表面覆层技术在模具制造中的应用

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1、表面覆层技术在模具制造中的应用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]覆层技术物理气相沉积（PVD技术）　　　　　　1引言　　国内模具产业发展迅速，产值已经

2、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

3、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CERTESSSD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。2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

4、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

5、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）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

6、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

7、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

8、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。4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，ColoradoSchoolofMines(CSM)的D.Zhong和J.J.Moore等提出多层优化涂膜的结构是：①