吴晓春、杨浩鹏

(上海大学材料科学与工程学院 上海 200072)

摘要：本文详细介绍了近年来兴起的冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢表面处理技术的应用，并展望了未来的发展方向。 它还描述了纳米技术和功能梯度涂层在模具中的应用。 在表面处理中的应用及低温表面处理技术的发展。

关键词：模具钢； 表面处理; 技术开发

CLC 分类号：TG156.8 文件识别码：A 文章编号：1001-2168-(2013)09-0001-06

1 简介

模具钢是现代加工工业的重要基础之一。 随着模具成型及加工技术的不断发展，对模具材料的要求也越来越高。 仅依靠钢体材料的化学成分和组织结构的改善，很难满足实际工业生产中对模具钢的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性的要求。 通过改变模具钢的表面状态来提高模具钢的使用寿命是非常有效的方法。 目前，多种表面技术已被用来改善模具钢的性能。 下面对近年来出现的冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢表面处理新技术的应用进行详细介绍，并展望未来的技术发展方向。

2 各种模具钢表面处理技术现状

近年来，出现了许多新的表面处理技术，其中一些已应用于模具钢的表面处理，主要包括等离子技术、气相沉积技术和复合处理技术。 下面详细介绍一下各种模具钢材表面处理技术的现状。

2.1 冷作模具钢的表面处理

冷作模具钢要求具有高强度、耐磨性和足够的韧性，以保证高耐用性。 为了延长其使用寿命，需要对其进行表面处理。 物理气相沉积（PVD）由于其较低的加工温度和环境友好性，近年来变得越来越流行。 PVD加工温度低，模具钢材基本不变形。 与化学气相沉积（CVD）相比，这是其最大的优势[1]。 为了提高冷作模具钢的使用寿命，在模具钢表面沉积TiN等硬质涂层是一种有效的方法[2]。 PVD的发展趋势：以TiN为基础开发的多元薄膜，如(TiA1)N、(TiCr)N等，是一种更有前景的新型薄膜。 石文等人。 在Cr12MoV冷作模具钢表面沉积了不同的涂层，主要有CrMoN[3]、Cr/CrN/CrTiA1N[4]和CrTiA1N/MoS2/Ti[5]复合涂层，CrTiA1N/MoS2/Ti涂层已进行检验原子显微镜观察，涂层表面光滑致密。 这些涂层可以在一定程度上提高模具钢的表面强度和耐磨性，但涂层与基体材料的结合力不够高。 为了克服这一缺点，采用了复合处理技术。 Cr12MoV钢首先进行低温等离子渗氮处理，然后PVD沉积Ti/TiN涂层[6]。 划痕和磨损实验综合分析结果表明，复合处理效果明显。 涂层与基体界面的结合力和耐磨性得到提高，涂层临界载荷超过60N。

为了更好地解决涂层与基体之间的结合力问题，在基体表面通过热扩散相变制备涂层是一种有效的方法。 张双科等[7,8]在等离子渗氮的基础上，采用不同温度和气氛下的等离子SNC复合处理工艺，在Cr12MoV钢表面形成一层硫化合物。 划痕试验表明，在适量的CS2气氛和520℃的条件下，很容易形成具有高结合力的化合物层。 刘秀娟等[9] 采用高温盐浴法（850~1050℃）在该钢表面制备碳化钒涂层。 在热扩散的初始阶段，当钒扩散并渗透到基体中时，基体中的碳扩散到表面。 它与渗透的钒反应形成VC相。 杨浩鹏等。 [10]对新型高强韧冷作模具钢SDC99进行盐浴渗钒，并研究了其碳化钒涂层的生长机理。 通过观察碳化钒XRD衍射峰中两个强主峰对应的衍射强度比I(111)/I(200)的变化发现，当处理时间极短且镀层极薄时， SDC99钢上形成的涂层的生长择优取向由(200)晶面转变为(111)晶面； 随着时间的延长，镀层晶粒长大，无明显择优取向，长大为等轴晶。 SDC99钢在950℃渗钒16小时后的熔覆层横截面SEM图像[10]。 熔覆层的断面形貌如图1所示。然而，高温表面处理很容易引起基体组织的变化和工件尺寸的变形，这对模具钢极为不利。 这就提出了在低温下通过热扩散制备硬质涂层的要求。 新井等人。 [11,12]首先对模具零件进行氮化，然后在添加钒粉的氯化物盐浴中进行TD处理。 在低于600℃的温度下可以获得厚度约为2μm的碳氮化钒。 通过将加工温度提高到700℃，可以获得厚度为10μm的碳氮化钒。 由于在600℃以下获得的涂层厚度太薄，不具有工业应用价值。 在冷作模具钢回火温度（550℃）以下制备碳化钒涂层仍然是一个挑战。 周朝政等. 文献[13]介绍了冷作模具钢表面制备碳化钒涂层的技术，并对硼砂盐浴制备碳化物层的方法、中性盐浴制备碳化物层的方法、碳化制备方法进行了分析在混合盐浴中。 讨论了物理层法和低温氯化盐浴制备碳化物层法的表面强化机理特点。 讨论了影响冷作模具钢表面碳化钒涂层制备的关键工艺因素。

2.2 热作模具钢的表面处理

热作模具钢需要能够在使用过程中保持其热强度性能、热疲劳性能和韧性。 表面处理技术可以显着提高其热疲劳寿命和抗热磨损性能。 对同一工件应用两种或两种以上的表面处理方法，不仅可以发挥各种表面处理技术的优点，而且可以显示出组合使用的突出效果。 托雷斯等人。 [14]首先对H13钢进行低压气体氮化制备两种类型的样品，一种具有化合物层，另一种仅具有扩散层，然后采用PVD方法制备TiA1N/TiN涂层。 磨损测试结果如表1所示。测试结果表明，经过氮化预处理后的PVD涂层的耐磨性优于单纯PVD涂层，未经复合氮化层预处理的涂层比有复合氮化层的涂层差。 其原因是其含有的氮化合物不稳定，在PVD制备涂层时容易热分解，导致涂层与基体的结合力不如无化合物氮化预处理那么强。 KLIMK 等人。 [15]首先对汽车铝镁件生产所用模具钢采用等离子渗氮预处理，然后采用等离子辅助化学气相沉积（PACVD）制备多层微纳薄膜，这两种工艺它是连续进行的。 通过调整试验参数，可以在模具钢表面形成多种不同成分的微纳米薄膜。 图2是带有TiN-Ti(B;N)-TiB2硬化层样品的负载多层薄膜的典型横截面金相图。 图3为不同负载层样品涂膜与基材间附着力的划痕测试结果。 从图2和图3可以看出，在连续加工过程中形成的具有TiN-Ti(B;N)-TiB2层的样品具有极高的临界载荷，表明这组层对于改善材料的表面性能至关重要。模具。 通过复合表面处理技术，模具的平均使用寿命可提高350%~500%。

在热作模具钢的化学热处理领域也进行了大量的研究。 王荣等人。 [16]对H13钢进行了蒸汽氧化、离子渗氮、渗硼等不同的表面处理，并在铝液中进行了静态熔损试验。 结果表明，离子渗氮样品和渗硼样品的热熔质量损失均小于氧化样品，表现出更好的抗热熔损失能力。 陈玉华等. 等对[17]H13热作模具钢进行了气体软氮化和蒸汽氧化处理，并将蒸汽氧化处理和软氮化处理相结合，探索了氮氧复合处理工艺。 根据动态热熔损试验表明，表面处理可以显着提高H13钢的抗熔损性能，尤其是氮氧复合处理效果最好。 王庆芳等. [18]首先对H13钢进行表面机械研磨（SMAT）纳米处理，使材料表层具有大量晶界，为原子扩散、各种非晶态扩散提供了大量的快速通道。平衡缺陷和晶界处的大量过剩。 该能量有利于扩散反应[19-22]。 表面纳米化后，可以显着降低渗硼的扩散活化能。 当在600℃下进行等离子体渗硼时，渗硼层的相组成为扁平的Fe2B相和FeB相。 650℃等离子渗硼3小时后，沿样品横截面的辉光放电光谱（GDOES）测试图如图4所示。从硼元素分布曲线可以看出，硼的渗透深度可以达到约25μm[23]。 同样，先进行高能喷丸也可以使H13钢表面晶粒细化，形成位错等缺陷，降低等离子渗硼温度。 杨等人。 文献[24]给出了样品在580℃等离子渗硼4小时后的横截面SEM图像以及相应的纳米压痕测试硬度梯度如图5所示。Fe2B和FeB相的总厚度可达5μm。 由于采用喷丸预处理，硼扩散可达到一定深度，涂层与基体之间存在扩散过渡区，从而使断面硬度梯度过渡平缓。 H13钢经过高能喷丸和低温渗硼后以及未经表面处理的样品在铝合金熔体中的动态热熔失重率如图6所示[25]。 从图6可以看出，低温渗硼样品具有优异的抗铝合金熔体热熔损性能。 热熔失时间在30分钟以内，其失重率仅为未渗硼样品的30%～40%。 在热作模具钢的金属渗透方面，LU等人。 [26]首先对退火后的H13钢进行SMAT处理，在表面获得约20μm的纳米晶层，然后采用固体粉末法进行双重绝缘渗铬，并先在600℃保温2小时。 ，纳米晶在此温度下保持一定的稳定性，使得铬在纳米晶表面扩散，形成纳米尺寸的铬化合物。 这些铬化合物可以有效地阻止表面纳米晶的回复和再结晶，并利用表面层含有较高的铬浓度。 ，然后在高温下保温一定时间，这样产生的铬化层厚度比常规工艺明显增加，铬化层的铬浓度和硬度明显增加，磨损抵抗力显着增加。

2.3塑料模具钢的表面处理

塑料模具钢在使用过程中需要具有较高的耐腐蚀性和耐磨性，表面处理是提高其使用寿命的有效方法。 陈等人。 [27]采用激光熔覆技术在塑料模具钢718H上制备了CoMoCr合金熔覆层。 涂层均匀连续，与基体结合力强。 与基体相比，涂层的硬度有了很大提高，达到794HV0.2。 摩擦磨损试验结果表明，经过激光熔覆表面强化后，其耐磨性能得到了显着增强。 温等人。 [28]采用等离子法对时效硬化钢NAK80进行氮化处理。 氮化层含有Fe3N和Fe4N相。 渗氮相中Fe3N相的含量随着试验温度的升高和时间的延长而增加。 耐腐蚀性测试。 结果表明，氮化和时效硬化可以同时进行。 在NaC1水熔体中的极化试验和盐雾腐蚀试验中，随着Fe3N相含量的增加，腐蚀电位升高，腐蚀速率降低，如图7和图8所示。耐腐蚀性的提高与含量有直接关系氮化层中Fe3N相的含量较多，说明Fe3N相对提高耐腐蚀性能起关键作用。 哈伯德等人。 [29]增加了塑料模具钢P20上的活性筛直径，提高了样品的表面硬度。 结果表明，活性屏有利于活性氮的传质，因为在一定的电压和炉压条件下，它决定了活性氮物种到达样品表面的入射能量。 在决定样品氮化效果的因素中，到达样品表面的活性氮通量越大，氮化效果越好。 活性屏氮化机理如图10所示。图10中，A处活性屏受到离子轰击，溅射产物沉积在样品表面； B处，活性离子加速穿过活性屏，轰击样品表面； 在C时，一些离子与电子结合成为中性粒子。 不受电场影响，其自由行程比带电时长，有可能沉积在样品表面。 研究结果表明，在一定的电压和炉压条件下，活性屏与样品之间的距离是一个至关重要的参数。 它直接影响到达样品表面的含氮颗粒的通量，决定氮化效果。 目前，渗氮主要用于塑料模具钢的表面处理。 原因是氮化需要较低的温度，工艺也比较成熟。 所得氮化层具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。

3 结论

模具钢表面处理技术未来的发展方向可从以下三个方面考虑：

(1)复合处理技术将是未来表面处理研究的重点。 对传统表面处理技术进行进一步改进，实现低温表面处理，减少加工件变形，降低能耗。 表面复合处理技术将是最重要、最有前途的发展方向之一。

（2）将前沿的纳米技术和新兴的激光表面改性技术[30]引入模具钢表面处理技术，为传统表面处理技术注入新的活力。 一个突出的例子是：TONG 等人。 [31]利用纯铁表面机械研磨，在纯铁上获得纳米晶表面层，然后进行气体氮化，可以将氮化温度降低至300℃。

(3)功能梯度材料是20世纪80年代末提出的一种新的材料设计思想[32]。 它是一种新型高性能复合材料，其功能随空间或时间沿一定方向连续变化。 采用涂层的思路，从模具钢表面梯度涂层开始，在模具钢表面沉积梯度材料涂层，以增加模具钢的使用寿命。