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(shì)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(diǎn)、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(diǎn)，可顯著改善模具壽命、質(zhì)量，獲取突出的經(jīng)濟(jì)效益。
模具工作零件表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用研究
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(duì)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(duì)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(shí)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(xiàng)技術(shù)。
氣體滲碳溫度一般為920～950℃，經(jīng)王榮濱試驗(yàn)綜合評(píng)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(diǎn)，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(jiǎn)便，成本較低。近年來，該項(xiàng)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(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(yùn)用HVOF技術(shù)對(duì)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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形，
同時(shí)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(duì)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(huì)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(shí)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(shí)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(shì)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(duì)20根經(jīng)TiN涂層處理的冷擠壓凸模進(jìn)行實(shí)際使用壽命試驗(yàn)，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(duì)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(diǎn)，對(duì)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(shí)用技術(shù)。該技術(shù)沉積溫度高、涂層結(jié)合牢固，對(duì)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(huì)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室，自行設(shè)計(jì)制造了試驗(yàn)設(shè)備和輔助配套設(shè)施，并及時(shí)得到了自然科學(xué)基金的資助。項(xiàng)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(diǎn)，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?jī)?yōu)、資源節(jié)約和環(huán)境友好等綜合優(yōu)勢(shì)，既可用于大批量高效自動(dòng)化生產(chǎn)，又適用于多品種、小批量加工，甚至個(gè)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(jià)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(shí)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(duì)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?，但就目前的模具零件表面?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(huì)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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