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用于模具制造的表面工程技术的进展
    

模具材料是模具工业的基础,但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求,采用表面工程技术可在一定程度上弥补模具材料的不足。可用于模具制造的表面工程技术十分广泛,既包括传统的表面淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术,又包括近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。

而稀土表面工程技术和纳米表面工程技术的进展必将进一步推动模具制造的表面工程技术的发展。在此仅介绍稀土表面工程技术和纳米表面工程技术。

1、稀土表面工程技术

表面工程技术中加入稀土元素通常采用化学热处理、喷涂喷焊、气相沉积、激光涂覆、电沉积等方法。

1)稀土元素对化学热处理的影响主要表现为有显著的催渗作用,大大优化工艺过程;加入少量稀土化合物,渗层深度可以明显增加,改善渗层组织和性能。

从而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高温氧化性的抗冲击磨损性。

2)利用热喷涂和喷焊技术,将稀土元素加入涂层,可取得良好的组织与性能,使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。

3)物理气相沉积膜层性能的优劣和膜与基体结合强度大小密切相关,稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度,膜层表面致密度明显增大。

同时,加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改善,例如应用于模具表现的超硬TiN膜(加入稀土元素),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。

4)含稀土化合物的涂覆层,可大幅度提高模具金属材料表面对激光辐照能量的吸收率,对降低能耗和生产成本,以及推广激光表面工程技术都有重要意义。

稀土涂覆层经激光处理后,组织和性能发生明显改善,涂覆层的硬度和耐磨性显著提高,耐磨性是45钢调质的5~6倍。对加入CeO的热喷涂层进行激光重溶,研究发现合金化层的显微组织明显改变,晶粒得到细化。激光重熔加入稀土后的喷焊合金,稀土化合物质点在其中弥散强化,降低晶界能量,提高晶界的抗腐蚀性能,模具型腔表面的耐磨性也大大增强,有的文献报道稀土元素提高了耐磨性达1~4倍。另外,有研究发现,加入混合稀土化合物的效果优于单一稀土化合物。

5)把稀土元素加入镀层可采用电刷镀、电镀等电沉积方法。

稀土甘氮酸配合物的加入使镀层防氧钝化寿命明显提高;稀土元素有催化还原SO?2的作用,可以抑制Ni-Cu-P/MoS电刷镀镀层中MoS的氧化,明显改善了镀层的减摩性能,提高了抗腐蚀的能力,使模具型腔表面的耐磨寿命延长近5倍。

2、纳米表面工程技术

纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础,通过特定的加工技术、加工手段,对固体表面进行强化、改性、超精细加工,或赋予表面新功能的系统工程。纳米表面工程技术是极具应用前景和市场潜力的。

1)制作纳米复合镀层。在传统的电镀液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、精度持久不变,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-ZrO?2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Co-DNP纳米复合镀层,在500℃以上,与Ni基、Cr基Co基复合镀层相比,工件表面的高温耐磨性能大为提高。在传统的电刷镀溶液中,加入纳米粉体材料,也可制备出性能优异的纳米复合镀层。

2)制作纳米结构涂层。热喷涂技术是制作纳米结构涂层的一种极有竞争力的方法。

与其它技术相比,它有许多优越性:工艺简单、涂层和基体选择范围广,涂层厚度变化范围大、沉积速率快,以及容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比,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,且一种涂层可同时具有上述多种性能。


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