模具制造中的表面強(qiáng)化技術(shù)是指模具工作零件表面經(jīng)預(yù)處理后，通過單一或復(fù)合表面技術(shù)處理，使模具工作零件獲得所需表面或綜合性能的專業(yè)強(qiáng)化技術(shù)。該技術(shù)的功能性、環(huán)保性和增效性等優(yōu)勢在模具制造成本、模具質(zhì)量和模具壽命等方面起著尤為重要的作用。在生產(chǎn)中，綜合考慮該技術(shù)的特點、模具工作條件和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇眾因素的最佳匹配點，可顯著改善模具壽命、質(zhì)量，獲取突出的經(jīng)濟(jì)效益。

1、表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 滲碳表面化學(xué)熱處理

滲碳工藝是一種較常使用（80%以上）的模具表面強(qiáng)化技術(shù)，該工藝主要針對塑料模具型腔的表面強(qiáng)化。經(jīng)滲碳處理后的模具工作零件，可達(dá)到“外硬內(nèi)韌”的效果，即工作零件表面獲得硬度、

耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能的提升，而心部仍保持原來的塑韌性、強(qiáng)度，符合對模具工作零件使用性能的要求。具有滲速快、滲層深、成本低，且滲層和基體零件之間具有較完美的結(jié)合性能，

結(jié)合層之間實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。但操作溫度較高（900～950℃），尤其是離子滲碳溫度可達(dá)1100℃，且滲碳后還需進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，從而導(dǎo)致模具變形的可能性加大，因此高精度塑料模具不建議采用該項技術(shù)。

氣體滲碳溫度一般為920～950℃，經(jīng)王榮濱試驗綜合評定：滲碳層表面最合理的含碳量為ｗ（Ｃ）0.85％～0.95％，滲層由外向內(nèi)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度應(yīng)均勻平緩，淬火組織中不允許有粗條狀馬氏體，過多殘奧，網(wǎng)狀碳化物和黑色屈氏體。過高的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)易使模具零件組織中出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物等惡性組織，影響模具質(zhì)量和壽命，在后續(xù)加工過程中易出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生龜裂等現(xiàn)象。

離子滲碳溫度一般為900～960℃，與氣體滲碳比較，離子滲碳具有效率高、變形小、污染小、可處理任何形狀的模具零件表面等優(yōu)點，更適合在塑料模具和沖壓模具表面強(qiáng)化加工中應(yīng)用。

1.2 火焰表面熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)是一種發(fā)展極為迅速的表面強(qiáng)化新技術(shù)，它是利用熱源（電弧、離子弧、火焰等）將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并使其霧化，以一定的速度噴向經(jīng)過預(yù)處理的基體表面，依靠物理變化和化學(xué)變化，與基體結(jié)合的工藝方法，此結(jié)合層，能提高模具零件的耐磨、耐蝕、耐熱等性能，且操作簡便，成本較低。近年來，該項技術(shù)在模具表面強(qiáng)化中的應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展和完善，廣州有色金屬研究院采用超音速噴涂硬質(zhì)合金工藝，使Cr12不銹鋼拉深

模的壽命提高了3～10倍。同時該技術(shù)應(yīng)用在模具修復(fù)中也取得較大進(jìn)步，如華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室的張祥林等采用超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)，在Cr12MoV模具鋼表面制備了納米結(jié)構(gòu)的WC12Co金屬陶瓷涂層，測得涂層平均剪切強(qiáng)度達(dá)150.8MPa，涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于80 MPa，涂層硬度高于1000HV。運用HVOF技術(shù)對冷擠壓模修復(fù)后，完全能滿足企業(yè)的使用要求。

1.3 復(fù)合表面電鍍技術(shù)

電鍍技術(shù)是一種用電化學(xué)方法在基體表面沉積金屬或金屬化處理的技術(shù)。電鍍硬鉻和硬鎳是我國塑料模具表面處理的傳統(tǒng)技術(shù)。該技術(shù)在近室溫下進(jìn)行，模具性能幾乎不受影響，也不會出現(xiàn)嚴(yán)重變形，

同時電鍍層的表面粗糙度較低，硬度升高為800HV。但仍存在諸多問題，如：耐蝕性不高，溝槽、深孔無法處理，使其在模具強(qiáng)化中的應(yīng)用受到一定限制，目前只可用于強(qiáng)化普通塑料模具的耐磨性，不適用于形狀復(fù)雜且耐蝕性要求高的塑料模具。

目前，復(fù)合鍍是模具行業(yè)中鍍層技術(shù)應(yīng)用最有活力的領(lǐng)域。復(fù)合電刷鍍可強(qiáng)化模具型腔表面，也可用于修復(fù)模具型腔表面。研究發(fā)現(xiàn)，在模具型腔表面刷鍍非晶態(tài)鍍層（0.01～0.02mm），可延長壽命0.5～1.0倍。復(fù)合鍍層中可加入微粒的品種較多，且參數(shù)調(diào)整范圍較寬，可操作性強(qiáng)，充分體現(xiàn)出鍍層的多樣性和綜合性。大連理工大學(xué)的于同敏、劉貴昌等將Ni－P－PTFE復(fù)合鍍用于UPVC管件模具表面強(qiáng)化，解決UPVC材料對模具表面的腐蝕有明顯效果，達(dá)到模具成型表面耐磨耐腐蝕等綜合性能要求，但其硬度稍低。為此哈爾濱工業(yè)大學(xué)的范會玉在Ni－P的基礎(chǔ)上，將PTFE與SiC微粒復(fù)合，應(yīng)用在玻璃纖維增強(qiáng)的塑料成型模具中，實踐表明可使其壽命提高10倍左右。

1.4 PVD、CVD、PCVD表面鍍膜技術(shù)

鍍膜技術(shù)也就是氣相沉積技術(shù)，是將具有特殊性能的穩(wěn)定化合物沉積于模具工作零件表面，形成超硬鍍膜，使模具工作零件具有優(yōu)異性能。工業(yè)中使用頻率較高的穩(wěn)定化合物主要有TiC、TiN、SiN等。

物理氣相沉積（PVD）是用物理方法使鍍膜材料汽化后在基體表面沉積成覆蓋層的實用技術(shù)。該技術(shù)在20世紀(jì)初開始應(yīng)用，在最近30年發(fā)展迅速，成為了一門具有廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)，并逐漸向環(huán)保型、清潔型趨勢發(fā)展，主要用于制造精度較高的冷作模具。江西省科學(xué)

院應(yīng)用物理研究所的彭文屹、張德元采用多弧離子鍍膜法對20根經(jīng)TiN涂層處理的冷擠壓凸模進(jìn)行實際使用壽命試驗，發(fā)現(xiàn)其壽命提高1.5倍以上；廣州有色金屬研究院的林松盛、代明江對物理氣相沉積硬質(zhì)薄膜在工模具上的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)研究，指出該技術(shù)能明顯提高模具的使用壽命和工件加工質(zhì)量。但是PVD法也存在著諸如繞鍍性差等缺點，對形狀復(fù)雜的模具零件表面進(jìn)行處理存在一定限制。

化學(xué)氣相沉積（CVD）是在900～2000℃范圍內(nèi)用化學(xué)方法使氣體在基體材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成覆蓋層的實用技術(shù)。該技術(shù)沉積溫度高、涂層結(jié)合牢固，對模具零件表面形狀幾乎沒有要求，諸如形狀復(fù)雜或帶有槽溝及小孔的零件均可進(jìn)行均勻涂覆，彌補(bǔ)了物理氣相沉積的相關(guān)缺陷，例如在模具表面強(qiáng)化中經(jīng)常使用的TiC涂層硬度高，耐磨性好，摩擦因數(shù)小，減摩性好，抗咬合性強(qiáng)，大幅度提高模具的使用壽命。但CVD法存在處理溫度高，仍需進(jìn)行淬火處理，會導(dǎo)致較大變形等缺陷，因此在高精度模具的制造中此技術(shù)的使用受到一定限制。

等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PCVD）是利用輝光放電增強(qiáng)反應(yīng)物化學(xué)活性，促進(jìn)氣相間的化學(xué)反應(yīng)，在低溫下沉積出優(yōu)質(zhì)鍍層的實用技術(shù)，是介于CVD和PVD之間的一種處理方法。用PCVD法將涂層鍍覆在模具工作零件表面，經(jīng)實踐證明，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。重慶工學(xué)院的張葉成、張津?qū)CVD技術(shù)在模具強(qiáng)化中的應(yīng)用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)利用PCVD技術(shù)在W18Cr4V冷擠壓模具上沉積一層TiC，比無沉積膜層的模具壽命提高10倍以上；將PCVD法用于塑料制品模具上可提高模具壽命1～4倍。北京航空航天大學(xué)的陶冶教授籌建了PCVD表面強(qiáng)化技術(shù)研究實驗室，自行設(shè)計制造了試驗設(shè)備和輔助配套設(shè)施，并及時得到了自然科學(xué)基金的資助。項目組研制了基于PCVD復(fù)合滲鍍法的模具表面強(qiáng)化技術(shù)，具有工藝溫度低、均鍍性好和鍍層結(jié)合力高等優(yōu)點，適用于所有高溫回火模具和部分低溫回火模具的制備，是目前唯一一種既適用于刀具強(qiáng)化又適用于形狀復(fù)

雜的模具表面強(qiáng)化的氣相沉積表面強(qiáng)化技術(shù)。由此可見，PCVD技術(shù)在模具零件強(qiáng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)有所成就，

并且應(yīng)用前景非常廣闊。

1.5 高能束流強(qiáng)化技術(shù)

高能束流強(qiáng)化技術(shù)具有非接觸、精確可控、材料適應(yīng)性廣、柔性強(qiáng)、質(zhì)量優(yōu)、資源節(jié)約和環(huán)境友好等綜合優(yōu)勢，既可用于大批量高效自動化生產(chǎn)，又適用于多品種、小批量加工，甚至個性化產(chǎn)品的訂制，是模具制造業(yè)中不可缺少的重要技術(shù)。其中，離子注入技術(shù)以其幾乎完美的強(qiáng)化效果在冷作模具、熱作模具和塑料模具等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，其平均壽命一般可提高2～10倍。有重大應(yīng)用價值。

2、表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用前景展望

根據(jù)研究，稀土元素可以強(qiáng)化表面，提高滲速，凈化穩(wěn)定晶界，同時改善模具零件表面組織、物理化學(xué)性能和機(jī)械加工性能。把稀土元素應(yīng)用在復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)過程中，可獲得更加明顯的效果。如在Ni－Cu－P－MoS2鍍層中加入稀土，可使模具型腔面的耐磨壽命延長近5倍。除此之外，稀土元素在化學(xué)沉積、電沉積、噴涂和激光涂覆等方面都具有明顯的改善作用，但效果尚不十分穩(wěn)定，可見稀土元素應(yīng)用于模具制造將是今后研究的重要方向。

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，其在提高模具的生產(chǎn)率和壽命方面效果顯著。但該技術(shù)還存在許多不完善的地方，尚有許多工作要做，如：復(fù)雜的模具型腔表面涂層不均勻、沉積參數(shù)不明確、針對模具零件表面強(qiáng)化機(jī)理未明等問題。

3、結(jié)論

模具工作零件表面強(qiáng)化技術(shù)可以在一定程度上彌補(bǔ)目前模具材料的一些不足，并已顯現(xiàn)出極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Γ湍壳暗哪＞吡慵砻鎻?qiáng)化技術(shù)而言，仍存在一些不足，其應(yīng)用也受到一定限制，只要注重研究開發(fā)，一定會加快和完善表面強(qiáng)化技術(shù)在模具制造過程中的應(yīng)用。

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