压铸模具表面处理新技术

压铸模具是模具的一大类。随着我国汽车摩托车工业的快速发展，压铸工业迎来了新的发展时期。同时，对压铸模具的综合力学性能和使用寿命也提出了更高的要求。为了满足不断提高的使用性能需求，仅仅依靠新模具材料的应用仍难以满足，各种表面处理技术必须应用于压铸模具的表面处理，以达到高效、高精度、高寿命的压铸模具。在各种模具中，压铸模具的工作条件相对苛刻。压铸使熔融金属在高压和高速下充满模腔，在工作过程中反复接触热金属。因此，压铸模具具有较高的耐热疲劳、导热性、耐磨性、耐腐蚀性、冲击韧性、红硬度、良好的脱模性能等。因此，近年来，各种压铸模具表面处理新技术不断出现，但一般可分为以下三类：（1）传统热处理技术改进技术；（2）表面改性技术，包括表面热膨胀处理、表面相变强化、电火花强化技术；（3）涂层技术，包括化学涂层等。

1.改进传统热处理技术

传统的压铸模具热处理工艺是淬火-回火，以后又发展了表面处理技术。由于可用作压铸模具的材料种类繁多，相同的表面处理技术和工艺在不同的材料上会产生不同的效果。史可夫较近提出了模具基材和表面处理技术的基材预处理技术，并在传统工艺的基础上提出了适合不同模具材料的加工工艺，以提高模具性能和使用寿命。改进热处理技术的另一个发展方向是将传统的热处理工艺与先进的表面处理工艺相结合，提高压铸模具的使用寿命。如碳氮共渗化学热处理方法，结合常规淬火和回火工艺NQN(即碳氮共渗-淬火-碳氮共渗)复合强化不仅获得较高的表面硬度，而且有效提高了硬化层的深度，合理分布了渗透层的硬度梯度，提高了回火的稳定性和耐腐蚀性，从而大大提高了压铸模具的表面质量和性能，同时获得了良好的心脏性能。

2.表面改性技术

2.1表面热膨胀技术

该类型包括渗碳、渗氮、渗硼、碳氮、硫碳氮等。

2.1.一、碳氮共渗

冷、热作、塑料模具表面强化采用渗碳工艺，可提高模具的使用寿命。如3Cr2W8V钢制压铸模具，先渗碳，再1140~1150℃淬火，550℃回火两次，表面硬度可达HRC56~61提高了压铸有色金属及其合金模具的使用寿命.8～3.0倍。渗碳处理的主要工艺方法有固体粉末渗碳、气体渗碳、真空渗碳、离子渗碳和碳氮共渗。其中，真空渗碳和离子渗碳是近20年发展起来的技术。该技术具有渗透速度快、渗透层均匀、碳浓度梯度温和、工件变形小等特点，在模具表面特别是精密模具表面处理中发挥越来越重要的作用。

2.1.2渗氮及相关低温热膨胀技术

该类型包括渗氮、离子渗氮、碳氮共渗、氧氮共渗、硫氮共渗、硫碳氮、氧氮硫三元共渗。处理工艺简单，适应性强，扩渗温度低 480～600℃)、工件变形小，特别适用于精密模具的表面强化，氮化层硬度高，耐磨性好，抗粘模性能好。3Cr2W8V钢压铸模具，经调质， 520～540℃氮化后，使用寿命比不氮化模具长2~3倍。美国用H许多由13钢制成的压铸模具应氮化，并用氮代替回火，表面硬度高达HRC65~70，模具心硬度低，韧性好，综合力学性能优异。氮化工艺是压铸模具表面处理中常用的工艺，但当氮化层出现薄而脆的白色亮层时，不能抵抗交变热应力，容易产生微裂纹，降低热疲劳抗力。因此，在氮化过程中，应严格控制工艺，避免产生脆性层。较近，国外提出采用二次和多次渗氮工艺。反复渗氮可分解氮化物白亮层，在使用过程中容易产生微裂纹，增加氮层厚度，使模具表面残余应力层厚，显著提高模具寿命。此外，还采用盐浴碳氮共渗和盐浴硫氮碳共渗。这些工艺在国外应用广泛，在国内很少见。如TFI ABI该工艺在盐浴氮碳共渗后浸泡在碱性氧化盐浴中。工件表面氧化呈黑色，其耐磨性、耐腐蚀性和耐热性都有所提高。铝合金压铸模具的使用寿命提高了数百小时。再比如法国开发的硫氮碳共渗后氮化处理oxynit有色金属压铸模具的工艺应用更具特色。

2.1.3渗硼

由于渗硼层的高硬度(FeB:HV1800～2300、Fe2B:HV1300~1500)，耐磨性和红硬性，以及一定的耐腐蚀性和抗粘性，渗硼技术在模具行业得到了较好的应用。然而，由于压铸模具的工作条件非常恶劣，渗硼工艺很少应用于压铸模具的表面处理。然而，近年来，改进的渗硼方法解决了上述问题，可应用于压铸模具的表面处理，如多元化、涂层粉末渗漏等。粉末渗硼的方法是将硼化合物与其他渗剂混合，涂在压铸模具表面。液体挥发后，按一般粉末渗硼法包装密封，920℃加热并保温8h，随之空冷。该方法可获得致密均匀的渗层，提高模具表面渗层的硬度、耐磨性和弯曲强度，平均使用寿命提高2倍以上。

2.1.稀土表面强化

近年来，在模具表面强化中加入稀土元素的方法得到了广泛的推崇。这是因为稀土元素具有提高渗速、强化表面、净化表面等多种功能〔13〕，它对模具的表面组织结构、表面物理、化学和力学性能有很大的影响，可以提高渗透速度，加强表面，产生稀土化合物。同时，它可以消除微量杂质分布在晶的有害作用，增强和稳定模腔表面的晶界。此外，稀土元素与钢中的有害元素发生作用，产生高熔点化合物，抑制晶界中这些有害元素的聚集，从而降低深脆性。在压铸模具表面加固过程中添加稀土元素，可显著提高各种渗透厚度，提高表面硬度，同时使渗透组织小分散，硬度梯度下降，使模具耐磨、耐冷、热疲劳性能显著提高，大大提高模具寿命。目前，压铸模腔表面的处理方法有：稀土碳、稀土碳氮、稀土硼、稀土硼铝、稀土软氮、稀土硫氮碳等。

2.1.5表面被覆强化

近年来，由于冷焊技术的发展，表面处理技术得到了极大的改进，特别是ESD-05上市后，表面可采用碳化物等不同材料的焊接材料进行处理，方便、简单、成本低、使用方便。同时，效果好，逐渐成为行业的主要选择。

2.表面激光涂层

2.2.激光表面处理

激光表面处理是用激光束加热，使工件表面迅速熔化一定深度的薄层。同时，合金元素通过真空蒸镀、电镀、离子注入等方法涂覆在工件表面，在激光照射下与基体金属充分融合。冷凝后，模具表面厚度为10~1万μm合金层具有特殊性能，冷却速度相当于激冷淬火。如在H13钢表面采用激光快速熔化工艺处理。熔区硬度高，热稳定性好，抗塑性变形能力高，明显抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。萨哈和达霍特若较近被使用H13激光熔覆基材VC研究表明，获得的模具表面本质上是连续的、致密的、无孔的VC钢复合涂层不仅在600强℃氧化抗性强，抗熔融金属还原能力强〔19〕。在表面改性技术的不断发展中，出现了一种电火花沉积技术。在电场作用下，该工艺在母材表面产生瞬时高温高压区域，同时渗透离子金属陶瓷材料，形成表面冶金组合，母材表面瞬间变化，形成马氏体和微奥氏体组织〔20〕。该工艺不同于焊接、喷涂或元素渗透，应介于两者之间。它充分利用了金属陶瓷材料的高耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性，工艺简单，成本低。是压铸模具表面处理的新途径。2.22WS焊机处理

WS焊机的原理与激光焊机相同，均采用脉冲点焊。与激光焊相比，焊丝直径为0.1-2.0mm，同时，上述氩弧焊功能更加方便灵活。

3、涂镀技术

涂层技术作为一种模具强化技术，主要用于塑料模具、玻璃模具、橡胶模具、冲压模具等工作环境相对简单的模具表面处理。压铸模具需要承受冷热应力交替的恶劣环境，因此压铸模具表面一般不采用涂层技术。但近年来，有报道称，为了提高模具表面的抗粘性和脱模性，采用化学复合镀法加强压铸模具表面。该方法在铝基压铸模具上浸润聚四氟乙烯颗粒(NiP)-聚四氟乙烯复合镀。实验表明，该方法在工艺和性能上都是可行的，大大降低了模具表面的摩擦系数。

4、结语

模具压力加工是机械制造的重要组成部分，模具的水平、质量和使用寿命与模具表面强化技术密切相关。近年来，随着科学技术的进步，各种模具表面处理技术取得了很大的进步。表现在:①传统热处理工艺的改进及其与其他新工艺的结合；②表面改性技术包括渗碳、低温热膨胀（各种渗氮、碳氮共渗、离子氮化、三元共渗等）、盐浴热膨胀、硼渗漏、稀土表面强化、激光表面处理、电火花沉积金属陶瓷等；③涂装技术等。然而，对于工作条件极其恶劣的压铸模具，现有的新表面处理工艺不能满足不断增长的要求，预计将应用于压铸模具的表面处理。由于表面处理是提高压铸模具寿命的重要手段之一，表面处理技术将在提高我国压铸模具整体生产水平方面发挥重要作用。