模具制造表面工程技術的進展

 模具材料是模具工業的基礎，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，采用表面工程技術可在一定程度上彌補模具材料的不足。可用于模具制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、化學氣相沉積技術、離子注入技術、熱噴涂技術、熱噴焊技術、復合電鍍技術、復合電刷鍍技術和化學鍍技術等。而稀土表面工程技術和納米表面工程技術的進展必將進一步推動模具制造的表面工程技術的發展。在此僅介紹稀土表面工程技術和納米表面工程技術。 

　　1、稀土表面工程技術 

　　表面工程技術中加入稀土元素通常采用化學熱處理、噴涂噴焊、氣相沉積、激光涂覆、電沉積等方法。 

　　(1)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，改善滲層組織和性能。從而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高溫氧化性的抗沖擊磨損性。 

　　(2)利用熱噴涂和噴焊技術，將稀土元素加入涂層，可取得良好的組織與性能，使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。 

　　(3)物理氣相沉積膜層性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于改善膜與基體的結合強度，膜層表面致密度明顯增大。同時，加入稀土元素可以使膜層耐磨性能也得到明顯改善，例如應用于模具表現的超硬TiN膜(加入稀土元素)，使模具型腔表面呈現出高硬度、低摩擦系數和良好的化學穩定性，提高了模具的使用壽命。 

　　(4)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激光輻照能量的吸收率，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。稀土涂覆層經激光處理后，組織和性能發生明顯改善，涂覆層的硬度和耐磨性顯著提高，耐磨性是45鋼調質的5～6倍。對加入CeO2的熱噴涂層進行激光重溶，研究發現合金化層的顯微組織明顯改變，晶粒得到細化。激光重熔加入稀土后的噴焊合金，稀土化合物質點在其中彌散強化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蝕性能，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于單一稀土化合物。 

　　(5)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SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2電刷鍍鍍層中MoS2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。 

　　2、納米表面工程技術 

　　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，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。納米表面工程技術是極具應用前景和市場潛力的。 

　　(1)制作納米復合鍍層。在傳統的電鍍液中加入零維或一維納米質點粉體材料可形成納米復合鍍層。用于模具的Cr-DNP納米復合鍍層，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。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復合鍍層。如將n-ZrO2納米粉體材料加入Ni-W-B非晶態復合鍍層，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Co-DNP納米復合鍍層，在500℃以上，與Ni基、Cr基Co基復合鍍層相比，工件表面的高溫耐磨性能大為提高。在傳統的電刷鍍溶液中，加入納米粉體材料，也可制備出性能優異的納米復合鍍層。 

　　(2)制作納米結構涂層。熱噴涂技術是制作納米結構涂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、涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大、沉積速率快，以及容易形成復合涂層等等。與傳統熱噴涂涂層相比，納米結構涂層在強度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面都有顯著改善，且一種涂層可同時具有上述多種性能。