表面工程技术在模具制造和修复中的应用

摘要 : 本文简要介绍了各种表面强化技术在模具制造和修复中的应用，重点介绍了几种表面强化新技术在提高模具使用寿命方面的典型案例，并就表面强化新技术在提高模具使用寿命方面的应用前景进行了展望。
  
　　表面强化技术不仅能够提高模具表面耐磨性及其它性能，而且能够使模具内部保持足够的强韧性，这对于改善模具的综合性能、节约合金元素、大幅度降低成本、充分发挥材料的潜力以及更好地利用模具新材料都是十分有效的。实践证明，表面强化处理是提高工模具质量和延长模具使用寿命的重要途径。

模具表面强化处理按其原理可分为化学热处理、表面涂覆处理和表面加工强化处理。模具表面强化处理的方法多种多样，不仅包括传统的表面淬火技术（如感应淬火、火焰淬火等）、热扩渗技术（如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等）、热喷涂技术、堆焊技术和电镀硬铬技术外，还有近 20 年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术（ PVD ）、化学气相沉积技术（ CVD ）、离子注入技术等。由于激光和电子束等新能源的能量集中、加热迅速、加热层薄、自激冷却、变形很小、无需淬火介质、有利于环境保护、便于实现自动化等优点，因而在金属材料特别是模具材料表面强化方面的应用越来越广。

表面工程技术应用于模具表面，可达到如下目的。

（ 1 ）提高模具表面硬度、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；

（ 2 ）提高模具表面抗擦伤能力和脱模能力，提高生产率；

（ 3 ）采用碳素工具钢或合金钢，经表面涂层或合金化处理后，可达到甚至超过高合金化模具材料甚至硬质合金的性能指标，不仅可以大幅度降低材料成本，而且可以简化模具制造加工工艺和热处理工艺，降低生产成本。

（ 4 ）可用于模具的修复。尤其是电刷镀技术可在不拆卸模具的前提下完成对模具的修复，且能保证修复后的工作面仍有足够的粗糙度，因而倍受工程技术人员的重视。

（ 5 ）可用于模具表面的纹饰，以提高其塑料制品的档次和附加值。

1 表面强化技术在模具制造和修复中的应用

（ 1 ）表面形变强化技术。

表面形变强化可以使模具表面产生冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除电火花加工而产生的表面变质层，提高模具的疲劳强度，抗冲击磨损性能，从而达到提高模具使用寿命的目的。主要适用于落料模、冷冲模、冷镦模和热锻模等以疲劳失效形式主的模具。模具经喷丸强化后使用使命的提高见表 1 。

表 1 喷丸对模具寿命的影响 [1]

模具名称	模具材料	喷丸介质 Φ /mm	一次刃磨使用寿命 / 万次 喷丸前       喷丸后
电动机定、转子模	Cr12	0.5 铸钢丸	1.2~3.2	11.49
定子单槽冲模	Cr12	0.25~0.35 玻璃丸	52	70
一字槽光冲模	60Si2Mn	0.25~0.35 玻璃丸	0.96~1.35	2.0~2.3
活 扳手 热精压模	3Cr2W8V	0.5 铸钢丸	0.175	0.263
		0.25~0.35 玻璃丸	0.388	0.517 </TABLE

  （ 2 ）表面热扩渗技术。 #p#分页标题#e#

用加热扩散的方式使欲渗金属或非金属元素渗入模具的表面，形成表面合金层，从而提高模具表面的耐磨性、耐腐蚀性以及疲劳强度等性能。其突出特点是扩渗层与基材之间是靠形成合金来结合的（即所谓冶金结合），具有很高的结合强度，这是其它涂层方法如电镀、喷镀或化学镀、甚至物理气相沉积技术所无法比拟的。热扩渗技术又称为热渗镀技术或化学热处理技术 [2-3] 。用于热扩渗的元素很多，常用的渗入元素有碳、氮、硅、硼、铝、钒、钛、钨和硫等，二元乃至多元共渗工艺以及稀土多元共渗工艺正在模具表面强化或改性中发挥着越来越大的作用。稀土元素的加入对改善钢的表层组织结构、物理、化学及机械性能都有极大影响。稀土元素具有提高渗速（渗速可提高 25% ～ 30% ，处理时间可缩短 1/3 以上）、强化表面（稀土元素具有微合金化作用，能改善表层组织结构，强化模具表面）、净化表面（稀土元素与钢中 P 、 S 、 As 、 Sn 、 Sb 、 Bi 、 Pb 等低熔点有害杂质发生作用，形成高熔点化合物，同时抑制这些杂质元素在晶界上的偏聚，降低渗层脆性等多种功能。例如， 3Cr2W8V 钢制铝合金压铸模经 900 oC × 4h 稀土硼铝共渗后，深层厚度 30 ～ 40 μ m ，硬度 1800 ～ 2000HV ，与基体结合良好，脆性低；渗层主要由 FeAlB 和 (FeAl)2B 相组成，其抗高温氧化性能、耐磨性能均优于离子氮化和固体渗硼。生产试验结果表明，该工艺生产周期短，氧化脱碳容易控制，零件变形小，表面光洁度高，使用寿命成倍增长 [2] 。

（ 3 ）堆焊技术。

堆焊技术主要用于制造双金属模具和损坏模具的修复。在碳素钢或铸钢基体的表面上，堆焊一层具有特殊性能的表面层，使其达到耐磨、耐热或耐腐蚀的目的，可以节省大量的贵重金属，提高材料的使用寿命，具有很大的经济效益。一些经常在特殊环境下工作的模具零件，其表面磨损很严重，有的甚至破碎或断裂。采用堆焊工艺进行修复，不仅可以节省大量的贵重材料，而且堆焊修复模具的使用寿命与新制造模具寿命相当，有的甚至比新模具的使用寿命还长。例如，选用文献 [3] 研制的新型冷冲模堆焊焊条，采用堆焊工艺在普通铸铁基体上进行了大型修边模具的堆焊制造和损坏模具的堆焊修复，结果表明，采用新型冷冲模堆焊焊条在灰铁毛坯上堆焊制造大型修边模具工艺简单，堆焊模具的使用寿命与工具钢镶块模具的使用寿命相当 [4] 。

（ 4 ）热喷涂技术。

热喷涂是将喷涂材料经特定热源加热至熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化并喷射到工件表面，形成耐磨、耐腐蚀以及抗高温等特殊性能涂层的一种表面加工方法。特别适合于大型模具以及严重磨损条件下工作的模具。热作模具不仅在较高的温度环境下工作，而且遭受磨损、挤压、冲击及冷热疲劳作用，可以选用钴基自熔合金以及陶瓷来提高耐热磨损性能。例如，用工具钢制作的高熔点金属挤压模，挤压温度在 1320 oC 以上时只能进行一次作业，采用等离子喷涂 0.5 ～ 1.0mm 的氧化铝涂层后，挤压温度可达 1650oC ，喷涂氧化锆涂层，挤压温度可达 2370oC ，模具的使用寿命可延长 5~10 倍 [5] 。表 2 列出了模具表面热喷焊工艺的部分实例。

表 2 模具表面热喷涂强化应用实例 [6]

   

模具名称	原材料及处理工艺		新用材料及喷焊工艺			使用效果
	基材	处理工艺	基材	喷焊合金	喷焊工艺
耐火砖模	45 钢	热处理	45 钢	Ni55	火焰二步法	寿命提高 9 倍
玻璃模具	铸铁	热处理	铸铁	Ni25	火焰一步法	寿命提高 5 倍
热作模具	3Cr2W8V	热处理	45 钢	钴基合金	等离子喷焊	寿命提高 2 倍
冷冲模冲头	2Cr13	热处理	Q235-A	FeNi15	火焰二步法	寿命提高 7 倍 </TABLE #p#分页标题#e#

  （ 5 ）电镀及化学镀技术。

作为模具表面强化技术，首选镀铬层，它具有耐磨、减摩、耐热、耐腐蚀、摩擦系数低、防咬合等特点，改善模具表面性能，提高模具寿命功能。主要用于塑料模、橡胶模、玻璃模等型腔模的表面硬化。镀硬铬层既可以作为模具表面的耐磨层，也可以对旧模具进行修复。例如塑料膜型腔镀硬铬或通过镀硬铬进行修复后，不仅模具使用寿命延长，而且压缩过程中有利于塑料流动充满型腔，便于脱模，塑料件表面光亮。但电镀层与钢的结合强度有限，以及热膨胀系数差异大等问题，不能用于经受急冷急热作用的热作模。电刷镀 Co-N 、 Co-Mo 镀层，化学镀 Ni-P 镀层， Ni-SiC 、 Ni-B 弥散镀层等都在模具表面得到了应用，提高了模具的使用寿命，多新的特点而被广泛用于微电子和光电子工业，用于沉积多种功能膜层。目前正在耐磨、耐蚀、装饰等领域开展应用研究。

（ 6 ）电火花强化技术。

电火花表面强化技术是利用电火花放电时释放的能量把作为火花放电电极的导电材料（如 WC 、 TiC ）熔渗进模具的表面，起到强化模具表面的作用。模具经过电火花强化之后，为了得到所要求的精度，可进行适当的磨削加工，但磨削后并不会影响强化层的硬度和耐磨性（在保持表面层硬度的条件下）。磨削后在强化表面会残留微孔，将显著改善配合零件的润滑条件，另一方面又可改善耐磨性能。使用寿命可延长数倍。

该方法较其他方法简单，效果好，因而它在实际生产中得到广泛的应用。利用电火花装置，可强化冷冲模、压弯模、拉深模、挤压模、压铸模和某些热冲、热锻模具。一般经强化的模具，可提高使用寿命 0.5 ～ 2 倍 [7] 。

（ 7 ）激光表面强化技术。

近几年来，激光热处理技术在汽车工业、工模具工业中得到了广泛的应用。它改善金属材料的耐蚀性，特别是在模具工业中，经激光热处理的模具的组织性能比常规热处理有很大的改善。激光表面强化技术主要包括激光淬火、激光熔凝硬化、激光合金化、激光熔覆等。

1 ）激光表面淬火；

由于激光处理时的冷速极快，可使奥氏体晶粒内部形成的亚结构在冷却时来不及回复及再结晶，从而可获得超细的隐针马氏体结构，可显著提高强韧性，延长模具使用寿命。现用于激光淬火的模具材料有 CrWMn 、 Cr12MoV 、 9CrSi 、 T10A 、 W6Mo5Cr4V2 、 W18Cr4V 、 GCr15 等。这些钢种经激光淬火后，其组织性能均得到很大的改善。例如 GCr15 冲孔模，把其硬度由 HRC58 ～ 62 降至 HRC45 ～ 50 ，并用激光进行强化处理，白亮层硬度为 HV849 ，基体硬度为 HV490 ，硬化层深度为 0.37mm ，模具使用寿命提高 2 倍以上 [8] 。又如 CrWMn 钢加热时易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳化物，显著增加脆性，降低冲击韧性，耐磨性也不能满足要求。采用激光淬火可获细马氏体和弥散分布的碳化物颗粒，消除了网状。在淬火回火态下激光淬火可获得最大硬化层深度及最高硬度 HV1017[9] 。 Cr12MoV 钢激光淬火后的硬度、抗塑性变形和抗粘磨损能力均较常规热处理有所提高 [10] 。 W6Mo5Cr4V 及 W18Cr4V 高速钢激光淬火后具有较常规淬火更高的硬度 , 中温回火可以进一步提高激光硬化层的硬度，这是由于激光超快速加热时固溶了更多的碳及合金元素所致 [11 ， 12] 。

2 ）激光表面熔凝硬化；

用高能激光照射模具表面，被照射区将以极高的速率熔化，由于熔化区相对于模具基体来说非常下，冷却速度极快。 5CrMiMo 渗硼层在激光熔凝处理后，与原始渗硼层相比，强化层深度增加，强化层硬度趋于平缓，渗硼层的脆性得以改善 [13] 。

3 ）激光表面合金化；

激光表面合金化是采用激光照射预先涂敷在模具表面的合金涂敷层，使之熔化并与基体表面混合，形成物理状态、组织结构和化学成分不同于基体的新表层，从而提高模具表面的耐磨性、耐腐蚀性和高温抗氧化性等。 CrWMn 经复合粉末激光合金化，可使耐磨性大大提高，其体积磨损量为淬火 CrWMn 的 1/10 ，寿命提高 14 倍 [14] 。 M2 高速钢激光表面钴合金化后，表面层 Co 含量可达 2% ～ 5% ，合金化层中 Co 含量的变化受激光工艺参数和预沉积 Co 厚度控制，合金化层硬度可达 700~800HV ，再经过热处理后硬度可达 HV1150 ，明显高于 M2 高速钢基体 [15] 。

4 ）激光表面熔覆；

激光表面熔覆采用激光束在选定的模具表面熔覆一层特殊性能的材料，以达到模具表面具有耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能。激光表面熔覆与火焰喷焊、等离子喷焊相比具有以下优点：①熔覆层稀释率低，且可以精确控制；②激光束的能量密度高，作用时间短，对模具基体热影响区及热变形均可降低到最小程度；③熔覆层组织细密微观缺陷少，结合强度高；④熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制；⑤激光表面熔覆对环境无污染，无辐射，噪音低，劳动条件得到较大改善。例如，在有送粉器的 2KWCO2 激光器上，对 4Cr5MoV1Si 基体表面熔覆一层由 Ni 基高温合金和 WC+W2C 粒子组成的高温耐磨合金粉末，可获得多道搭接的大面积高温耐磨合金。该工艺应用于轧钢机导向板效果显著，经生产检验，激光熔覆导向板的寿命较 4Cr5MoV1Si 钢导向板提高 4 倍以上。另外采用激光熔覆方法还可以将失效的导向板重新熔覆继续使用 [16] 。目前如何避免大型工件的熔覆层开裂以及如何降低激光熔覆成套设备的成本仍是该方法需要解决的关键问题。

（ 8 ）物理气相沉（ PVD ）。

物理气相沉积技术具有处理温度低、热畸变小、无公害、容易获得超硬层、涂层均匀等特点，被应用于精密模具表面强化处理，显示出良好的应用效果。采用 PVD 处理获得的 TiN 层可保证将塑料模的使用寿命提高 3 ～ 9 倍，金属压力加工工具寿命提高 3 ～ 59 倍。例如，录音机磁头外壳拉深模采用 PVD 涂敷 TiN 处理后，可大大提高模具的使用寿命，如表 3 。

表 3 用 PVD 涂敷 TiN 的拉深模具寿命 [17]

 

模    具	平均寿命 / 万次
Cr12MoV 钢制模具	1~3
YG20 硬质合金模具	13
YG20 硬质合金模具经 TiN 沉积	＞ 45
日本进口硬质合金模具	80~100

#p#分页标题#e#

从表 3 可以看出， YG20 硬质合金模具经 TiN 沉积处理后，模具寿命可以提高 3 倍以上，但比日本进口的硬质合金模具的寿命还有一定的差距。

（ 9 ）化学气相沉积（ CVD ）。

化学气相沉积技术最初发展的原动力是微电子技术，用该方法可以在模具表面涂覆厚度为 10 μ m 左右的超硬陶瓷材料，如 TiN 、 TiC 、 TiB2 、 Ti （ CB ）等，使模具表面具有硬度高、摩擦系数小、抗粘接性能好、耐磨性、耐蚀性以及耐氧化性好等优点。 CVD 处理的模具形状不受任何限制。 CVD 可以在含碳量大于 0.8% 的工具钢、渗碳钢、高速钢、轴承钢、铸铁以及硬质合金等表面上进行。气相沉积 TiC 、 TiN 能应用于挤压模、落料模和弯曲模，也适用于粉末成型模和塑料模等。在金属模具上涂覆 TiC 、 TiN 覆层的工艺，其覆层硬度高达 3000HV ，且耐磨性好、抗摩擦性能提高、冲模的使用寿命可提高 2 ～ 12 倍。模具表面 CVD 法涂覆后使用寿命的提高如表 4 所示。

表 4 模具采用 CVD 法涂覆后对使用寿命的影响

模具种类	模具材料	涂层种类	使用寿命提高倍数
切边模	W6Mo5Cr4V2	TiC+TiN	8
弯曲模	Cr12	TiN	8
深冲模	Cr12MoV	TiC	10
冲模	Cr12MoV	TiC+TiN	8 </TABLE

（ 10 ）离子注入。

离子注入是将所需要注入的原子（通常有 Ni 、 Ti 、 Ta 、 Cd 、 B 、 N 等）在加速器的离子源中电力为离子，然后通过离子加速器的高压电场将其加速成具有几万到几十万电子伏的高能离子束流，再经磁分析器提纯后，离子束流强行注入固体表面，获得所期望的具有特殊物理、化学或力学性能的工件表面。

从原理上讲，各种工模具材料均可通过离子注入进行表面强化，改善抗磨损特性并使改性层韧化。考虑到改性效果和最大经济效益，常用合金元素含量较高的中高合金材料。目前研究和应用较多的材料为 W18Cr4V 、 W6Mo5Cr4V2 、 W9Mo3Cr4V 、 Cr12MoV 、 H13 等。离子注入提高模具寿命的实例如表 5 所示 [18] 。

表 5 离子注入模具表面改性应用实例

模具名称	模具材料	注入离子	改性效果
铆钉冲模	T10 钢	N +	延寿 3 倍
轮胎钢丝拉丝模	Co-WC 合金	N +	延寿 2.4 倍
铝型材挤压组合模	H13 钢	Ti +	降低挤压力 1 5%
铝型材挤压平模	H13 钢	Ti + +C +	降低挤压力 1 0 %
拉丝模	Co-W 合金	N, C, Co	延寿 3.5 倍
孔冲模	W18Cr4V 钢	IBAD 技术	延寿 5 倍
切边模	Cr12MoV 钢	IBAD 技术	延寿 3 倍
冲孔冲头	M2 高速钢	N + , PS Ⅱ	延寿 70 倍

#p#分页标题#e#

2 结束语

探讨表面强化技术在模具制造中的应用具有重要的实际意义。通过表面处理，可以改变模具表层的成份和组织，可使模具具有内部韧、表面硬、耐磨、耐热、耐蚀、抗疲劳、抗粘结的优异性能，可几倍乃至几十倍地提高模具使用寿命。相对于模具制造的总费用来说，表面强化工艺成本较低，而模具寿命可提高几倍甚至几十倍，具有事半功倍之效。模具表面强化处理的方法很多，结合各种模具的工作条件及其使用的经济性等因素综合考虑，正确运用表面强化技术是提高模具寿命的一个行之有效的重要途径。尽管表面技术特别是新型表面强化技术在模具制造中的应用还相对较少，但随表面工程技术的发展，表面强化技术在模具制造领域将会得到极其广阔的应用，必将使模具的选材和制造技术产生巨大的变化。