模具工作零件表面强化技术应用研究

优胜赵蜜老师

模具制造中的表面强化技术是指模具工作零件表面经预处理后，通过单一或复合表面技术处理，使模具工作零件获得所需表面或综合性能的专业强化技术。该技术的功能性、环保性和增效性等优势在模具制造成本、模具质量和模具寿命等方面起着尤为重要的作用。在生产中，综合考虑该技术的特点、模具工作条件和生产的经济性等因素，选择众因素的最佳匹配点，可显著改善模具寿命、质量，获取突出的经济效益。



模具工作零件表面强化技术应用研究

1、表面强化技术在模具制造中的应用现状



1.1 渗碳表面化学热处理

渗碳工艺是一种较常使用（80%以上）的模具表面强化技术，该工艺主要针对塑料模具型腔的表面强化。经渗碳处理后的模具工作零件，可达到“外硬内韧”的效果，即工作零件表面获得硬度、

耐磨性、疲劳强度等性能的提升，而心部仍保持原来的塑韧性、强度，符合对模具工作零件使用性能的要求。具有渗速快、渗层深、成本低，且渗层和基体零件之间具有较完美的结合性能，

结合层之间实现平稳过渡。但操作温度较高（900～950℃），尤其是离子渗碳温度可达1100℃，且渗碳后还需进行相应的热处理，从而导致模具变形的可能性加大，因此高精度塑料模具不建议采用该项技术。

气体渗碳温度一般为920～950℃，经王荣滨试验综合评定：渗碳层表面最合理的含碳量为ｗ（Ｃ）0.85％～0.95％，渗层由外向内碳质量分数梯度应均匀平缓，淬火组织中不允许有粗条状马氏体，过多残奥，网状碳化物和黑色屈氏体。过高的碳质量分数易使模具零件组织中出现网状碳化物等恶性组织，影响模具质量和寿命，在后续加工过程中易出现应力集中，产生龟裂等现象。

离子渗碳温度一般为900～960℃，与气体渗碳比较，离子渗碳具有效率高、变形小、污染小、可处理任何形状的模具零件表面等优点，更适合在塑料模具和冲压模具表面强化加工中应用。



1.2 火焰表面热喷涂技术

热喷涂技术是一种发展极为迅速的表面强化新技术，它是利用热源（电弧、离子弧、火焰等）将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并使其雾化，以一定的速度喷向经过预处理的基体表面，依靠物理变化和化学变化，与基体结合的工艺方法，此结合层，能提高模具零件的耐磨、耐蚀、耐热等性能，且操作简便，成本较低。近年来，该项技术在模具表面强化中的应用得到进一步发展和完善，广州有色金属研究院采用超音速喷涂硬质合金工艺，使Cr12不锈钢拉深

模的寿命提高了3～10倍。同时该技术应用在模具修复中也取得较大进步，如华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室的张祥林等采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术，在Cr12MoV模具钢表面制备了纳米结构的WC12Co金属陶瓷涂层，测得涂层平均剪切强度达150.8MPa，涂层的结合强度大于80 MPa，涂层硬度高于1000HV。运用HVOF技术对冷挤压模修复后，完全能满足企业的使用要求。



1.3 复合表面电镀技术



电镀技术是一种用电化学方法在基体表面沉积金属或金属化处理的技术。电镀硬铬和硬镍是我国塑料模具表面处理的传统技术。该技术在近室温下进行，模具性能几乎不受影响，也不会出现严重变形，

同时电镀层的表面粗糙度较低，硬度升高为800HV。但仍存在诸多问题，如：耐蚀性不高，沟槽、深孔无法处理，使其在模具强化中的应用受到一定限制，目前只可用于强化普通塑料模具的耐磨性，不适用于形状复杂且耐蚀性要求高的塑料模具。

目前，复合镀是模具行业中镀层技术应用最有活力的领域。复合电刷镀可强化模具型腔表面，也可用于修复模具型腔表面。研究发现，在模具型腔表面刷镀非晶态镀层（0.01～0.02mm），可延长寿命0.5～1.0倍。复合镀层中可加入微粒的品种较多，且参数调整范围较宽，可操作性强，充分体现出镀层的多样性和综合性。大连理工大学的于同敏、刘贵昌等将Ni－P－PTFE复合镀用于UPVC管件模具表面强化，解决UPVC材料对模具表面的腐蚀有明显效果，达到模具成型表面耐磨耐腐蚀等综合性能要求，但其硬度稍低。为此哈尔滨工业大学的范会玉在Ni－P的基础上，将PTFE与SiC微粒复合，应用在玻璃纤维增强的塑料成型模具中，实践表明可使其寿命提高10倍左右。



1.4 PVD、CVD、PCVD表面镀膜技术



镀膜技术也就是气相沉积技术，是将具有特殊性能的稳定化合物沉积于模具工作零件表面，形成超硬镀膜，使模具工作零件具有优异性能。工业中使用频率较高的稳定化合物主要有TiC、TiN、SiN等。

物理气相沉积（PVD）是用物理方法使镀膜材料汽化后在基体表面沉积成覆盖层的实用技术。该技术在20世纪初开始应用，在最近30年发展迅速，成为了一门具有广阔应用前景的新技术，并逐渐向环保型、清洁型趋势发展，主要用于制造精度较高的冷作模具。江西省科学

院应用物理研究所的彭文屹、张德元采用多弧离子镀膜法对20根经TiN涂层处理的冷挤压凸模进行实际使用寿命试验，发现其寿命提高1.5倍以上；广州有色金属研究院的林松盛、代明江对物理气相沉积硬质薄膜在工模具上的应用进行了详细研究，指出该技术能明显提高模具的使用寿命和工件加工质量。但是PVD法也存在着诸如绕镀性差等缺点，对形状复杂的模具零件表面进行处理存在一定限制。

化学气相沉积（CVD）是在900～2000℃范围内用化学方法使气体在基体材料表面发生化学反应并形成覆盖层的实用技术。该技术沉积温度高、涂层结合牢固，对模具零件表面形状几乎没有要求，诸如形状复杂或带有槽沟及小孔的零件均可进行均匀涂覆，弥补了物理气相沉积的相关缺陷，例如在模具表面强化中经常使用的TiC涂层硬度高，耐磨性好，摩擦因数小，减摩性好，抗咬合性强，大幅度提高模具的使用寿命。但CVD法存在处理温度高，仍需进行淬火处理，会导致较大变形等缺陷，因此在高精度模具的制造中此技术的使用受到一定限制。

等离子增强化学气相沉积（PCVD）是利用辉光放电增强反应物化学活性，促进气相间的化学反应，在低温下沉积出优质镀层的实用技术，是介于CVD和PVD之间的一种处理方法。用PCVD法将涂层镀覆在模具工作零件表面，经实践证明，经济效益非常可观。重庆工学院的张叶成、张津对PCVD技术在模具强化中的应用进行研究，发现利用PCVD技术在W18Cr4V冷挤压模具上沉积一层TiC，比无沉积膜层的模具寿命提高10倍以上；将PCVD法用于塑料制品模具上可提高模具寿命1～4倍。北京航空航天大学的陶冶教授筹建了PCVD表面强化技术研究实验室，自行设计制造了试验设备和辅助配套设施，并及时得到了自然科学基金的资助。项目组研制了基于PCVD复合渗镀法的模具表面强化技术，具有工艺温度低、均镀性好和镀层结合力高等优点，适用于所有高温回火模具和部分低温回火模具的制备，是目前唯一一种既适用于刀具强化又适用于形状复

杂的模具表面强化的气相沉积表面强化技术。由此可见，PCVD技术在模具零件强化领域中的应用已经有所成就，

并且应用前景非常广阔。

1.5 高能束流强化技术



高能束流强化技术具有非接触、精确可控、材料适应性广、柔性强、质量优、资源节约和环境友好等综合优势，既可用于大批量高效自动化生产，又适用于多品种、小批量加工，甚至个性化产品的订制，是模具制造业中不可缺少的重要技术。其中，离子注入技术以其几乎完美的强化效果在冷作模具、热作模具和塑料模具等领域中得到广泛应用，其平均寿命一般可提高2～10倍。有重大应用价值。



2、表面强化技术在模具制造中的应用前景展望



根据研究，稀土元素可以强化表面，提高渗速，净化稳定晶界，同时改善模具零件表面组织、物理化学性能和机械加工性能。把稀土元素应用在复合表面强化技术过程中，可获得更加明显的效果。如在Ni－Cu－P－MoS2镀层中加入稀土，可使模具型腔面的耐磨寿命延长近5倍。除此之外，稀土元素在化学沉积、电沉积、喷涂和激光涂覆等方面都具有明显的改善作用，但效果尚不十分稳定，可见稀土元素应用于模具制造将是今后研究的重要方向。

随着纳米技术的飞速发展，其在提高模具的生产率和寿命方面效果显著。但该技术还存在许多不完善的地方，尚有许多工作要做，如：复杂的模具型腔表面涂层不均匀、沉积参数不明确、针对模具零件表面强化机理未明等问题。



3、结论



模具工作零件表面强化技术可以在一定程度上弥补目前模具材料的一些不足，并已显现出极强的发展潜力，但就目前的模具零件表面强化技术而言，仍存在一些不足，其应用也受到一定限制，只要注重研究开发，一定会加快和完善表面强化技术在模具制造过程中的应用。