淺述壓鑄模具表面強化技術的發展現狀及展望

梁啟森，許忠斌，張小巖，張世珍，李光明

（1.浙江大學能源工程學院，浙江杭州 310027；2.寧波大榭開發區天正模具有限公司，浙江寧波 315000；3.寧波市光明機床汽配有限公司，浙江寧波 315000）

壓鑄是一種在高溫條件下，將熔融合金高速高壓注入精密壓鑄模，短時間內大量生產高精度并且鑄面優良的鑄件的鑄造方式，具有生產效率高、作業面積小、尺寸精度高、鑄件加工余量小等優點。然而，壓鑄模服役時極為嚴苛的加工環境，使得壓鑄模壽命成為制約壓鑄效益的一個很關鍵的因素。一般壓鑄模具的失效都是從表面失效開始的。壓鑄過程中，壓鑄模具承受很大的鎖模力、鋁液的高壓沖擊、壓射反應力等，巨大地應力沖擊容易導致模具表面開裂失效，尤其是受力面積小的鑲件和尖角部位，因此需要模具表面具有極高的硬度和耐磨性能。此外，壓鑄過程中模具內的熱環境也極其惡劣，受高溫鋁液的沖擊造成的急熱急冷，使壓鑄模表面產生很大交替熱應力，模具表面還需要具有極高的耐溫性、熱穩定性和抗熱疲勞性。為實現上述性能要求，單是從基材改良方面出發無疑是很不經濟和困難的，因此表面強化技術成為解決這一問題的有力措施。

為實現模具表面強化，模具制造過程中最基本的方法是利用淬火-回火-拋光這一傳統熱處理工藝，這種工藝目前基本所有的壓鑄模具都會使用，但對模具鋼材硬度、耐高溫等性能也只是小幅度提升，難以滿足實際工況需求，因此仍需更強力的表面強化技術。

目前應用于模具主流的表面強化技術，是通過表面涂覆、表面改性或復合處理等技術，在模具材料表面制備一層硬膜或滲層，從而改變模具表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態，以獲得所需表面性能。本文將通過低溫化學熱處理、表面涂覆和高能束處理技術這幾方面展開，總結當前適用于模具領域的表面強化技術，并作出展望。

1 低溫化學熱處理

低溫化學熱處理是表面工程領域重要的組成部分，是指通過在工件表面滲入一種或幾種元素形成化合物，從而提升工件的表面性能的熱處理工藝。由于其處理溫度低，一般能在保持基體材料強韌性的基礎上賦予表面獨特的性能。目前常用的工藝有滲氮、碳氮共滲、硫碳氮共滲及多元共滲等[1]，其中，以滲氮技術應用最為廣泛。

滲氮是指在一定溫度下、一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。工業生產中使用的滲氮方法主要有三種[2]，如表1 所示。

表1 滲氮方法

其中氣體滲氮為最早發展出的滲氮工藝，設備簡單，但由于處理周期長（如滲氮層厚度為0.6mm 時，其保溫時間可達90 小時），能耗大，目前多通過多段滲氮的方式[3]，形成溫度梯度，提升滲氮速率。液體滲氮是一種較新的滲氮工藝，生產溫度低、時長短，但其滲氮層厚度較薄，而且由于其溶鹽反應具有毒性，該項工藝的應用受到很大限制。與之相比，離子滲氮由于良好的特性，逐漸成為了當下應用最廣泛的滲氮工藝，被中國熱協稱為二十一世紀的“綠色”滲氮方法，是目前滲氮工藝的研究熱門。

離子滲氮是利用稀薄含氮氣體產生輝光放電對金屬材料表面進行滲氮處理的低溫等離子體技術。離子滲氮后工件表面會生成兩部分富氮區域，表層為由ε 相（Fe2N 為基的固溶體）和γ' 相（Fe4N為基的固溶體）組成的化合物層[4]，具有很好的硬度和耐磨性，但是韌性低、脆性大，線性熱膨脹系數與基材不同，微裂紋一經萌生，迅速擴展成為粗大的一次裂紋，抗疲勞性能差，在反復使用過程中容易開裂、脫落。化合物層下為氮與Mo、V、Cr 等生成的多種合金氮化物與鐵素體組成的擴散層，其微觀結構與基材相似。擴散層硬度高、韌性高，而且氮化物比容一般大于鐵，滲氮后在模具表面可形成較大的殘余壓應力，抵消部分外加拉應力，從而使擴散層抗疲勞強度顯著提高[5]。對于壓鑄模具滲氮，一般要求表層材料具有出色的抗熱疲勞性，因此很多工藝的研究集中在無化合物層的離子滲氮技術上。目前離子滲氮工藝發展趨勢主要集中在以下幾個方面。

1.1 表面預處理結合離子滲氮

表面預處理是指預先改變材料表面活性，提升對氮的吸收性能，實現快速滲氮。如最初的預氧化滲氮[6]，利用氧化膜在離子轟擊和氫離子的還原下，形成的失氧空位，為氮離子提供快速滲入通道，提升離子滲氮速率。但預氧化滲氮只有在氧化膜完全還原后才會產生快速擴滲的作用，因此氧化膜厚度成為一個很關鍵的控制參數，氧化后形成的脈狀疏松也成為限制其應用的重要因素。此外，還有向滲氮氣氛中加入惰性氣體催滲的方法，主要是利用惰性氣體離子轟擊活化模具表面，增加氮的擴散通道，加快滲氮速率。如顧彩香等[7]人在熱分解氨的基礎上加入氬氣后進行離子滲氮后，相同時長后生成的滲層厚度增加了30%左右，同時也發現了加氬滲氮可減小輝光層厚度，有利于狹縫、小孔處滲氮。

表面預處理的另一個研究熱點是利用表面納米化技術[8]，在工件表面產生大量塑性變形，細化晶粒，同時生成大量位錯和缺陷，為氮元素的滲入提供良好的表面環境。常用的表面納米化技術有表面機械研磨、超聲波噴丸、激光誘導沖擊等。相比于機械研磨和噴丸處理，激光沖擊強化能量集中，材料表面損傷小，更適合于處理模具這類復雜的部件。如唐磊等[9]利用強激光誘導的沖擊波在金屬表層產生約200μm 的變形層，相同離子滲氮條件下，化合物層厚度和有效擴散層厚度都提高到傳統離子滲氮的2 倍左右，同時激光預處理顯著提高了試樣表面硬度。此外，還有引入稀土催滲的方法，利用稀土元素的超大原子半徑，滲入后導致規則排列的晶格結構錯排，缺陷增多，從而增加氮元素的擴散通道，提高了滲氮速度。

1.2 多樣化元素組合滲入

區別于傳統滲氮工藝，現多通過多種元素一定比例的配合作為滲劑等方式，提升離子滲氮速率，加強滲氮效果。其中應用最廣泛的是氣體軟氮化工藝，采用尿素、甲酰胺和三乙醇胺作為共滲介質，在軟氮化溫度下熱分解生成活性碳、氮原子，逐漸滲入金屬。軟氮化后會在最外層生成化合物層（“白化層”），此時的化合物層中因為混有碳，其熱膨脹系數與基材接近，且擁有出色的硬度和耐磨性，但化合物層性能受碳、氮比例影響較大，是這項工藝中極難拿捏的工藝參數。與此類似的還有離子硫氮共滲、離子氧氮共滲、離子氧氮碳三元共滲等技術。

除了滲入上述非金屬元素，現還采用金屬共滲的方式，如徐永禮等[10]對H13 鋼經Re-N-C-SV-Nb 鹽浴多元共滲后，滲層中生成的釩鈮碳氮化物細化了晶粒，在位錯上起釘軋作用，阻礙了位錯向更穩定的組態分布運動，并產生位錯塞積強化，使工件表面的強度、硬度、塑性、韌度、抗熱疲勞性都得到了顯著提高。

1.3 離子滲氮工藝升級

離子滲氮工藝雖然高效、綠色，但其一直存在一些難以解決的技術問題，限制著這項技術的發展和在工業生產中的推廣應用。如高壓作用下有時產生的大電弧會破壞磨損金屬工件，工件中的深孔、小孔等部分容易發生空心陰極效應，使工件上某部分溫度過高且硬度降低，造成滲氮層不均勻的現象[11]。為解決上述問題，現多采用脈沖直流電源施加電壓，利用脈沖間隙避免載流子的聚集，抑制空心陰極效應和表面打弧，國內外相繼推出一系列的脈沖電源離子滲氮爐，如德國Klockner公司研制的斬波式直流脈沖電源，我國湖北豐熱科技有限公司制造的脈沖電源離子滲氮爐等。

此外，近年來Georges 提出的活性屏離子滲氮技術（ASPN）受到了國內外滲氮領域的廣泛青睞[12]。其在工件表面加一層圓形鐵籠替代工件作為陰極，輝光效應后，電離生成的等離子體轟擊活性屏，預先形成不同比例的FexN，然后堆積在工件表面，利用輻射熱能再次分解擴散，形成滲氮層。如此改變可以解決離子滲氮過程中一些難以處理的技術問題，如工件打弧、空心陰極效應、工件溫度測量困難等，可有效推廣離子滲氮技術在實際中的應用。

2 表面涂層技術

表面涂層技術是指利用某種方式將涂層材料與基材結合到一起，形成具有一定硬度和耐磨性的表面保護層。對于模具領域的應用，一般表面涂層多選為硬質鍍層，構成主要以氮化物為主，特別是IVA、VA、VIA 金屬族的氮化物。氮化物涂層中研究最早的兩種是二元氮化物TiN 和CrN，隨著工業對其廣泛應用和發展，逐漸形成了以Ti 基和Cr 基構成的兩個涂層體系。其中，Cr 基鍍層相對于Ti 基鍍層，雖然其硬度相比較低，但Cr 基鍍層與基體的結合力更高，抗氧化性更強，耐磨性更強、內應力更小，因此模具制造中多選用Cr 基涂層。模具沉積涂層后，可以顯著提升模具表面硬度、耐磨性等，同時還可減小粘附傾向，使脫模更容易，通常可避免使用脫模劑。

結構單一的二元氮化物涂層雖能一定程度上提升工件表面性能，但是性能單一，除在簡單工況下使用外已無法滿足復雜工況的需求。為滿足更加嚴苛的工業要求，目前硬質涂層的研究熱點集中在多元化元素組成、多層結構涂層、功能梯度化這幾個方面[13]。多元氮化物涂層通過引入其他合金元素，提高表面涂層的性能。如往CrN 中引入Al 后生成的CrAlN 涂層，其中Al 和N 以共價鍵結合，熱穩定性增加，晶粒更加均勻細小，涂層具有出色的硬度，形成的Cr2O3和Al2O3，結構致密，擁有出色的耐磨性和抗氧化性，此外Cr2O3和Al2O3生成后體積膨脹，在涂層表面形成壓應力，增強了模具表面的抗疲勞性能。特別是對于壓鑄模具的模芯、滑塊、鑲件等成型部件效果十分明顯。多層結構復合涂層是在垂直于一維方向上具有多層成分或結構不同的涂層交替的多層結構，其利用多層結構的界面效應和層間耦合效應獲得更高的韌性。目前最具有代表性的為納米多層超點陣涂層技術。

表面涂層的制備方法有很多，其中應用最廣泛的是熱噴涂法和氣相沉積法。

2.1 熱噴涂技術

熱噴涂技術是一種涂層材料送入某種熱源（電弧、燃燒火焰、等離子體等）中熔化，并利用高速氣流將其噴射到基體材料表面形成涂層的工藝。熱噴涂在模具修復上應用較多，其使用的材料和工藝方法選擇范圍廣，可以實現高效率修復的同時獲得強化效果明顯的模具零件表面。但傳統熱噴涂后模具表面粗糙值較大，涂層內部與模具表面為半機械結合，結合處容易出現裂紋或其他缺陷，影響了熱噴涂技術在模具領域的推廣應用。近年來開發出的熱噴涂納米涂層技術[14]，使熱噴涂涂層質量大幅提高，并為熱噴涂設備的研發帶來新一輪的研究熱潮。熱噴涂納米涂層技術中最重要的一個環節是制造納米粉體再造粒，是通過球磨混粉、噴霧干燥團聚、高溫燒結致密化等手段，將所需成分組成的納米尺度初始粉體制備成納米結構的可噴涂粉體喂料，可噴涂粉體喂料致密程度和組織結構決定著涂層的最終性能。目前常用的熱噴涂方法有三陰極等離子噴涂、高能等離子噴涂和超音速電弧與火焰噴涂等，其中以等離子噴涂技術最為成熟[15]。

2.2 氣相沉積技術

相比熱噴涂，氣相沉積法適用的溫度更低，對模具基材更加友好。氣相沉積法主要分為化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD），CVD 技術是由反應氣體與基材發生化學反應生成表面涂層，但其反應溫度極高（一般都高于900℃），實際中很少使用。PVD 技術適用于低溫，對沉積和基體材料限制寬松，且對環境友好，是目前工業中應用最為普遍的沉積方法。

PVD 技術是在真空條件下，經過某種方式的能量注入，使得涂層材料（靶材）表面氣化為活性由固態轉變為氣相，以原子或分子形式蒸發，再逐漸堆積在工件表面，形成強化涂層。按照能量注入方式的不同，PVD 技術主要可以分為真空蒸鍍、離子濺射鍍。蒸發鍍是發展最早的PVD 技術，其利用電阻加熱涂層材料，使其熔化蒸發并沉積在基體表面形成膜層。其設備簡單，成本較低，但其繞射性差，較難滿足復雜形狀工件的要求。濺射鍍是利用荷能離子轟擊靶材表面,通過粒子的動量傳遞轟擊出靶材中的原子及其他粒子,并使其沉積在基體上形成膜層的技術，其中應用最廣泛的是磁控濺射鍍，也是目前主流的PVD 技術，磁控濺射鍍是在傳統PVD 技術上引入磁場，利用洛倫茲力增強等離子體轟擊效應，具有沉積速率高、鍍膜質量高、工藝穩定等優點，可實現連續式生產，降低生產成本[16]。

3 高能束表面處理

高能束表面處理利用高密度能量源，照射或注入材料表面，使材料表層成分、組織和結構發生變化，從而改變材料性能。高能束表面處理技術主要包括兩個方面[17]：一是利用離子注入或等離子體碳氮化技術將異類原子直接引入表面中進行合金化，過程雖與離子滲氮相似，但離子能量卻是其很多倍，可以使表面性能得到大幅度的提升。近年來開發出的多功能強束流離子注入機，也使得這項技術逐漸走向商業實用化。二是利用激光器和電子束發生器可獲得極高的加熱和冷卻速度,可制成微晶、非晶及其他一些奇特的亞穩態合金,從而賦予材料表面以特殊的性能。但由于電子束發生設備和加工條件的制約，如今很少使用電子束表面處理。相反，激光技術的迅速發展，激光表面處理成為最活躍的研究方向之一。激光技術能量集中、熱影響區小、對環境友好，十分符合綠色加工的理念。通過控制激光器輸出功率的大小和方式，可以對材料進行加熱、熔化、氣化等，從而得到不同的表面強化作用。目前主要的激光表面強化工藝有：激光表面相變硬化、激光表面重熔、激光熔覆、激光沖擊硬化、激光表面納米化等。

我國目前在激光表面強化領域，特別是激光熔覆方面開展了大量深入的研究，對于激光熔覆技術基本特性、不同材料與基體組合的激光熔覆工藝及參數、激光熔覆基礎理論和模型、激光熔覆過程裂紋形成與消除機制等方面均有了較為成熟的理論成果[18]。雖然目前激光涂覆還未實現大規模應用，但在不遠的將來，激光熔覆技術的應用領域及其強度將會不斷的擴大，在表面強化處理領域占據更為重要的地位。

4 結語

伴隨著汽車輕量化的趨勢，市場對大型精密化壓鑄模具性能的要求更加嚴苛，表面強化技術也將扮演更為重要的角色，同時伴隨著“綠色制造”的要求，等離子體和激光表面技術等更為節能和環境友好的表面處理技術將會迎來更為廣闊的發展前景。各項技術在各自獨立發展的同時，也出現了與傳統強化技術交叉發展的趨勢，不斷突破其適用范圍和實用性制約。如近年來發展出的離子束輔助沉積（IBAD）技術，表面納米化技術等，彼此間優勢互補，獲得了出色的表面處理效果。為適應現代工業的需求和科學技術迅速發展,有理由認為等離子體和激光表面處理將是之后整個表面強化技術發展的重要支柱。