
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