工程模具制造领域中的表面工程技术如何应用？ 外貌,技术, 

国际模具协会专家认为：模具是金属加产业的帝王。而模具质料又是模具产业的基础。但即使是新型模具质料仍难以满足模具的较高综合性能的要求。外貌工程是当前质料科学与工程领域中体现较为活跃、成长较为迅速的分支。外貌工程具有学科的综合性，手段的多样性，广泛的效用性，潜在的创新性，环境的守卫性，很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。外貌工程技术在模具制造领域中的应用，在很洪流平上弥补了模具质料的不敷。 
　　可用于模具制造的外貌工程技术十分广泛，既包括传统的外貌淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术，又包括近20年来迅速成长起来的激光外貌强化技术、物理气相沉积技术（PVD）、化学气相沉积技术（CVC）、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。而稀土外貌工程技术的进展和纳米外貌工程技术的兴起必将进一步推动模具制造的外貌工程技术的成长。外貌工程技术应用于模具型腔外貌处理，可到达如下目的： 
　　（1）提高模具型腔外貌硬度、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。提高模具型腔外貌抗擦伤能力和脱模能力，从而提高生产率。 
　　（2）经外貌涂层或合金化处理过的碳素东西钢或低合金钢，其综合性能可到达甚至超出高合金化模具质料及硬质合金的性能指标，从而可大幅度降低质料本钱。 
　　（3）可以简化模具制造加工工艺和热处理工艺，降低生产本钱。 
　　（4）可用于模具型腔外貌的纹饰，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。 
　　1、热扩渗技术 
　　热扩渗技术是用加热扩散的方法使欲渗金属或非金属元素渗入金属质料或工件的外貌，从而形成外貌合金层的工艺。其突出特点是扩渗层与基材之间是靠形成合金来结合的，具有很高的结合强度，这是其它涂层要领如电镀、喷镀、化学镀、甚至物理气相沉积技术所无法相比的。常用于热扩渗的合金元素包括碳、氮、硅、硼、铝、钒、钛、钨、铌、硫等。上述元素都已在差别水平上应用于种种模具型腔外貌的强化。随着热扩渗技术的连续成长，二元乃至多元共渗工艺在模具外貌强化中发挥越来越大的作用。对差别渗入元素或差别模具种类而言，最佳渗入工艺也不尽相同，这里介绍在模具外貌强化中应用最多的几种热扩渗工艺。 
　　1.1渗碳 
　　渗碳具有渗速快、渗层深、渗层硬度梯度与身分梯度可方便控制、本钱低等特点，能有效地提高质料的室温外貌硬度、耐磨性和疲劳强度等。渗碳工艺应用于模具外貌强化的第一个方面是低、中碳钢的渗碳。渗碳应用于冷作、热作和塑料模具上，都能提高模具寿命。对付注塑模，特别是在成形对型腔起磨粒磨损的塑料制品时，可接纳20#钢粗加工成模，进行型腔外貌渗碳，再经过精加工抛光后投入使用，除了可以降低外貌粗糙度外，模具的耐磨性也会相应提高。又如3Gr2W8V钢制压铸模具，先渗碳再经1140℃-1150℃淬火，550℃回火两次，外貌硬度可达58-61HRC，使压铸有色金属及其合金的模具寿命提高1.8-3.0倍。 
　　渗碳工艺应用于模具外貌强化的第二个方面是“碳化物弥散析出渗碳”，简称CD渗碳法。它是接纳含有大量强碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具钢在渗碳气氛中加热，在碳原子自外貌向内部扩散的同时，渗层中会沉淀出大量弥散合金碳化物，如（Cr.Fe）7C3、（Fe.Cr）3C、V4C3、TiC，从而实现了CD渗碳。CD法渗碳层中，渗层外貌含碳量（质量分数，下同）高达2%-3%，弥散碳化物含量达50%以上，且碳化物呈细小均匀漫衍。CD渗碳件直接淬火或重新淬火回火后可获得很高的硬度和优异的耐磨性。经CD渗碳的模具心部没有出现象Cr12型模具钢和高速钢中的粗大共晶碳化物和严重碳化物偏析，因而其心部韧性比Cr12MoV钢提高3-5倍。实践证明，CD渗碳模具的使用寿命大大超出消耗量占冷作模具钢首位的Cr12型冷作模具钢和高速钢。 
　　在对种种模具进行渗碳处理时，主要的渗碳工艺要领有固体粉末渗碳、气体渗碳以及近20年来迅速成长起来的真空渗碳及离子渗碳。其中，固体渗碳和气体渗碳应用广泛，但真空渗碳和离子渗碳技术由于具有渗速快、渗层均匀、碳浓度梯度平缓以及工件变形等特点，将会在模具外貌尤其是精密模具外貌处理中发挥越来越重要的作用。 
　　1.2气体法低温热扩渗 
　　气体法低温外貌热扩渗工艺在模具的外貌强化处理中占有十分重要的职位地方。其处理工艺简便，扩渗温度较低，能适应冷作模具、热作模具以及塑料模具等对型腔外貌的种种要求。常用的扩渗工艺有渗氮、软氮化（铁素体氮碳共渗）、氧氮共渗、硫氮共渗乃至硫碳氮、氧氮硫三元共渗等要领。 
　　1.2.1气体渗氮与离子氮化工艺 
　　将氮渗入钢件的过程称为钢的氮化或渗氮。氮化层的硬度高950-1200HV），耐磨性、疲劳强度、红硬性及抗咬合性均优于渗碳层。由于氮化温度低（一般为480℃-600℃），工件变形很小，尤其适应一些精密模具的外貌强化。例如，3Cr2W8V钢压铸模、挤压模等经调质并在520℃-540℃氮化后，使用寿命较不氮化的模具提高2-3倍。又如，从德国引进的热冲模经解剖剖析，发觉其外貌约有140μm的渗氮层。美国用H13钢制作的压铸模具，不少都要进行氮化处理，且以渗氮取代一次回火，外貌硬度高达65-70HRC，而模具心部硬度较低，韧性好，从而获得优良的综合力学性能。 
　　气体氮化法是接纳最为广泛的渗氮工艺。离子氮化法是为解决气体氮化工艺工效低、时间长而成长起来的工艺，其特点是渗氮速度快、渗层身分及其梯度易控制、节能、省气、渗层质量好、劳动环境好等。 
　　1.2.2气体软氮化（铁素体氮碳共渗） 
　　软氮化是将钢件在570℃左右加热，以尿素或氨气或醇类裂化气为渗剂，向钢内同时扩渗碳、氮原子的热扩渗工艺。气体软氮化比气体氮化渗速快、所需用度低，将其应用于冷、热作模具钢，可提高模具的耐磨性、抗高温氧化性和抗粘着性。 
　　2、热喷涂与喷焊技术 
　　2.1热喷涂技术 
　　热喷涂技术是将喷涂质料加热到熔融或半熔融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其以高速喷射到工件外貌，形成耐磨、耐蚀以及抗高温氧化等特殊性能涂层的外貌涂层要领。按加热喷涂质料的热源种类来划分，主要有燃气法、电气法和高能束加热法三类。热喷涂层由于不致密，与基材结合强度不高，在模具外貌强化中难以发挥作用，于是涂层重熔使之与基材形成冶金结合、降低气孔率工艺的热喷焊就应运而生。 
　　2.2热喷焊技术 
　　热喷焊工艺特别是氧乙炔火焰喷焊工艺简便，设备投资少，便于推广，广泛应用于模具外貌的强化，提高耐蚀性、耐磨性和延长使用寿命，经济效益十分可观。 
　　3、气相沉积技术 
　　气相沉积技术凭据成膜机理，可分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两大类。
　　3.1物理气相沉积 
　　在真空条件下，以种种物理要领孕育产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程称为物理气相沉积。凭据沉积时物理机制的差别分为真空蒸镀（VE）、真空溅射（VS）和离子镀（IP）三种类型。其中接纳多弧离子镀膜要领镀覆TiN、TiC耐磨涂层已在工模具外貌强化方面取得了广泛的生产应用。 
　　3.2化学气相沉积 
　　化学气相沉积是接纳含有膜层中各元素的挥发性化合物或单质蒸气，在热基体外貌孕育产生气相化学反响，反响产品形成沉积涂层的一种外貌技术。该技术在机械产业中发挥了巨大的作用，特别是一些如氮化物、碳化物、金刚石和类金刚石等超硬膜的沉积，大大提高了如模具等工件的耐磨、耐蚀性。 
　　4、复合电镀技术 
　　电镀层的应用，主要是在防蚀与装饰方面。复合电镀层的出现，为解决高温腐化、高温强度和磨损，提供了一种很有前途的要领。接纳复合电镀，可以制备种种耐磨镀层。如接纳基质金属———金刚石颗粒的复合镀层、Ni-P-SiC复合镀层，用于工模具外貌具有良好的耐磨性。近年来，为了提高复合镀层的耐磨性，接纳了如下办法： 
　　（1）接纳合金镀层，包括Ni-Co、Ni-Mn、Ni-Fe、Ni-P镀层等，取代单金属镀层，以较大幅度地提高模具外貌的硬度。 
　　（2）接纳硬Cr层作为基质金属，可比纯Cr层耐磨性提高1-3倍。 
　　（3）接纳聚四氟乙烯（PJFE）作为共沉积微粒制备的Ni-PJFE复合镀层常用于橡胶模和注塑模的脱模镀层。在摩擦磨损试验机上的试验结果证明Ni-PJFE复合镀层的磨损量是硬Cr层的1/10，光亮Ni层的1/50左右。 
　　5、复合电刷镀技术 
　　接纳镍、钴、二氧化锆复合电刷镀液，使处理的模具型腔外貌耐磨性大为提高，并有较高的硬度，镀层外貌比较理想，与本体结合力强，经抛光后到达镜面，本钱低，应用广泛。针对热锻模具、冲压模具、注射模具用量大、制造周期长、本钱高的特点，利用复合电刷镀不但可强化模具型腔外貌，还可修复型腔面（属再制造工程），从而延长模具寿命。如在模具型腔外貌刷镀0.01-0.02mm的非晶态镀层，可使寿命延长20%-100%. 
　　6、化学镀技术 
　　化学镀的均镀能力强，由于没有外电源，没有电流密度的影响，镀层可在形状纷乱的模具型腔基材外貌均匀沉积。特别是化学镀Ni-P层，其硬度可达1000HV，已接近一些硬质合金的硬度，并且具有相当高的耐磨能力。Ni-P镀层无疑会在模具型腔外貌强化中发挥作用。据文献报道，化学镀Ni-P层目前已用于锌压铸模、注塑模等模具，起到了良好的强化作用，提高了模具的寿命。
　　7、高能束技术 
　　激光束、离子束、电子束是三大高能束。由于它们的能量密度极高，对证料外貌进行加热时，加热速度极快，整个基体的温度在加热过程中基本不受影响。这样对处理件的形状、性能等也不孕育产生影响。因此接纳这三大高能束对模具型腔进行外貌改性，正引起了人们的关注。如利用激光质料外貌强化技术（包括激光相变硬化（LTH）、激光外貌合金化（LC）、激光外貌熔覆（LSC）等），在聚乙烯造粒模具上熔覆CO-包WC或Ni基合金涂层等，可得无气孔的致密熔覆层，降低模具型腔外貌粗糙度，大大减小磨损。 
　　8、稀土外貌工程技术 
　　稀土外貌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，最多见的几种化合物有CeO2、La2o3、LaF3、CeF3、CeS2、Y2O3及稀土硅铁等。外貌工程中加入稀土元素通常接纳化学热处理、喷涂、电沉积、气相沉积和激光涂覆等要领。 
　　稀土元素对化学热处理的影响主要体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；改进渗层组织和性能。从而提高模具型腔外貌的耐磨性、抗高温氧化性和抗进攻磨损性。 
　　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，使模具型腔外貌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巨细密切相关，稀土元素的加入有利于改进膜与基体的结合强度，膜层外貌致密度明显增大。同时，加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改进，例如应用于模具型腔外貌的超硬TiN膜（加入稀土元素），使模具型外貌出现出高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性，提高了模具的使用寿命。 
　　含稀土化合物的涂覆层，可大幅度提高模具金属质料外貌对激光辐照能量的吸收率，对降低能耗和生产本钱，以及推广激光外貌工程技术都有重要意义。稀土涂覆层经激光处理后，组织和性能产生明显改进，涂覆层的硬度和耐磨性显著提高，耐磨性是45#钢调质的5-6倍。对加入CeO2的热喷涂层进行激光重熔，研究发觉合金化层的显微组织明显转变，晶粒得到细化。激光重熔加入稀土后的喷焊合金，稀土化合物质点在其中弥散强化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐化性能，模具型腔外貌的耐磨性也大大增强，有的文献报道稀土元素提高了耐磨性达1-4倍。另外，有研究发觉，加入混合稀土化合物的效果优于简单稀土化合物。 
　　把稀土元素加入镀层可接纳电刷镀、电镀等电沉积要领。稀土甘氮酸配合物的加入使镀层防氧钝化寿命明显提高；稀土元素有催化还原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2电刷镀镀层中MoS2的氧化，明显改进了镀层的减摩性能，提高了抗腐化的能力，使模具型腔外貌的耐磨寿命延长近5倍。 
　　9、纳米外貌工程技术展望
　　纳米外貌工程是以纳米质料和其它低维非平衡质料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，对固体外貌进行强化、改性、超精细加工，或授予外貌新效用的系统工程。因其以具有许多特质的低维非平衡质料为基础，它的研究和成长将孕育产生具有力、热、声、光、电、磁等性能的许多低维度、小尺寸、效用化外貌。与传统外貌工程相比，纳米外貌工程取决于基体性能和效用的因素被弱化，外貌处理、改性和加工的自由度扩大，外貌加工技术的作用将越发突出。传统质料外貌的低维化质料生长、组装，以及利用低维化质料对传统质料进行外貌超精加工是纳米外貌工程的主体技术。纳米外貌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，在2000年质料外貌的纳米薄膜器件组装和超精度加工的市场容量接近6000亿美元。 
　　9.1制作纳米复合镀层 
　　在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体质料可形成纳米复合镀层。用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层，可使模具寿命延长、精度长期稳定，永劫间使用镀层光滑无裂纹。纳米质料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2纳米粉体质料加入Ni-W-B非晶态复合镀层，可提高镀层在550-850℃的高温抗氧化性能，使镀层的耐蚀性提高2-3倍，耐磨性和硬度也都明显提高。接纳Co-DNP纳米复合镀层，在500℃以上，与Ni基、Cr基、Co基复合镀层相比，工件外貌的高温耐磨性能大为提高。在传统的电刷镀溶液中，加入纳米粉体质料，也可制备出性能优异的纳米复合镀层。 
　　9.2制作纳米结构涂层 
　　热喷涂技术是制作纳米结构涂层的一种极有竞争力的要领。与其它技术相比，它有许多优越性：工艺简单，涂层和基体选择范畴广，涂层厚度转变范畴大，沉积速率快，以及容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改进，且一种涂层可同时具有上述多种性能。