发篇关于模具涂层的好文章

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表面覆层技术在模具制造中的应用

崔剑平

[文章摘要] 覆层技术作为提高模具表面质量的方法，极大的提高了模具的使用寿命。其主要原理就是运用物理气相沉积（PVD技术）、高能等离子体表面涂层技术、多元多层复合涂层技术等在模具表面形成强化层，金属陶瓷薄膜，这层膜具有耐磨损、抗腐蚀的功能，由于这层膜使用的材料不与铝、锌等金属溶液亲和或发生反应，所以能极大地改善压铸件的离模性能而不发生粘模现象。
[关 键 词]
5 z- r# G8 W5 A. U! ~7 ]覆层技术
物理气相沉积（PVD技术）
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1 引言

国内模具产业发展迅速，产值已经达到500多亿人民币，模具的使用寿命还比较低，仅相当于国外的1/3-1/5，由于模具表面质量造成的损失，每年达十几亿人民币。模具表面质量对模具的使用寿命有很大的影响。

模具的损坏和限制模具寿命的三个原因为：1)液态金属铝的粘（soldering）和化学冲蚀损伤。2)磨损和腐蚀。3)热疲劳开裂。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加上PVD处理时，熔损率更明显降低至0.10％。由此可见表面处理的效果十分明显

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。

表面覆层技术作为提高模具表面质量的方法，世界上著名研究机构和大学竞相开展课题研究，技术已经比较成熟，已经开始应用，已经取得很好的效益。我国这方面的研究刚处于起步阶段。

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特点

表面覆层技术包括低温化学表面涂层技术及超深层表面改性技术，它运用物理、化学或物理化学等技术手段来改变“材料及其制件表面成份和组织结构”，其特点是保持基体材料固有的特征，又赋予表面化所要求的各种性能，从而适应各种技术和服役环境对材料的特殊要求，因而它是制造和材料学科最为活跃的技术领域，又是涉及表面处理与涂层技术的交叉学科。其最大的优势在于能以极少的材料和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层，从而获得最大的经济效益，它是一种优质高效的表面改性与涂层技术。

3 常见的覆层技术

包括近年来迅速发展起来的物理气相沉积技术（JKL）、化学气相沉积技术（MKL）、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。

3.1 物理气相沉积（PVD技术）
4 t% c2 z: a/ \是在真空室中，把强化用的金属原子蒸发，或通过荷能粒子的轰 击，在一个电流偏压的作用下，将其吸引并沉积到工作表面形成强化层。利用PVD法可在工 作表面沉积碳化钛、氮化钛、氧化铝等多种化合物。在模具表面沉积一层金属陶瓷薄膜，这层膜具有耐磨损、抗腐蚀的功能，由于这层膜使用的材料不与铝、锌等金属溶液亲和或发生反应，所以能极大地改善压铸件的离模性能而不发生粘模现象。例如某厂家一个铝合金压铸件，产品质量要求很高，由于发生粘模现象，不得不压一个小时模具就得下来打磨一次，经过表面处理后，模具八个小时才下来，而且清理起来非常容易。

3.2 高能等离子体表面涂层技术
6 B6 ~2 |" X- i  D% x/ N该技术是增加表面物理化学反应，获取特殊性能覆盖层。其核心是更有效地增强和控制阴极电弧等离子体的产生和作用，美国、日本、德国大力发展该技术。等离子体增强电化学表面改性技术，是目前国际上较活跃的开发研究领域，对于铝、钛等材料，通过等离子体调光放电手段，增强电化学处理效果，在金属表面上生成致密氧化铝和其它氧化物陶瓷膜层，可使基体具有极高性能表面，是先进制造工艺的前沿技术，在机加工用刀具和模具行业也有很了的应用前景。

3.3 多元多层复合涂层技术
$ P( a8 S2 E1 b单一的表面涂层不能满足表面工程设计中苛刻的工况条件，任何表面处理均有其不同的优缺点，因为利用不同涂层材料的性能优点，在基体表面形成多元多层复合涂层（含万分渐变的梯度层）具有重大的意义。国外已开展单层涂层厚度为纳米级，层数在100层以上的多元多层复合涂层技术的研究，所制备的涂层具有较高的耐腐性、韧性和强度，和基体的结合强度也好，表面粗糙度低，这对直精高速工削机械加工十人有利。国外已列入主要发展方面，予计在纳米级精细涂层材料研究和应用领域会有新的突破。因为复合涂层技术具有抗磨损、抗高温氧化腐蚀、隔热等功能，能扩大涂层制品使用范围，延长使用寿命，是一项在下一世纪会得到迅速发展的技术。我国目前已开始研究，并取得初步成果，但还存在一些问题有待于解决。

: z8 g! @( @* N5 E4 N4
) b, [+ p' z" }  y% Y6 c模具PVD技术的应用

以模具上常用的4Cr5M0SiVl钢为例，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。

+ ?* _- e2 k% B; o- \3 {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。

法国HEF集团发展并应用等离子体增强磁控溅射（PEMSTM）技术对涂层的沉积过程进行精确的控制。应用PEMSTM技术可以达到涂层最高理论密度。HEF集团真空涂层设备和技术因此在世界上处于领先地位。概括地说，HEF的设备和技术的主要优势在于：

1) 可以独立地对离子的流量和能量进行控制，从而得到最高密度和性能的涂层；

2) 采用独特的OES系统对等离子体波长进行测量，实现涂层成分的精确控制；

3) 获得的所有硬质涂层都具有纳米级（≤20nm）结构；

4) 低电压、高真空度环境下均匀的轰击，可以极大地减弱尖角效应；

5) 在抽真空的同时进行加热，充分迅速地去除水分，获得优质、高效的沉积效果；

6) 最低处理温度可达到80℃，可用于对几乎所有材料，包括铝合金和聚合物材料进行涂层加工；

7) 一台设备同时拥有PVD和PACVD加工模式，给客户的技术升级以充分的支持。

7 L; u' |! f. i) `  e2 O1 d法国HEF集团通过艾福表面处理技术（上海）有限公司已在上海舍福表面处理技术有限公司（上海松江）投资引入两种系列的PVD/PACVD设备，现在能涂覆的硬膜涂层主要有CrN、CrxNY、TiN、TiBN、TiCN、TiALN和类金刚石DLC膜，他们对PVD涂膜前的H13钢基材等的表面改性采用液体硫氮碳共渗或液体氮碳共渗也具有鲜明特色，称作为Sursulf/Arcor（舍舍夫/阿可）技术或Tufftride/ Tenifer（由其2001年并入HEF集团的德国子公司Durferrit提供）

5 小结

表面处理技术具有学科的综合性，手段的多样性，广泛的功能性，潜在的创新性，环境的保护性，很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视，正逐步成为提高模具质量和延长使用寿命的重要途径。

参考文献 ：

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[2]王智祥, 林立杰.表面强化新技术在模具制造领域中的应用与进展.模具工业,2004(281)7:52～55

[3]包荣华.精密型腔模具的抛光技术.模具制造技术，2004，6：44～46