模具制造领域中的表面工程技术应用综述及展望(2)

热喷涂技术是将喷涂材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表面，形成耐磨、耐蚀以及抗高温氧化等特殊性能涂层的表面涂层方法。按加热喷涂材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，在模具表面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，广泛应用于模具表面的强化，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

气相沉积技术按照成膜机理，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，以各种物理方法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。按照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。其中采用多弧离子镀膜方法镀覆TiN、TiC 耐磨涂层已在工模具表面强化方面取得了广泛的生产应用。

3.2 化学气相沉积

化学气相沉积是采用含有膜层中各元素的挥发性化合物或单质蒸气，在热基体表面产生气相化学反应，反应产物形成沉积涂层的一种表面技术。该技术在机械工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，为解决高温腐蚀、高温强度和磨损，提供了一种很有前途的方法。采用复合电镀，可以制备各类耐磨镀层。如采用基质金属———金刚石颗粒的复合镀层、Ni-P-SiC复合镀层，用于工模具表面具有良好的耐磨性。近年来，为了提高复合镀层的耐磨性，采取了如下措施：

（1）采用合金镀层，包括Ni-Co、Ni-Mn、Ni-Fe、Ni-P镀层等，代替单金属镀层，以较大幅度地提高模具表面的硬度。 您可以访问中国科教评价网（www.NsEac.com）查看更多相关的文章。
（2）采用硬Cr层作为基质金属，可比纯Cr层耐磨性提高1- 3倍。
（3）采用聚四氟乙烯（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表明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

采用镍、钴、二氧化锆复合电刷镀液，使处理的模具型腔表面耐磨性大为提高，并有较高的硬度，镀层表面比较理想，与本体结合力强，经抛光后达到镜面，成本低，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、成本高的特点，利用复合电刷镀不仅可强化模具型腔表面，还可修复型腔面（属再制造工程），从而延长模具寿命。如在模具型腔表面刷镀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，镀层可在形状复杂的模具型腔基材表面均匀沉积。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，而且具有相当高的耐磨能力。Ni-P镀层无疑会在模具型腔表面强化中发挥作用。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，对材料表面进行加热时，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、性能等也不产生影响。因此采用这三大高能束对模具型腔进行表面改性，正引起了人们的关注。如利用激光材料表面强化技术（包括激光相变硬化（LTH）、激光表面合金化（LC）、激光表面熔覆（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，降低模具型腔表面粗糙度，大大减小磨损。

8 稀土表面工程技术

稀土表面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，最常见的几种化合物有CeO2、La2o3、LaF3、CeF3、CeS2、Y2O3及稀土硅铁等。表面工程中加入稀土元素通常采用化学热处理、喷涂、电沉积、气相沉积和激光涂覆等方法。

稀土元素对化学热处理的影响主要表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；改善渗层组织和性能。从而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高温氧化性和抗冲击磨损性。

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，使模具型腔表面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大小密切相关，稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度，膜层表面致密度明显增大。同时，加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改善，例如应用于模具型腔表面的超硬TiN膜（加入稀土元素），使模具型表面呈现出高硬度、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材料表面对激光辐照能量的吸收率，对降低能耗和生产成本，以及推广激光表面工程技术都有重要意义。稀土涂覆层经激光处理后，组织和性能发生明显改善，涂覆层的硬度和耐磨性显著 （科教范文网 lw.nSeAc.com编辑发布）
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，研究发现合金化层的显微组织明显改变，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，提高晶界的抗腐蚀性能，模具型腔表面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，有研究发现，加入混合稀土化合物的效果优于单一稀土化合物。

把稀土元素加入镀层可采用电刷镀、电镀等电沉积方法。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，明显改善了镀层的减摩性能，提高了抗腐蚀的能力，使模具型腔表面的耐磨寿命延长近5倍。

9 纳米表面工程技术展望

纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工，或赋予表面新功能的系统工程。因其以具有许多特质的低维非平衡材料为基础，它的研究和发展将产生具有力、热、声、光、电、磁等性能的许多低维度、小尺寸、功能化表面。与传统表面工程相比，纳米表面工程取决于基体性能和功能的因素被弱化，表面处理、改性和加工的自由度扩大，表面加工技术的作用将更加突出。传统材料表面的低维化材料生长、组装，以及利用低维化材料对传统材料进行表面超精加工是纳米表面工程的主体技术。纳米表面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年材料表面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。