模具表面处理新技术

HEATS · 发表于 2010-9-12 09:34:14

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合理地应用模具表面处理技术，可以以较低的工艺成本使模具寿命提高5～10倍甚至几十倍，经济效益十分显著。目前，各种模具表面处理新技术正得到业界越来越多的关注和推广应用。

对模具表面进行处理的主要目的在于提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性等，从而提高模具产品质量，延长模具使用寿命。合理地应用模具表面处理技术以获得高精度的模具表面，是生产精度高且表面质量好的产品的必要条件。表面强化工艺成本较低，而模具寿命却可提高5～10倍甚至几十倍，经济效益十分显著。

针对目前我国的模具表面处理技术的应用现状，我刊经过用户抽样问卷调查发现，目前，模具制造企业主要应用的表面处理技术仍是以传统的表面淬火、渗碳/氮技术、电镀与化学镀技术为主，而这些技术都不同程度地存在表面硬度分布不均、热处理变形等难以解决等多方面的问题。对于今后的技改方向，大家的共同关注点在于新技术的应用，如表面涂层技术、TD覆层处理技术、激光表面强化技术和电子束强化技术等。以下我们就特别邀请了几位业界的技术专家，分别对用户的这些关注点做深入探讨，希望有益于广大模具企业的技术升级。

CVD技术

CVD（化学气相沉积）和PVD（物理气相沉积）技术均被广泛应用于模具表面处理，其中CVD涂层技术具有更卓越的抗高温氧化性能和强大的涂层结合力，在高速钢切边模、挤压模上应用效果良好。

CVD技术是一种热化学反应过程，是在特定的温度下，对经过特别处理的基体零件（包括硬质合金和工具钢）所进行的气态化学反应，即利用含有膜层中各元素的挥发性化合物或单质蒸汽，在热基体表面发生气相化学反应，反应产物沉积形成涂层的一种表面处理技术，可适用于各种金属成形模具和挤压模具。一般情况下，经过处理的零件具有很好的耐磨性能、抗高温氧化性能和耐腐蚀性能。该技术也被广泛应用于各种硬质合金刀片和冲头。但是，由于CVD是一个高温过程，对于大多数的钢质零件，在CVD涂层后要进行再次热处理。

1. 技术特点

一般的CVD加工处理温度为：Bernex高温涂层，900～1050℃；Bernex MT CVD中温涂层，720～900℃。涂层厚度范围是5～12mm，但在有些情况下，涂层厚度可达20mm，工艺时间范围为 8～24h。

CVD技术具有以下特点：

（1）涂层材料具有极高的韧性，硬度可高达HV2500～3800，抗氧化温度可达900℃以上。

（2）可同时进行技术处理的工件数量大，可大幅提高模具制造效率。

（3）在高温处理反应器内无需旋转零件。

（4）无论是具有复杂几何形状或者有内孔的零件，都可以实现高度均匀的涂层厚度。

（5）具有很好的耐高温氧化性能。

2. 典型的涂层应用

在铝合金的冷锻、成形、挤压模具上的HSM涂层、硬质合金模具的TiN/TiC涂层等表面处理方面，CVD涂层技术的性能远远高于PVD涂层技术。其原因在于CVD涂层温度高，涂层结合力强，涂层可以在5～20mm厚度上进行选择，同时具有很好的抗高温氧化性能，因此在高速钢切边模、挤压模上应用效果良好。

3.经济性分析

CVD涂层技术在模具的表面改性方面，具有十分可观的经济性能：

（1）可以提高模具的使用寿命，提高模具的耐磨性能，降低产品的模具成本、

（2）可以显著提高该模具成形产品零件的表面质量，显著提高生产效率，减低产品报废率，提高工艺稳定性。

（3）减少模具的维护时间和维护成本，减少设备停机时间，提高产能。

爱恩邦德可为客户提供最佳涂层解决方案，涂层大多数是多层沉积，如TiC/TiN、TiCN/Al2O3、TiCN/Al2O3/TiN复合涂层，可使产品使用寿命提升2～20倍以上。

目前，爱恩邦德的CVD涂层技术已经被广泛应用到汽车、航空紧固件生产用的各种模具中，如高速钢切边模、冲头、成形模、铝合金冷锻模、挤压成形模、厚板以及高强度板成形模具。

经Lonbond CVD涂层处理的汽车紧固件模具表面性能大幅提高

TD覆层处理技术

TD覆层处理是一种表面超硬化处理技术，是热扩散法碳化物覆层处理（Thermal Diffision Carbide Coating Process）的简称，英文简称“TD Coating”。

1. 技术原理及特点

TD覆层处理技术其原理是将预制好的工件放入硼砂熔盐混合物中，在850～1050℃的温度下通过扩散作用于工件表面形成金属碳化物覆层，该碳化物覆层可以是钒、铌、铬的碳化物，也可以是其复合碳化物，目前应用最广泛的是碳化钒覆层，主要特点是：

（1）TD覆层具有很高的表面硬度，可达HV2800～3200，远高于氮化和镀硬铬等表面处理方法，因而具有极高的表面耐磨、抗拉伤和耐腐蚀等性能。

（2）由于表面覆层是通过金属原子的扩散作用形成的，因此覆层与基体具有冶金结合，结合力较镀硬铬、PVD或PCVD的镀层高得多，这一点对于成形类模具的应用极其重要。

（3）TD覆层厚度可达4～20mm，覆层致密光滑。

（4）具有极高的耐腐蚀性能。

（5）可以实现重复处理。

2. TD覆层处理使用范围及适用材料

TD覆层处理可广泛应用于解决或改善以下这些问题：

（1）由粘着磨损所引起的模具与工件或工件与工件之间的拉伤、粘附问题，如各类钢板或有色金属的拉延、弯曲、翻边、滚压成形和压铸成形等模具或其他相互接触并有相对运动的工件表面，采用TD覆层处理是目前解决此类问题最好的方法之一，并可以提高其使用寿命数倍至数十倍。

（2）由磨粒磨损、粘着磨损、摩擦氧化或其共同作用而引起的工件尺寸超差等问题，如冲裁、冷镦、粉末冶金等模具或其他零配件，通过TD覆层处理后，可提高使用寿命数倍至数十倍。

对于该技术的适用材料，只要材料含有一定量的碳元素，如含碳量大于0.3%的各类钢铁材料、硬质合金等，都可以在工件表面形成VC覆层。但根据使用条件的不同，要获得良好的使用效果和经济性，材料的选择颇有讲究，建议与专业的技术供应商共同开展。

3. 应用实例

（1）汽车冲压件成形模具

在高强度钢板和厚料板的冲压成形过程中，未经过表面处理的工件表面拉伤严重，有些甚至无法正常生产。经TD覆层处理后，一方面根本上解决了工件表面的拉伤问题，无须经常停机修磨模具，提高了生产效率，改善了产品的外观。另一方面，模具寿命一般可以达数十万件，并能确保冲压件尺寸的一致性，有效提升产品品质。

（2）粉末冶金模具

被加工材料为磁铁粉，原来模具材料Cr12，寿命2～4万次，后改用Cr12MoV或SKD11，并进行TD覆层处理，寿命达到20～40万次，寿命提高10倍以上。

TD覆层技术最早在20世纪70年代由日本丰田中央研究所研制成功并申请专利，经过多年的完善和发展，已广泛应用于各类模具和零部件产品上。20世纪90年代初，长沙特耐金属材料科技有限公司开始该项技术的研究工作，经过多年的研究和应用摸索，技术体系成熟，并成功应用于多种模具和零部件上。多年来，我公司已为丰田、本田、大众、现代和江铃等汽车配套企业，以及其他家电、五金、制管等行业的数百家零部件生产企业提供模具和零部件表面处理服务，使用户取得了优异的使用效果。

TD覆层组织的结构

激光表面强化技术

激光表面强化技术目前主要的应用方式有两种：一是模具表面激光淬火硬化，二是模具表面局部损伤部位的激光熔焊修复。该技术非常适用于绝大部分汽车拉延模具，既适用于新制模具，又适用于在役模具。模具材料包括各类灰铸铁、铬钼合金铸铁及空冷钢，对于反复补焊过或火焰淬火模具亦有显著强化效果。

1. 技术亮点

（1）激光淬火层硬度达HV800～1100，具有极好的耐磨性和抗拉伤能力，一次修模后寿命较火焰淬火提高5～50倍。

（2）激光淬火层硬度、层深均匀，与基体有很强的结合力。

（3）激光淬火处理后变形量极小，无须作任何校正和加工处理。

（4）激光熔焊技术可对模具表面局部拉伤等损伤部位进行修复，修复效果明显优于其他焊接方法。

（5）具有很高的处理速度，通常可达0.5m2/h。

（6）只需对模具磨损部位进行针对性处理，而无须全部处理模具表面。

（7）显著提高拉延件表面质量。

2. 实际应用

我公司目前已批量对国内十多家汽车企业进行了汽车拉延模激光强化处理服务，均取得了十分显著的效果。例如，在对北汽福田欧曼重卡保险杠拉延模进行激光表面处理后，其筋条表面硬度可达HRC55～58，表面寿命也从原来火焰淬火时的20～30件提升至2000件以上。另外，宝马新五系侧围外板、门内板及压边圈、后门顶等模具使用最初表面硬度较低，经激光处理后硬度由HRC20左右提高到HRC55以上。华晨宝马也已正常使用一年以上，拉延件表面质量良好。

3. 经济性分析、应用价值及市场前景

汽车拉延模激光表面强化的经济性及应用价值主要体现在以下方面：

（1）显著提高修模一次后拉延件的数量，减少修模时间，提高拉伸效率和产量。

（2）显著提高模具寿命，降低模具消耗。

（3）显著提高拉延件表面质量。

（4）显著降低修模工人劳动强度及修模费用。

我公司目前已批量对奔驰、一汽轿车、华晨宝马、华晨金杯、北汽福田和上汽通用五菱等十多家汽车企业进行了汽车拉延模激光强化处理服务，均取得了十分显著的效果。例如，在对北汽福田欧曼重卡保险杠拉延模进行激光表面处理后，其筋条表面硬度可达HRC55～58，表面寿命也从原来火焰淬火时的20～30件提升至2000件以上。另外，宝马新五系侧围外板、门内板及压边圈、后门顶等模具经激光处理后硬度由HRC20左右提高到HRC55以上。华晨宝马也已正常使用一年以上，拉延件表面质量良好。

脉冲高能电子束技术

近十几年来，脉冲高能束技术发展迅速，并在表面工程领域显示出特有优势，得到人们的广泛重视和研究。

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1. 技术原理及特点

利用脉冲高能束可以实现多种表面处理工艺，究其本质，就是通过瞬时高能量密度作用在材料表层产生一种远离平衡态的极端处理条件，使能量影响区内的材料发生质量分布、化学及力学状态变化，最终获得常规方法难以达到的表面结构和使用性能。目前，脉冲高能束流主要包括激光束、离子束、电子束和等离子体束几种。其中，使用电子束进行表面处理具有以下优势：以加速电子为能量载体，与材料表面相互作用时能量转化效率比激光处理高出70%～80%，并且无元素注入问题，真空中进行处理可避免氧化和污染问题等。

2. 研究及成果

根据大连理工大学三束材料改性国家重点实验室的研究，通过对强流脉冲电子束能量参数及具体处理工艺的调整，可以实现模具材料表面薄层内的能量沉积位置、沉积强度及作用时间的配合，从而控制微观不平整材料和显微裂纹的去除过程，最终得到光滑均匀的处理表面，并可同时改善表面耐蚀、耐磨等使用性能。

从D2模具钢表面处理的部分实验结果图示中可以看出，经电子束抛光处理后的模具表面光滑平整，表面粗糙度值降低到Ra0.2mm以下，在模具处理表面上形成一层组织细腻，耐磨和耐蚀性能均有显著提高的保护层。整个改性层的深度在几十微米左右，并且强流脉冲电子束表面抛光强化处理没有影响基体组织。

在载荷100N、位移150mm和循环次数5000次的条件下经微动磨损实验测试，D2模具钢处理面的摩擦系数降低：低摩擦系数稳定周期由原始的70周增加到700周；磨损量明显降低，磨损体积由原始的10.5×105mm3降低到6×105mm3左右。处理过程中还可以利用合金化的方法加入适量耐磨成分，如Cr和TiN等粉末，进一步改善表面性能。

3. 技术优势

（1）使用加速电子作为能量输入载体，不需要其他辅助材料的添加，处理过程在真空环境下完成，所以不会对处理表面产生污染。

（2）高能量密度与表面薄层集中加热模式可胜任高熔点、强韧材料的表面高效抛光。

（3）微秒脉冲式工作方式可以减少基体受热，提高能量利用效率，同时避免材料加工变形。

（4）非接触工作方式和操作灵活的电子束源适合机械化、大面积的表面处理。

（5）处理层形成具有高强和耐蚀的显微组织，提高材料的表面性能。

4.应用前景

应用脉冲高能束技术的这种抛光强化复合处理方法符合自动化、高效、节能和环保等现代高技术研究的发展要求。发展这种具有自主知识产权的模具电抛光强化技术，可以提高我国的模具加工和使用水平，以迎接高新材料领域发展的需求和挑战。

大连理工大学三束材料改性国家重点实验室郝胜智先生

大连理工大学三束材料改性国家重点实验室于1996年率先引进俄产强流脉冲电子束设备Nadezhda-2型，开始在强流脉冲电子束表面改性工艺及机理研究、复合工艺探索、新型装置研制以及合作研究实用技术等方面开展研究工作。通过消化吸收和自主创新，目前已开发出国内首台强流脉冲电子束处理系统，主要参数包括：脉冲电子束能量可调节范围1～10J/cm2；束斑稳定传输距离20～40cm；具有脉宽稳定的阳极等离子体源；三维电控真空工作台加工范围30cm×30cm×20CM。【MechNet】

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