淺述壓鑄模具表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

梁?jiǎn)⑸S忠斌，張小巖，張世珍，李光明

（1.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州 310027；2.寧波大榭開發(fā)區(qū)天正模具有限公司，浙江寧波 315000；3.寧波市光明機(jī)床汽配有限公司，浙江寧波 315000）

壓鑄是一種在高溫條件下，將熔融合金高速高壓注入精密壓鑄模，短時(shí)間內(nèi)大量生產(chǎn)高精度并且鑄面優(yōu)良的鑄件的鑄造方式，具有生產(chǎn)效率高、作業(yè)面積小、尺寸精度高、鑄件加工余量小等優(yōu)點(diǎn)。然而，壓鑄模服役時(shí)極為嚴(yán)苛的加工環(huán)境，使得壓鑄模壽命成為制約壓鑄效益的一個(gè)很關(guān)鍵的因素。一般壓鑄模具的失效都是從表面失效開始的。壓鑄過(guò)程中，壓鑄模具承受很大的鎖模力、鋁液的高壓沖擊、壓射反應(yīng)力等，巨大地應(yīng)力沖擊容易導(dǎo)致模具表面開裂失效，尤其是受力面積小的鑲件和尖角部位，因此需要模具表面具有極高的硬度和耐磨性能。此外，壓鑄過(guò)程中模具內(nèi)的熱環(huán)境也極其惡劣，受高溫鋁液的沖擊造成的急熱急冷，使壓鑄模表面產(chǎn)生很大交替熱應(yīng)力，模具表面還需要具有極高的耐溫性、熱穩(wěn)定性和抗熱疲勞性。為實(shí)現(xiàn)上述性能要求，單是從基材改良方面出發(fā)無(wú)疑是很不經(jīng)濟(jì)和困難的，因此表面強(qiáng)化技術(shù)成為解決這一問題的有力措施。

為實(shí)現(xiàn)模具表面強(qiáng)化，模具制造過(guò)程中最基本的方法是利用淬火-回火-拋光這一傳統(tǒng)熱處理工藝，這種工藝目前基本所有的壓鑄模具都會(huì)使用，但對(duì)模具鋼材硬度、耐高溫等性能也只是小幅度提升，難以滿足實(shí)際工況需求，因此仍需更強(qiáng)力的表面強(qiáng)化技術(shù)。

目前應(yīng)用于模具主流的表面強(qiáng)化技術(shù)，是通過(guò)表面涂覆、表面改性或復(fù)合處理等技術(shù)，在模具材料表面制備一層硬膜或滲層，從而改變模具表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能。本文將通過(guò)低溫化學(xué)熱處理、表面涂覆和高能束處理技術(shù)這幾方面展開，總結(jié)當(dāng)前適用于模具領(lǐng)域的表面強(qiáng)化技術(shù)，并作出展望。

1 低溫化學(xué)熱處理

低溫化學(xué)熱處理是表面工程領(lǐng)域重要的組成部分，是指通過(guò)在工件表面滲入一種或幾種元素形成化合物，從而提升工件的表面性能的熱處理工藝。由于其處理溫度低，一般能在保持基體材料強(qiáng)韌性的基礎(chǔ)上賦予表面獨(dú)特的性能。目前常用的工藝有滲氮、碳氮共滲、硫碳氮共滲及多元共滲等[1]，其中，以滲氮技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。

滲氮是指在一定溫度下、一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。工業(yè)生產(chǎn)中使用的滲氮方法主要有三種[2]，如表1 所示。

表1 滲氮方法

其中氣體滲氮為最早發(fā)展出的滲氮工藝，設(shè)備簡(jiǎn)單，但由于處理周期長(zhǎng)（如滲氮層厚度為0.6mm 時(shí)，其保溫時(shí)間可達(dá)90 小時(shí)），能耗大，目前多通過(guò)多段滲氮的方式[3]，形成溫度梯度，提升滲氮速率。液體滲氮是一種較新的滲氮工藝，生產(chǎn)溫度低、時(shí)長(zhǎng)短，但其滲氮層厚度較薄，而且由于其溶鹽反應(yīng)具有毒性，該項(xiàng)工藝的應(yīng)用受到很大限制。與之相比，離子滲氮由于良好的特性，逐漸成為了當(dāng)下應(yīng)用最廣泛的滲氮工藝，被中國(guó)熱協(xié)稱為二十一世紀(jì)的“綠色”滲氮方法，是目前滲氮工藝的研究熱門。

離子滲氮是利用稀薄含氮?dú)怏w產(chǎn)生輝光放電對(duì)金屬材料表面進(jìn)行滲氮處理的低溫等離子體技術(shù)。離子滲氮后工件表面會(huì)生成兩部分富氮區(qū)域，表層為由ε 相（Fe2N 為基的固溶體）和γ' 相（Fe4N為基的固溶體）組成的化合物層[4]，具有很好的硬度和耐磨性，但是韌性低、脆性大，線性熱膨脹系數(shù)與基材不同，微裂紋一經(jīng)萌生，迅速擴(kuò)展成為粗大的一次裂紋，抗疲勞性能差，在反復(fù)使用過(guò)程中容易開裂、脫落?；衔飳酉聻榈cMo、V、Cr 等生成的多種合金氮化物與鐵素體組成的擴(kuò)散層，其微觀結(jié)構(gòu)與基材相似。擴(kuò)散層硬度高、韌性高，而且氮化物比容一般大于鐵，滲氮后在模具表面可形成較大的殘余壓應(yīng)力，抵消部分外加拉應(yīng)力，從而使擴(kuò)散層抗疲勞強(qiáng)度顯著提高[5]。對(duì)于壓鑄模具滲氮，一般要求表層材料具有出色的抗熱疲勞性，因此很多工藝的研究集中在無(wú)化合物層的離子滲氮技術(shù)上。目前離子滲氮工藝發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面。

1.1 表面預(yù)處理結(jié)合離子滲氮

表面預(yù)處理是指預(yù)先改變材料表面活性，提升對(duì)氮的吸收性能，實(shí)現(xiàn)快速滲氮。如最初的預(yù)氧化滲氮[6]，利用氧化膜在離子轟擊和氫離子的還原下，形成的失氧空位，為氮離子提供快速滲入通道，提升離子滲氮速率。但預(yù)氧化滲氮只有在氧化膜完全還原后才會(huì)產(chǎn)生快速擴(kuò)滲的作用，因此氧化膜厚度成為一個(gè)很關(guān)鍵的控制參數(shù)，氧化后形成的脈狀疏松也成為限制其應(yīng)用的重要因素。此外，還有向滲氮?dú)夥罩屑尤攵栊詺怏w催滲的方法，主要是利用惰性氣體離子轟擊活化模具表面，增加氮的擴(kuò)散通道，加快滲氮速率。如顧彩香等[7]人在熱分解氨的基礎(chǔ)上加入氬氣后進(jìn)行離子滲氮后，相同時(shí)長(zhǎng)后生成的滲層厚度增加了30%左右，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了加氬滲氮可減小輝光層厚度，有利于狹縫、小孔處滲氮。

表面預(yù)處理的另一個(gè)研究熱點(diǎn)是利用表面納米化技術(shù)[8]，在工件表面產(chǎn)生大量塑性變形，細(xì)化晶粒，同時(shí)生成大量位錯(cuò)和缺陷，為氮元素的滲入提供良好的表面環(huán)境。常用的表面納米化技術(shù)有表面機(jī)械研磨、超聲波噴丸、激光誘導(dǎo)沖擊等。相比于機(jī)械研磨和噴丸處理，激光沖擊強(qiáng)化能量集中，材料表面損傷小，更適合于處理模具這類復(fù)雜的部件。如唐磊等[9]利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的沖擊波在金屬表層產(chǎn)生約200μm 的變形層，相同離子滲氮條件下，化合物層厚度和有效擴(kuò)散層厚度都提高到傳統(tǒng)離子滲氮的2 倍左右，同時(shí)激光預(yù)處理顯著提高了試樣表面硬度。此外，還有引入稀土催滲的方法，利用稀土元素的超大原子半徑，滲入后導(dǎo)致規(guī)則排列的晶格結(jié)構(gòu)錯(cuò)排，缺陷增多，從而增加氮元素的擴(kuò)散通道，提高了滲氮速度。

1.2 多樣化元素組合滲入

區(qū)別于傳統(tǒng)滲氮工藝，現(xiàn)多通過(guò)多種元素一定比例的配合作為滲劑等方式，提升離子滲氮速率，加強(qiáng)滲氮效果。其中應(yīng)用最廣泛的是氣體軟氮化工藝，采用尿素、甲酰胺和三乙醇胺作為共滲介質(zhì)，在軟氮化溫度下熱分解生成活性碳、氮原子，逐漸滲入金屬。軟氮化后會(huì)在最外層生成化合物層（“白化層”），此時(shí)的化合物層中因?yàn)榛煊刑?，其熱膨脹系?shù)與基材接近，且擁有出色的硬度和耐磨性，但化合物層性能受碳、氮比例影響較大，是這項(xiàng)工藝中極難拿捏的工藝參數(shù)。與此類似的還有離子硫氮共滲、離子氧氮共滲、離子氧氮碳三元共滲等技術(shù)。

除了滲入上述非金屬元素，現(xiàn)還采用金屬共滲的方式，如徐永禮等[10]對(duì)H13 鋼經(jīng)Re-N-C-SV-Nb 鹽浴多元共滲后，滲層中生成的釩鈮碳氮化物細(xì)化了晶粒，在位錯(cuò)上起釘軋作用，阻礙了位錯(cuò)向更穩(wěn)定的組態(tài)分布運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生位錯(cuò)塞積強(qiáng)化，使工件表面的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌度、抗熱疲勞性都得到了顯著提高。

1.3 離子滲氮工藝升級(jí)

離子滲氮工藝雖然高效、綠色，但其一直存在一些難以解決的技術(shù)問題，限制著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。如高壓作用下有時(shí)產(chǎn)生的大電弧會(huì)破壞磨損金屬工件，工件中的深孔、小孔等部分容易發(fā)生空心陰極效應(yīng)，使工件上某部分溫度過(guò)高且硬度降低，造成滲氮層不均勻的現(xiàn)象[11]。為解決上述問題，現(xiàn)多采用脈沖直流電源施加電壓，利用脈沖間隙避免載流子的聚集，抑制空心陰極效應(yīng)和表面打弧，國(guó)內(nèi)外相繼推出一系列的脈沖電源離子滲氮爐，如德國(guó)Klockner公司研制的斬波式直流脈沖電源，我國(guó)湖北豐熱科技有限公司制造的脈沖電源離子滲氮爐等。

此外，近年來(lái)Georges 提出的活性屏離子滲氮技術(shù)（ASPN）受到了國(guó)內(nèi)外滲氮領(lǐng)域的廣泛青睞[12]。其在工件表面加一層圓形鐵籠替代工件作為陰極，輝光效應(yīng)后，電離生成的等離子體轟擊活性屏，預(yù)先形成不同比例的FexN，然后堆積在工件表面，利用輻射熱能再次分解擴(kuò)散，形成滲氮層。如此改變可以解決離子滲氮過(guò)程中一些難以處理的技術(shù)問題，如工件打弧、空心陰極效應(yīng)、工件溫度測(cè)量困難等，可有效推廣離子滲氮技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。

2 表面涂層技術(shù)

表面涂層技術(shù)是指利用某種方式將涂層材料與基材結(jié)合到一起，形成具有一定硬度和耐磨性的表面保護(hù)層。對(duì)于模具領(lǐng)域的應(yīng)用，一般表面涂層多選為硬質(zhì)鍍層，構(gòu)成主要以氮化物為主，特別是IVA、VA、VIA 金屬族的氮化物。氮化物涂層中研究最早的兩種是二元氮化物TiN 和CrN，隨著工業(yè)對(duì)其廣泛應(yīng)用和發(fā)展，逐漸形成了以Ti 基和Cr 基構(gòu)成的兩個(gè)涂層體系。其中，Cr 基鍍層相對(duì)于Ti 基鍍層，雖然其硬度相比較低，但Cr 基鍍層與基體的結(jié)合力更高，抗氧化性更強(qiáng)，耐磨性更強(qiáng)、內(nèi)應(yīng)力更小，因此模具制造中多選用Cr 基涂層。模具沉積涂層后，可以顯著提升模具表面硬度、耐磨性等，同時(shí)還可減小粘附傾向，使脫模更容易，通常可避免使用脫模劑。

結(jié)構(gòu)單一的二元氮化物涂層雖能一定程度上提升工件表面性能，但是性能單一，除在簡(jiǎn)單工況下使用外已無(wú)法滿足復(fù)雜工況的需求。為滿足更加嚴(yán)苛的工業(yè)要求，目前硬質(zhì)涂層的研究熱點(diǎn)集中在多元化元素組成、多層結(jié)構(gòu)涂層、功能梯度化這幾個(gè)方面[13]。多元氮化物涂層通過(guò)引入其他合金元素，提高表面涂層的性能。如往CrN 中引入Al 后生成的CrAlN 涂層，其中Al 和N 以共價(jià)鍵結(jié)合，熱穩(wěn)定性增加，晶粒更加均勻細(xì)小，涂層具有出色的硬度，形成的Cr2O3和Al2O3，結(jié)構(gòu)致密，擁有出色的耐磨性和抗氧化性，此外Cr2O3和Al2O3生成后體積膨脹，在涂層表面形成壓應(yīng)力，增強(qiáng)了模具表面的抗疲勞性能。特別是對(duì)于壓鑄模具的模芯、滑塊、鑲件等成型部件效果十分明顯。多層結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層是在垂直于一維方向上具有多層成分或結(jié)構(gòu)不同的涂層交替的多層結(jié)構(gòu)，其利用多層結(jié)構(gòu)的界面效應(yīng)和層間耦合效應(yīng)獲得更高的韌性。目前最具有代表性的為納米多層超點(diǎn)陣涂層技術(shù)。

表面涂層的制備方法有很多，其中應(yīng)用最廣泛的是熱噴涂法和氣相沉積法。

2.1 熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)是一種涂層材料送入某種熱源（電弧、燃燒火焰、等離子體等）中熔化，并利用高速氣流將其噴射到基體材料表面形成涂層的工藝。熱噴涂在模具修復(fù)上應(yīng)用較多，其使用的材料和工藝方法選擇范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)高效率修復(fù)的同時(shí)獲得強(qiáng)化效果明顯的模具零件表面。但傳統(tǒng)熱噴涂后模具表面粗糙值較大，涂層內(nèi)部與模具表面為半機(jī)械結(jié)合，結(jié)合處容易出現(xiàn)裂紋或其他缺陷，影響了熱噴涂技術(shù)在模具領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。近年來(lái)開發(fā)出的熱噴涂納米涂層技術(shù)[14]，使熱噴涂涂層質(zhì)量大幅提高，并為熱噴涂設(shè)備的研發(fā)帶來(lái)新一輪的研究熱潮。熱噴涂納米涂層技術(shù)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是制造納米粉體再造粒，是通過(guò)球磨混粉、噴霧干燥團(tuán)聚、高溫?zé)Y(jié)致密化等手段，將所需成分組成的納米尺度初始粉體制備成納米結(jié)構(gòu)的可噴涂粉體喂料，可噴涂粉體喂料致密程度和組織結(jié)構(gòu)決定著涂層的最終性能。目前常用的熱噴涂方法有三陰極等離子噴涂、高能等離子噴涂和超音速電弧與火焰噴涂等，其中以等離子噴涂技術(shù)最為成熟[15]。

2.2 氣相沉積技術(shù)

相比熱噴涂，氣相沉積法適用的溫度更低，對(duì)模具基材更加友好。氣相沉積法主要分為化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD），CVD 技術(shù)是由反應(yīng)氣體與基材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成表面涂層，但其反應(yīng)溫度極高（一般都高于900℃），實(shí)際中很少使用。PVD 技術(shù)適用于低溫，對(duì)沉積和基體材料限制寬松，且對(duì)環(huán)境友好，是目前工業(yè)中應(yīng)用最為普遍的沉積方法。

PVD 技術(shù)是在真空條件下，經(jīng)過(guò)某種方式的能量注入，使得涂層材料（靶材）表面氣化為活性由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，以原子或分子形式蒸發(fā)，再逐漸堆積在工件表面，形成強(qiáng)化涂層。按照能量注入方式的不同，PVD 技術(shù)主要可以分為真空蒸鍍、離子濺射鍍。蒸發(fā)鍍是發(fā)展最早的PVD 技術(shù)，其利用電阻加熱涂層材料，使其熔化蒸發(fā)并沉積在基體表面形成膜層。其設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，但其繞射性差，較難滿足復(fù)雜形狀工件的要求。濺射鍍是利用荷能離子轟擊靶材表面,通過(guò)粒子的動(dòng)量傳遞轟擊出靶材中的原子及其他粒子,并使其沉積在基體上形成膜層的技術(shù)，其中應(yīng)用最廣泛的是磁控濺射鍍，也是目前主流的PVD 技術(shù)，磁控濺射鍍是在傳統(tǒng)PVD 技術(shù)上引入磁場(chǎng)，利用洛倫茲力增強(qiáng)等離子體轟擊效應(yīng)，具有沉積速率高、鍍膜質(zhì)量高、工藝穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本[16]。

3 高能束表面處理

高能束表面處理利用高密度能量源，照射或注入材料表面，使材料表層成分、組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變材料性能。高能束表面處理技術(shù)主要包括兩個(gè)方面[17]：一是利用離子注入或等離子體碳氮化技術(shù)將異類原子直接引入表面中進(jìn)行合金化，過(guò)程雖與離子滲氮相似，但離子能量卻是其很多倍，可以使表面性能得到大幅度的提升。近年來(lái)開發(fā)出的多功能強(qiáng)束流離子注入機(jī)，也使得這項(xiàng)技術(shù)逐漸走向商業(yè)實(shí)用化。二是利用激光器和電子束發(fā)生器可獲得極高的加熱和冷卻速度,可制成微晶、非晶及其他一些奇特的亞穩(wěn)態(tài)合金,從而賦予材料表面以特殊的性能。但由于電子束發(fā)生設(shè)備和加工條件的制約，如今很少使用電子束表面處理。相反，激光技術(shù)的迅速發(fā)展，激光表面處理成為最活躍的研究方向之一。激光技術(shù)能量集中、熱影響區(qū)小、對(duì)環(huán)境友好，十分符合綠色加工的理念。通過(guò)控制激光器輸出功率的大小和方式，可以對(duì)材料進(jìn)行加熱、熔化、氣化等，從而得到不同的表面強(qiáng)化作用。目前主要的激光表面強(qiáng)化工藝有：激光表面相變硬化、激光表面重熔、激光熔覆、激光沖擊硬化、激光表面納米化等。

我國(guó)目前在激光表面強(qiáng)化領(lǐng)域，特別是激光熔覆方面開展了大量深入的研究，對(duì)于激光熔覆技術(shù)基本特性、不同材料與基體組合的激光熔覆工藝及參數(shù)、激光熔覆基礎(chǔ)理論和模型、激光熔覆過(guò)程裂紋形成與消除機(jī)制等方面均有了較為成熟的理論成果[18]。雖然目前激光涂覆還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，但在不遠(yuǎn)的將來(lái)，激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其強(qiáng)度將會(huì)不斷的擴(kuò)大，在表面強(qiáng)化處理領(lǐng)域占據(jù)更為重要的地位。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著汽車輕量化的趨勢(shì)，市場(chǎng)對(duì)大型精密化壓鑄模具性能的要求更加嚴(yán)苛，表面強(qiáng)化技術(shù)也將扮演更為重要的角色，同時(shí)伴隨著“綠色制造”的要求，等離子體和激光表面技術(shù)等更為節(jié)能和環(huán)境友好的表面處理技術(shù)將會(huì)迎來(lái)更為廣闊的發(fā)展前景。各項(xiàng)技術(shù)在各自獨(dú)立發(fā)展的同時(shí)，也出現(xiàn)了與傳統(tǒng)強(qiáng)化技術(shù)交叉發(fā)展的趨勢(shì)，不斷突破其適用范圍和實(shí)用性制約。如近年來(lái)發(fā)展出的離子束輔助沉積（IBAD）技術(shù)，表面納米化技術(shù)等，彼此間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲得了出色的表面處理效果。為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的需求和科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展,有理由認(rèn)為等離子體和激光表面處理將是之后整個(gè)表面強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展的重要支柱。