[摘要]各种模具使用寿命的提高和生产成本的降低，与所用材质及制造技术有关。由于材料的磨损和腐蚀一般发生在材料的表面，因此可以通过提高材料的表面性能来提高材料的耐磨和耐蚀性能。也可以通过同样的方法来提高模具的寿命。由此可见采用各种表面技术，加强材料表面保护有着巨大的经济意义和社会效益。

　　[关键词]模具表面　等离子喷涂工艺　陶瓷涂层

　　1　引言

　　随着现代化工业的发展，越来越多的产品需要模具加工，模具工业已成为工业发展的基础。近几年，我国模具工业一直以每年增长15%左右的速度快速发展，在世界模具产值中所占的比例显著提高。模具80%以上的失效是因为表面损伤，由于模具在承受外力时表面受力最复杂，零件结构及服役条件等因素引起的应力大多集中在表面，使表面比心部处于更严酷的工作条件下，从而导致模具表面早期破坏。此外，模具表面和心部的性能要求是不同的，很难通过材料本身或模具的整体热处理来实现。采用表面涂层能大幅度地改善和提高模具的表面性能，如硬度、耐磨性、抗摩擦性、耐腐蚀性等，提高模具型腔表面抗擦伤、抗咬合等特殊性能。从而显著提高模具的可靠性，往往可以收到事半功倍的效果。

　　2　模具表面涂层技术

　　正确的选择涂层工艺技术是实现涂层性能的重要保证。目前，涂层成形工艺主要集中在涂层的成形方法及成形过程的质量优化等。

　　(1)热喷涂技术

　　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。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。为了改善热喷涂的涂层质量，人们研究与开发了新型热喷涂工艺，如真空喷涂、静电喷涂以及喷焊等。

　　喷焊是将所形成涂层进行加热熔化，使之与基体的近表面形成牢固的冶金结合层。但由于重熔过程中基体局部受热温度达900℃以上，会产生较大热变形。

　　(2)气相沉积技术

　　气相沉积技术包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类。

　　物理气相沉积是指在真空条件下，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，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。

　　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。该技术的应用，特别是如氮化物、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。

　　(3)复合镀层技术

　　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。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，从而延长模具寿命。如在模具型腔表面刷镀0.01—0.02 mm的非晶态镀层，可使寿命延长20%—100%。

　　化学镀的均镀能力强，可在形状复杂的模具型腔基材表面均匀沉积。研究和应用最为广泛的是化学镀Ni-P合金，其硬度可达1000 HV，已接近一些硬质合金的硬度，而且具有相当高的耐磨能力。化学镀Ni-P合金复合热处理技术在模具表面处理上的应用日益广泛，尤其在塑料模具上的应用日渐成熟，在铸造模具和压铸模具上也有一定程度的应用。

　　(4)高能束技术

　　采用激光束、离子束、电子束等高能束对模具型腔进行表面改性，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，因此涂层质量较好。如利用激光材料表面强化技术，包括激光表面合金化(LC)、激光表面熔覆(LSC)等，可得无气孔的致密熔覆层。

　　(5)涂层的改性技术

　　在涂层材料中加入稀土元素，可以在涂层表面形成一层富稀土合金层，形成牢固的保护层，提高涂层的抗氧化和抗腐蚀能力;同时稀土元素具有显著地催渗作用，渗层深度可以明显增加。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。例如应用于模具型腔表面的超硬TiN膜(含稀土元素)，使模具型腔表面呈现出高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性，提高了模具的使用寿命。

　　(6)涂层的纳米化

　　在传统的涂层材料中加入零维或一维纳米质点粉体材料，可形成纳米复合镀层。用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层，可使模具寿命延长，长时间使用镀层光滑无裂纹。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2纳米粉体材料加入Ni-W-B非晶态复合镀层，可提高镀层在550—850℃的高温抗氧化性能，使镀层的耐蚀性提高2—3倍，耐磨性和硬度也都明显提高;采用热喷涂技术制作纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善。

　　3　涂层技术的发展与展望

　　目前涂层材料及其成形技术呈现良好的发展势头，具体表现在：涂层材料的性能越来越优越，对模具质量和使用寿命的提高作用更加明显;涂层成分将趋于多元化、复合化、更具针对性;在复合涂层中，各单一成分涂层的厚度将越来越薄，并逐步趋于纳米化;涂层成形工艺越来越广泛，将向更合理的方向发展。

　　我国的模具表面涂层及其成形技术经过多年发展已取得了长足的进步，但由于起步较晚，涂层材料及其成形设备已不能满足模具加工日益提高的要求。因此，积极开展涂层及其成形技术的应用性研究，对于提高我国模具制造水平具有重要意义。结合当前国内表面涂层及其成形技术的发展现状，作者认为，应从以下几个方面加强表面涂层技术的提高与应用。

　　(1)加强涂层材料的结构设计基础理论的研究，包括涂层粉体材料的成分设计、微观组织与性能等，广泛开展复合涂层技术及其应用研究。

　　(2)根据不同客户和市场需求，开发出适应不同要求的成形设备，采用新技术、新材料、新工艺降低设备能源消耗，降低加工成本。

　　(3)在传统工艺技术的基础上，进一步开展低成本成形技术的研究与开发，促进高性能涂层技术的产业化应用。

　　参考文献

　　[1]钱苗根，姚寿山，张少宗.现代表面技术[M].北京：机械工业出版社，2003：136-137.

　　[2]邓世均.高性能陶瓷涂层[M].北京：化学工业出版社，2004：579-580.