模具製造領域中的表面工程技術應用綜述及展望
關鍵詞：模具製造；表面工程技術；稀土表面工程；奈米表面工程
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製造領域中的應用，在很大程度上彌補了模具材料的不足。
可用於模具製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、熱噴塗技術、熱噴焊技術、複合電鍍技術、複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奈米表面工程技術的興起必將進一步推動模具製造的表面工程技術的發展。表面工程技術應用於模具型腔表面處理，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效能，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）經表面塗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效能指標，從而可大幅度降低材料成本。
（3）可以簡化模具製造加工工藝和熱處理工藝，降低生產成本。
（4）可用於模具型腔表面的紋飾，以提高製品的檔次和附加值。
（5）可用於模具的修復等再製造工程。
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，這是其它塗層方法如電鍍、噴鍍、化學鍍、甚至物理氣相沉積技術所無法比擬的。常用於熱擴滲的合金元素包括碳、氮、矽、硼、鋁、釩、鈦、鎢、鈮、硫等。上述元素都已在不同程度上應用於各類模具型腔表面的強化。隨著熱擴滲技術的不斷髮展，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，這裡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
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。滲碳工藝應用於模具表面強化的第一個方面是低、中碳鋼的滲碳。滲碳應用於冷作、熱作和塑料模具上，都能提高模具壽命。對於注塑模，特別是在成形對型腔起磨粒磨損的塑料製品時，可採用20#鋼粗加工成模，進行型腔表面滲碳，再經過精加工拋光後投入使用，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鋼製壓鑄模具，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。
滲碳工藝應用於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。它是採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，滲層中會沉澱出大量彌
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佈。CD
滲碳件直接淬火或重新淬火回火後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佔冷作模具鋼首位的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於具有滲速快、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佔有十分重要的地位。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於滲碳層。由於氮化溫度低（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、擠壓模等經調質並在520℃-540℃氮化後，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鋼製作的壓鑄模具，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效能。
氣體氮化法是採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，將其應用於冷、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 熱噴塗與噴焊技術
2.1 熱噴塗技術
熱噴塗技術是將噴塗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效能塗層的表面塗層方法。按加熱噴塗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。熱噴塗層由於不致密，與基材結合強度不高，在模具表面強化中難以發揮作用，於是塗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，裝置投資少，便於推廣，廣泛應用於模具表面的強化，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，形成薄膜或塗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。其中採用多弧離子鍍膜方法鍍覆TiN、TiC 耐磨塗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
化學氣相沉積是採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，反應產物形成沉積塗層的一種表面技術。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。
4 複合電鍍技術
電鍍層的應用，主要是在防蝕與裝飾方面。複合電鍍層的出現，為解決高溫腐蝕、高溫強度和磨損，提供了一種很有前途的方法。採用複合電鍍，可以製備各類耐磨鍍層。如採用基質金屬———金剛石顆粒的複合鍍層、Ni-P-SiC複合鍍層，用於工模具表面具有良好的耐磨性。近年來，為了提高複合鍍層的耐磨性，採取瞭如下措施：
（1）採用合金鍍層，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）採用硬Cr層作為基質金屬，可比純Cr層耐磨性提高1- 3倍。
（3）採用聚四氟乙烯（PJFE）作為共沉積微粒製備的Ni-PJFE複合鍍層常用於橡膠模和注塑模的脫模鍍層。在摩擦磨損試驗機上的試驗結果表明Ni-PJFE複合鍍層的磨損量是硬Cr層的1/10，光亮Ni層的1/50左右。
5 複合電刷鍍技術
採用鎳、鈷、二氧化鋯複合電刷鍍液，使處理的模具型腔表面耐磨性大為提高，並有較高的硬度，鍍層表面比較理想，與本體結合力強，經拋光後達到鏡面，成本低，應用廣泛。針對熱鍛模具、衝壓模具、注射模具用量大、製造週期長、成本高的特點，利用複合電刷鍍不僅可強化模具型腔表面，還可修復型腔面（屬再製造工程），從而延長模具壽命。如在模具型腔表面刷鍍0.01-0.02mm的非晶態鍍層，可使壽命延長20%-100%。
6 化學鍍技術
化學鍍的均鍍能力強，由於沒有外電源，沒有電流密度的影響，鍍層可在形狀複雜的模具型腔基材表面均勻沉積。特別是化學鍍Ni-P層，其硬度可達1000HV，已接近一些硬質合金的硬度，而且具有相當高的耐磨能力。Ni-P鍍層無疑會在模具型腔表面強化中發揮作用。據文獻報道，化學鍍Ni-P層目前已用於鋅壓鑄模、注塑模等模具，起到了良好的強化作用，提高了模具的壽命。
7 高能束技術
鐳射束、離子束、電子束是三大高能束。由於它們的能量密度極高，對材料表面進行加熱時，加熱速度極快，整個基體的溫度在加熱過程中基本不受影響。這樣對處理件的形狀、效能等也不產生影響。因此採用這三大高能束對模具型腔進行表面改性，正引起了人們的關注。如利用鐳射材料表面強化技術（包括鐳射相變硬化（LTH）、激光表面合金化（LC）、激光表面熔覆（LSC）等），在聚乙烯造粒模具上熔覆CO-包WC或Ni基合金塗層等，可得無氣孔的緻密熔覆層，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
稀土表面工程技術中極少有直接使用純稀土金屬的，絕大多數使用稀土化合物，最常見的幾種化合物有CeO2、La2o3、LaF3、CeF3、CeS2、Y2O3及稀土矽鐵等。表面工程中加入稀土元素通常採用化學熱處理、噴塗、電沉積、氣相沉積和鐳射塗覆等方法。
稀土元素對化學熱處理的影響主要表現為有顯著的催滲作用，大大優化工藝過程；加入少量稀土化合物，滲層深度可以明顯增加；改善滲層組織和效能。從而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高溫氧化性和抗衝擊磨損性。
利用熱噴塗和噴焊技術，將稀土元素加入塗層，可取得良好的組織與效能，使模具型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。
物理氣相沉積膜層效能的優劣和膜與基體結合強度大小密切相關，稀土元素的加入有利於改善膜與基體的結合強度，膜層表面緻密度明顯增大。同時，加入稀土元素可以使膜層耐磨效能也得到明顯改善，例如應用於模具型腔表面的超硬TiN膜（加入稀土元素），使模具型表面呈現出高硬度、低摩擦係數和良好的化學穩定性，提高了模具的使用壽命。
含稀土化合物的塗覆層，可大幅度提高模具金屬材料表面對鐳射輻照能量的吸收率，對降低能耗和生產成本，以及推廣激光表面工程技術都有重要意義。稀土塗覆層經鐳射處理後，組織和效能發生明顯改善，塗覆層的硬度和耐磨性顯著
提高，耐磨性是45#鋼調質的5-6倍。對加入CeO2的熱噴塗層進行鐳射重熔，研究發現合金化層的顯微組織明顯改變，晶粒得到細化。鐳射重熔加入稀土後的噴焊合金，稀土化合物質點在其中彌散強化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蝕效能，模具型腔表面的耐磨性也大大增強，有的文獻報道稀土元素提高了耐磨性達1-4倍。另外，有研究發現，加入混合稀土化合物的效果優於單一稀土化合物。
把稀土元素加入鍍層可採用電刷鍍、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效能，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 奈米表面工程技術展望
奈米表面工程是以奈米材料和其它低維非平衡材料為基礎，通過特定的加工技術、加工手段，對固體表面進行強化、改性、超精細加工，或賦予表面新功能的系統工程。因其以具有許多特質的低維非平衡材料為基礎，它的研究和發展將產生具有力、熱、聲、光、電、磁等效能的許多低維度、小尺寸、功能化表面。與傳統表面工程相比，奈米表面工程取決於基體效能和功能的因素被弱化，表面處理、改性和加工的自由度擴大，表面加工技術的作用將更加突出。傳統材料表面的低維化材料生長、組裝，以及利用低維化材料對傳統材料進行表面超精加工是奈米表面工程的主體技術。奈米表面工程技術是極具應用前景和市場潛力的。據德國科技部統計，在2000年材料表面的奈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 製作奈米複合鍍層
在傳統的電鍍液中加入零維或一維奈米質點粉體材料可形成奈米複合鍍層。用於模具的Cr-DNP奈米複合鍍層，可使模具壽命延長、精度持久不變，長時間使用鍍層光滑無裂紋。奈米材料還可用於耐高溫的耐磨複合鍍層。如將n-ZrO2奈米粉體材料加入Ni-W-B非晶態複合鍍層，可提高鍍層在 550-850℃的高溫抗氧化效能，使鍍層的耐蝕性提高2-3倍，耐磨性和硬度也都明顯提高。採用Co-DNP奈米複合鍍層，在500℃以上，與Ni基、 Cr基、Co基複合鍍層相比，工件表面的高溫耐磨效能大為提高。在傳統的電刷鍍溶液中，加入奈米粉體材料，也可製備出效能優異的奈米複合鍍層。
9.2 製作奈米結構塗層
熱噴塗技術是製作奈米結構塗層的一種極有競爭力的方法。與其它技術相比，它有許多優越性：工藝簡單，塗層和基體選擇範圍廣，塗層厚度變化範圍大，沉積速率快，以及容易形成複合塗層等等。與傳統熱噴塗塗層相比，奈米結構塗層在強度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面都有顯著改善，且一種塗層可同時具有上述多種效能。
筆者認為奈米表面工程技術必將在精密模具型腔表面處理中發揮作用。
10 結束語
瞭解各種表面工程技術的特點是合理選擇模具型腔表面處理工藝的基礎。模具表面改性技術的選擇是一項複雜的工藝設計過程。設計者不僅要具備紮實的材料專業知識，還必須具備諸如失效分析、機械設計、模具設計等方面的知識，同時還必須具備較強的優化設計和綜合分析的能力。另外，表面改性工藝選擇中還應考慮經濟原則，儘量選擇既能滿足效能指標要求又成本合宜的方法。總之，工藝技術選擇必須從實際出發，以實際驗證為標準。