H13钢压铸模具的表面改性(二）

    H13钢的表面改性    
    压铸模具的使用寿命决定于很多因素：模具设计的合理性，模具材料选择正确性，模具机械加工和热处理工艺的合理正确制订，当然还应涉及模具的使用条件和维护。其中模具材料的质量和热处理是相当重要的关键因素。热处理应包括整体工件的热处理和工件的表面改性。相关的标准主要有北美压铸协会标准、法国汽车工业会、德国钢铁协会、材料协会和压铸协会的标准，还有通用汽车、福特汽车的推荐标准等。对H13钢整体热处理和检测十分重要，我们将另有专论。    
    H13钢锻模和铝合金压铸模的表面改性目前主要在以下两个方面：（1）铁素体氮碳共渗和硫氮碳共渗技术和（2）PVD涂层技术。国内外在这两方面进行的研究论文有了发表， 但具体工业应用报导不多。专门从事材料表面改性技术的法国HEF集团在一些国际性会议上以论文形式报导了H13钢表面改性工业应用的实例，同时艾福表面处理技术（上海）有限公司（HEF Shanghai）结合舍福表面处理技术有限公司（TS Shanghai）的实践汇同国外的相关文献（尤其是NADCA的专家和Case Western Reserve 大学教授的工作）作一定描述。    
    国内普遍认为， 热疲劳发生龟裂损伤和热磨损是热作模具失效的两大主要原因。这方面，国外的相关文献叙述得十分明确：模具的损坏和限制模具寿命上升的三个机制为：1)液态金属铝的粘焊（soldering）和化学冲蚀损伤。2)磨损和腐蚀。3)热疲劳开裂。其中1)是最重要的失效机制。他们提出采用铁素体氮碳共渗和离子氮化能显著提高工具钢的模具寿命。国内有关铝熔损的试验指出，当模具材料硬度为45HRC时，未表面处理的铝熔损率高达54.90％时，当采用盐浴硫氮碳共渗，其熔损率仅为0.10％，当采用盐浴氮碳共渗（软氮化）后在加上PVD处理时，熔损率更明显降低至0.10％。由此可见H13钢的表面改性的效果十分明显。    
    解决H13钢表面改性问题的最佳途径是在模具材料表面涂覆硬膜，使其不被铝合金熔液润湿，同时涂覆的硬膜也赋予模具材料表面的腐蚀磨损抗力。HEF集团对汽车转向操作系统的铝合金工件压铸成型模具中的挺杆（38CDV5，相当于H13钢）表面沉积3μm厚的CERTESS SD 涂层，其硬度可达4000～4500HV，使用温度可达800℃，还可抗铝合金的黏结，使用寿命提高至10万次，是未进行沉积处理挺杆的6~7倍。    
    对如何获得这种不被液态金属润湿的硬质膜， Colorado School of Mines(CSM)的D.Zhong和J.J.Moore等提出多层优化涂膜的结构是：①先对H13模具基体进行表面改性，如采用铁素体氮碳共渗或离子渗氮；②50～100nm的结合中间层（adhesion interlayer）如Ti或Cr；③调整基材和涂层之间由于压铸作业引起的热残余应力的中间过度层（intermediate graded layer），这可应用有限元模拟方法确定，他们举例认为，这取决于所选的工作硬化层，当工作层选用Al2O3层时，这中间过渡层为Ti－Al－N梯度层；④工作涂层，与液态金属或玻璃不相润湿（non wetting）， 对Al合金压铸，可采用CrN，TiAlN，TiCB和Al2O3等。相应多层结构膜总厚在5～8μm之间。    
    在模具工件上通过PVD技术获得优异质量的涂层， 应该依赖于高性能的设备和能优化选择的工艺参数。这种设备最好具有下述技术要求：①涂覆处理温度低；②绕涂性好；③涂层沉积均匀；④采用增强离化率技术；⑤精确的涂层成分控制；⑥一定的沉积速率；⑦能进行多层复合涂；⑧能得到纳米结构的涂层；⑨具有PVD和CVD的工作模式；⑩能边涂覆边刻蚀，获得最佳的涂层质量。