模具制造表面工程技術(shù)的進(jìn)展

       模具材料是模具工業(yè)的基礎(chǔ)，但即使是新型模具材料仍難以滿足模具的較高綜合性能的要求，采用表面工程技術(shù)可在一定程度上彌補(bǔ)模具材料的不足。可用于模具制造的表面工程技術(shù)十分廣泛，既包括傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、堆焊技術(shù)和電鍍硬鉻技術(shù)，又包括近20年來迅速發(fā)展起來的激光表面強(qiáng)化技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)、化學(xué)氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、熱噴焊技術(shù)、復(fù)合電鍍技術(shù)、復(fù)合電刷鍍技術(shù)和化學(xué)鍍技術(shù)等。而稀土表面工程技術(shù)和納米表面工程技術(shù)的進(jìn)展必將進(jìn)一步推動(dòng)模具制造的表面工程技術(shù)的發(fā)展。在此僅介紹稀土表面工程技術(shù)和納米表面工程技術(shù)。 

1、稀土表面工程技術(shù) 

表面工程技術(shù)中加入稀土元素通常采用化學(xué)熱處理、噴涂噴焊、氣相沉積、激光涂覆、電沉積等方法。 

(1)稀土元素對(duì)化學(xué)熱處理的影響主要表現(xiàn)為有顯著的催滲作用，大大優(yōu)化工藝過程；加入少量稀土化合物，滲層深度可以明顯增加，改善滲層組織和性能。從而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高溫氧化性的抗沖擊磨損性。 

(2)利用熱噴涂和噴焊技術(shù)，將稀土元素加入涂層，可取得良好的組織與性能，使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。 

(3)物理氣相沉積膜層性能的優(yōu)劣和膜與基體結(jié)合強(qiáng)度大小密切相關(guān)，稀土元素的加入有利于改善膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，膜層表面致密度明顯增大。同時(shí)，加入稀土元素可以使膜層耐磨性能也得到明顯改善，例如應(yīng)用于模具表現(xiàn)的超硬TiN膜(加入稀土元素)，使模具型腔表面呈現(xiàn)出高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，提高了模具的使用壽命。 

(4)含稀土化合物的涂覆層，可大幅度提高模具金屬材料表面對(duì)激光輻照能量的吸收率，對(duì)降低能耗和生產(chǎn)成本，以及推廣激光表面工程技術(shù)都有重要意義。稀土涂覆層經(jīng)激光處理后，組織和性能發(fā)生明顯改善，涂覆層的硬度和耐磨性顯著提高，耐磨性是45鋼調(diào)質(zhì)的5～6倍。對(duì)加入CeO2的熱噴涂層進(jìn)行激光重溶，研究發(fā)現(xiàn)合金化層的顯微組織明顯改變，晶粒得到細(xì)化。激光重熔加入稀土后的噴焊合金，稀土化合物質(zhì)點(diǎn)在其中彌散強(qiáng)化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蝕性能，模具型腔表面的耐磨性也大大增強(qiáng)，有的文獻(xiàn)報(bào)道稀土元素提高了耐磨性達(dá)1～4倍。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，加入混合稀土化合物的效果優(yōu)于單一稀土化合物。 

(5)把稀土元素加入鍍層可采用電刷鍍、電鍍等電沉積方法。稀土甘氮酸配合物的加入使鍍層防氧鈍化壽命明顯提高；稀土元素有催化還原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2電刷鍍鍍層中MoS2的氧化，明顯改善了鍍層的減摩性能，提高了抗腐蝕的能力，使模具型腔表面的耐磨壽命延長(zhǎng)近5倍。 

2、納米表面工程技術(shù) 

納米表面工程是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎(chǔ)，通過特定的加工技術(shù)、加工手段，對(duì)固體表面進(jìn)行強(qiáng)化、改性、超精細(xì)加工，或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。納米表面工程技術(shù)是極具應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力的。 

(1)制作納米復(fù)合鍍層。在傳統(tǒng)的電鍍液中加入零維或一維納米質(zhì)點(diǎn)粉體材料可形成納米復(fù)合鍍層。用于模具的Cr-DNP納米復(fù)合鍍層，可使模具壽命延長(zhǎng)、精度持久不變，長(zhǎng)時(shí)間使用鍍層光滑無裂紋。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復(fù)合鍍層。如將n-ZrO2納米粉體材料加入Ni-W-B非晶態(tài)復(fù)合鍍層，可提高鍍層在550-850℃的高溫抗氧化性能使鍍層的耐蝕性提高2～3倍，耐磨性和硬度也都明顯提高。采用Co-DNP納米復(fù)合鍍層，在500℃以上，與Ni基、Cr基Co基復(fù)合鍍層相比，工件表面的高溫耐磨性能大為提高。在傳統(tǒng)的電刷鍍?nèi)芤褐校尤爰{米粉體材料，也可制備出性能優(yōu)異的納米復(fù)合鍍層。 

(2)制作納米結(jié)構(gòu)涂層。熱噴涂技術(shù)是制作納米結(jié)構(gòu)涂層的一種極有競(jìng)爭(zhēng)力的方法。與其它技術(shù)相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡(jiǎn)單、涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大、沉積速率快，以及容易形成復(fù)合涂層等等。與傳統(tǒng)熱噴涂涂層相比，納米結(jié)構(gòu)涂層在強(qiáng)度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面都有顯著改善，且一種涂層可同時(shí)具有上述多種性能。