模具制造中表面工程技术的应用及实践

摘要：表面工程是改善机械零件、电子电器元件等基质材料表面性能的一门科学和技术。对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性及抗疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持续地运行。表面工程中的各项表面技术已应用于各类机电产品中，表面工程是现代制造技术的重要组成部分，是维修与再制造的基本手段。主要探讨模具制造中表面工程技术的应用与实践。

关键词：模具制造；表面工程；应用；实践

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2013）22019502

表面工程对节能、节材、保护环境、支持社会可持续发展发挥着重要作用。专家们预言，表面工程将成为21世纪工业发展的关键技术之一。表面工程已成为从事机电产品设计、制造、维修、再制造工程技术人员必备的知识，成为机电产品不断创新的知识源泉。表面工程技术可以追溯到古代。早在遥远的年代，人类就已在木材表面涂刷桐油来增强木材的强度、抗水性和防虫蛀。进入到20世纪，通过各种物理化学方法在材料表面制造涂层和薄膜，已发展成为比较成熟的系统的工程技术。表面工程的处理对象是金属或非金属的固态表面，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程，获得所需表面性能的基本途径是改变固态表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况。

1表面工程技术的选择原则

为了更好地加深理解，讨论这些步骤时，以热作模具表面处理工艺的选择为例加以说明。

（1）分析零件的工况条件，了解其表面失效形式。热模具是用来使加热的金属获得所需要的形状。这种模具是在反复受热和冷却的条件下进行工作的，变形加工完成得越慢，模具受热的时间越长，受热程度就越严重。另外，热模具工作中还会受到磨损等。因此热模具的表面失效形式主要是：磨损；热强性不足造成塌凹；疲劳剥落和氧化等。

（2）设计被处理件表面应需的性能。根据（1）中的分析，热模具表面必须具有良好的热强性（耐热冲击性）、耐磨性、抗氧化性以及抗热疲劳能力。

（3）根据设计的表面性能，选择表面涂层材料或者表面层的成分或组织。根据（2）中设计的性能要求以及各工艺的应用指标，涂层可选用TiN、TiC或者Ni基、Co基自熔合金涂层，另外采用CD渗碳亦有较满意的表面性能。

（4）确定表面改性层的厚度。由于热模具钢基体使用态硬度较低，一般在50HRC以下，难以支持那些薄而脆的表面化合物层，如TiN，TiC气相沉淀层（<20t.cm）。并且不少模具在使用过程中需拆下进行修模。因此表面处理的效果往往较显著地反映在模具的一次寿命中。对于这类模具，过薄的表面硬化层在修模后，其效果趋于消失。基于以上原因，热模具表面改性层不能选择太薄层，而必须选用厚层表面改性。

（5）选择能达到所设计表面改性层要求（性能和厚度要求）以及满足其它条件的表面改性技术。热作模具基体热处理工艺一般为淬火加高温回火，故一般要求表面处理时，基体温度要低于基体的回火温度，否则会降低基体的使用性能。再加上前面分析的表面改性层厚度的要求，故热模具不宜采用CVD、PVD、镀硬Cr及镀Ni.P层等表面处理工艺，而较适用的应是激光表面熔覆。这种工艺选择熔覆材料为Ni基或Co基自熔合金时，既能满足表面所需的性能要求、改性层厚度要求，又因为处理时基体温度低，模具不易变形，且基体性能不会发生改变。另外采用一些复合表面处理工艺如先渗碳，再渗硼（用于H13钢铝合金压铸模）在热模具中亦是可行的。同时对于强化层厚度要求较低的模具中，亦有采用PVD法或Ni—P镀的可能。

（6）对于以上选择的表面工程技术进行试验考查，最后确定或修改表面改性工艺。模具表面改性技术的选择是一项复杂的工艺设计过程。设计者不仅要具备扎实的材料专业知识，还必须具备诸如失效分析、机械设计、模具设计等方面知识，同时还必须具备较强的优化设计，综合分析能力。另外，表面改性工艺选择中还应有经济原则，尽量选择既能满足以上要求，又成本低廉的方法。总之，工艺技术选择必须以实际出发，实际验证为标准。

2模具行业发展表面工程的意义

表面工程技术通过各种技术手段发展了材料的性能，丰富了材料的用途，满足了社会发展的需要，开创了材料发展的新纪元。随着生产技术的进步，必将促使表面工程技术领域涌现出越来越多的新技术、新方法，以便与日益进步的社会发展相适应。

就模具行业而言，随着我国汽车、家电工业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求，如何提高模具的加工质量和使用寿命，一直是人们不断探索的课题。而表面强化技术以其广泛的功能性、良好的环保性以及巨大的增效性等优势正逐步成为提高模具质量和使用寿命的重要途径，这对改善模具的综合性能、充分发挥传统模具的性能潜力具有十分重要的意义。目前，随着表面技术的不断发展和完善，在原有的常规表面强化技术如表面淬火、化学热处理等的基础上，一大批实用、有效的表面强化技术相继得以开发和利用，并逐渐推广应用于模具制造实践中。而且随着稀土应用的不断扩大以及复合强化技术的不断发展，各种新型表面工程技术也必将进一步推动模具制造领域中的表面强化技术的发展。所以在实践中我们必须要结合各种表面强化技术的特点、模具的工作条件及其使用的经济性等因素综合考虑，选择最佳的表面强化工艺方案以达到延长模具使用寿命、提高产品质量的效果，获取显著的经济效益和社会效应。

3模具制造中表面工程技术的应用

3.1表面工程技术在材料科学与工程中的应用

（1）减缓和消除金属材料表面的变化和损伤。

在自然界和工程实践中，金属机器设备和零部件需要承受各种外界负荷，并产生形式多样、程度不一的表面变化及损伤。工程材料和零部件的表面往往存在微观缺陷或宏观缺陷，表面缺陷处成为降低材料力学性能、耐蚀性能及耐磨性能的发源地。使用表面技术减缓材料表面变化及损伤，掩盖表面缺陷，可以提高材料及其零部件使用的可靠性，延长服役寿命。

（2）获得具有特殊功能的表面。

使用表面技术在普通的廉价的材料表面获得某些稀贵金属（如金、铂、钽等）和战略元素（如镍、钴、铬）具有的特殊功能，从而可以节约这些金属材料。比如在Cu中加入Cr可以提高铜的耐腐蚀性能。从Cr-Cu相图可知，用一般的冶金方法不可能产生出Cr含量高于1%的单相铜合金，用激光表面合金化工艺可以在Cu表面获得原子含量为8%、厚约240nm的表面合金层，使耐蚀性大大提高。又如使用离子注入技术在Cu中注入Cr+、Ta+可以提高Cu在H2S气氛中的耐蚀性。

（3）节约能源，降低成本，改善环境。

使用表面技术在工件表面制备具有优良性能的涂层，可以达到提高热效率、降低能源消耗的目的。比如热工设备和在高温环境中使用的部件，在表面施加隔热涂层，可以减小热量损失，节省燃料。用先进的表面技术代替污染大的一些技术，可以改善作业环境质量。零件的磨损、腐蚀和疲劳现象发生在表面，通过表面的修复、强化，而不必整体改变材料，使材料物尽其用，可以显著地节约材料。表面工程技术可以补救加工超差废品，节约能源和材料。

（3）再制造工程不可缺少的手段。

再制造工程是对因磨损、腐蚀、疲劳、断裂等原因造成的重要零部件的局部失效部位，采用先进的表面工程技术，优质、高效、低成本、少污染地恢复其尺寸并改善其性能的系统性的技术工作。显然，再制造工程可以大量地节省因购置新品、库存备件和管理以及停机等所造成的对能源、原材料和经费的浪费，并极大地减少了环境污染及废物的处理。因此，再制造工程已经迅速发展成为一门新的学科。

3.2表面工程技术在腐蚀与防护中的应用

腐蚀是材料（特别是金属）与环境介质发生相互作用而导致的破坏，腐蚀总是从材料与环境的界面开始。由于制造机器设备的材料总是在某种环境中服役，影响材料腐蚀的因素众多，可以说没有一种材料能在所有的环境条件下都耐蚀。在选择制造材料时需要考虑三个方面的因素：材料在预计服役的环境中的耐蚀性，材料的物理、机械和工艺性能，经济因素。这三个方面需要兼顾。因此，腐蚀控制的目标就不是“不腐蚀”，而是“将机器、设备或零部件的腐蚀控制在合理的、可以接受的水平”。

为了达到这样的目标，腐蚀控制应包括如下的环节：（1）选择恰当的耐蚀材料；（2）设计合理的设备结构；（3）使用正确的制造、储运、安装技术；（4）采用有效的防护方法；（5）制定合适的工艺操作条件；（6）实施严格的管理和维护。防护方法包括电化学保护、调节环境条件（主要是使用缓蚀剂）、覆盖层保护。所谓覆盖层保护，是指用另一种材料（金属材料或非金属材料）制作覆盖层，将作为设备结构材料的金属与腐蚀环境分隔开。这样，基底材料和覆层材料组成复合材料，可以充分发挥基底材料和覆层材料的优点，满足耐蚀性，物理、机械和加工性能，以及经济指标多方面的需要。作为基体的结构材料不与腐蚀环境直接接触，可以选用物理、机械和加工性能良好而价格较低的材料，如碳钢和低合金钢；覆层材料代替基体材料处于被腐蚀地位，首先应考虑其耐蚀性能满足要求。但由于覆层附着在基体上，且厚度较小，使选材工作范围扩大了。覆盖层保护是使用最广泛的一类防护技术。覆盖层保护的种类很多，按覆层材料的性质可以分为以下三大类。（1）金属覆盖层覆层材料为金属，施工方法包括镀层、衬里和双金属复合板等。镀层又有电镀、化学镀、喷涂、渗镀、热浸、真空镀等。（2）非金属覆盖层覆层材料为非金属，包括的种类很多，如油漆涂装、塑料涂覆、搪瓷、钢衬玻璃、非金属衬里（砖板衬里、塑料衬里、玻璃钢衬里、橡胶衬里、复合衬里）、暂时性防锈层等。（3）化学转化膜。可见，腐蚀控制中的覆盖层保护技术有许多是表面工程技术。所以，表面工程技术是解决材料腐蚀与防护最经济最有效的手段。

4结论

与表面热处理相比，表面工程技术所涉及的内容更宽，用途更广泛。模具制造中的表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所需要表面性能的系统工程。

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作者简介：章树玲，内蒙古科技大学教师。