浅述压铸模具表面强化技术的发展现状及展望

梁啟森，许忠斌，张小岩，张世珍，李光明

（1.浙江大学能源工程学院，浙江杭州 310027；2.宁波大榭开发区天正模具有限公司，浙江宁波 315000；3.宁波市光明机床汽配有限公司，浙江宁波 315000）

压铸是一种在高温条件下，将熔融合金高速高压注入精密压铸模，短时间内大量生产高精度并且铸面优良的铸件的铸造方式，具有生产效率高、作业面积小、尺寸精度高、铸件加工余量小等优点。然而，压铸模服役时极为严苛的加工环境，使得压铸模寿命成为制约压铸效益的一个很关键的因素。一般压铸模具的失效都是从表面失效开始的。压铸过程中，压铸模具承受很大的锁模力、铝液的高压冲击、压射反应力等，巨大地应力冲击容易导致模具表面开裂失效，尤其是受力面积小的镶件和尖角部位，因此需要模具表面具有极高的硬度和耐磨性能。此外，压铸过程中模具内的热环境也极其恶劣，受高温铝液的冲击造成的急热急冷，使压铸模表面产生很大交替热应力，模具表面还需要具有极高的耐温性、热稳定性和抗热疲劳性。为实现上述性能要求，单是从基材改良方面出发无疑是很不经济和困难的，因此表面强化技术成为解决这一问题的有力措施。

为实现模具表面强化，模具制造过程中最基本的方法是利用淬火-回火-抛光这一传统热处理工艺，这种工艺目前基本所有的压铸模具都会使用，但对模具钢材硬度、耐高温等性能也只是小幅度提升，难以满足实际工况需求，因此仍需更强力的表面强化技术。

目前应用于模具主流的表面强化技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理等技术，在模具材料表面制备一层硬膜或渗层，从而改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能。本文将通过低温化学热处理、表面涂覆和高能束处理技术这几方面展开，总结当前适用于模具领域的表面强化技术，并作出展望。

1 低温化学热处理

低温化学热处理是表面工程领域重要的组成部分，是指通过在工件表面渗入一种或几种元素形成化合物，从而提升工件的表面性能的热处理工艺。由于其处理温度低，一般能在保持基体材料强韧性的基础上赋予表面独特的性能。目前常用的工艺有渗氮、碳氮共渗、硫碳氮共渗及多元共渗等[1]，其中，以渗氮技术应用最为广泛。

渗氮是指在一定温度下、一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。工业生产中使用的渗氮方法主要有三种[2]，如表1 所示。

表1 渗氮方法

其中气体渗氮为最早发展出的渗氮工艺，设备简单，但由于处理周期长（如渗氮层厚度为0.6mm 时，其保温时间可达90 小时），能耗大，目前多通过多段渗氮的方式[3]，形成温度梯度，提升渗氮速率。液体渗氮是一种较新的渗氮工艺，生产温度低、时长短，但其渗氮层厚度较薄，而且由于其溶盐反应具有毒性，该项工艺的应用受到很大限制。与之相比，离子渗氮由于良好的特性，逐渐成为了当下应用最广泛的渗氮工艺，被中国热协称为二十一世纪的“绿色”渗氮方法，是目前渗氮工艺的研究热门。

离子渗氮是利用稀薄含氮气体产生辉光放电对金属材料表面进行渗氮处理的低温等离子体技术。离子渗氮后工件表面会生成两部分富氮区域，表层为由ε 相（Fe2N 为基的固溶体）和γ' 相（Fe4N为基的固溶体）组成的化合物层[4]，具有很好的硬度和耐磨性，但是韧性低、脆性大，线性热膨胀系数与基材不同，微裂纹一经萌生，迅速扩展成为粗大的一次裂纹，抗疲劳性能差，在反复使用过程中容易开裂、脱落。化合物层下为氮与Mo、V、Cr 等生成的多种合金氮化物与铁素体组成的扩散层，其微观结构与基材相似。扩散层硬度高、韧性高，而且氮化物比容一般大于铁，渗氮后在模具表面可形成较大的残余压应力，抵消部分外加拉应力，从而使扩散层抗疲劳强度显著提高[5]。对于压铸模具渗氮，一般要求表层材料具有出色的抗热疲劳性，因此很多工艺的研究集中在无化合物层的离子渗氮技术上。目前离子渗氮工艺发展趋势主要集中在以下几个方面。

1.1 表面预处理结合离子渗氮

表面预处理是指预先改变材料表面活性，提升对氮的吸收性能，实现快速渗氮。如最初的预氧化渗氮[6]，利用氧化膜在离子轰击和氢离子的还原下，形成的失氧空位，为氮离子提供快速渗入通道，提升离子渗氮速率。但预氧化渗氮只有在氧化膜完全还原后才会产生快速扩渗的作用，因此氧化膜厚度成为一个很关键的控制参数，氧化后形成的脉状疏松也成为限制其应用的重要因素。此外，还有向渗氮气氛中加入惰性气体催渗的方法，主要是利用惰性气体离子轰击活化模具表面，增加氮的扩散通道，加快渗氮速率。如顾彩香等[7]人在热分解氨的基础上加入氩气后进行离子渗氮后，相同时长后生成的渗层厚度增加了30%左右，同时也发现了加氩渗氮可减小辉光层厚度，有利于狭缝、小孔处渗氮。

表面预处理的另一个研究热点是利用表面纳米化技术[8]，在工件表面产生大量塑性变形，细化晶粒，同时生成大量位错和缺陷，为氮元素的渗入提供良好的表面环境。常用的表面纳米化技术有表面机械研磨、超声波喷丸、激光诱导冲击等。相比于机械研磨和喷丸处理，激光冲击强化能量集中，材料表面损伤小，更适合于处理模具这类复杂的部件。如唐磊等[9]利用强激光诱导的冲击波在金属表层产生约200μm 的变形层，相同离子渗氮条件下，化合物层厚度和有效扩散层厚度都提高到传统离子渗氮的2 倍左右，同时激光预处理显著提高了试样表面硬度。此外，还有引入稀土催渗的方法，利用稀土元素的超大原子半径，渗入后导致规则排列的晶格结构错排，缺陷增多，从而增加氮元素的扩散通道，提高了渗氮速度。

1.2 多样化元素组合渗入

区别于传统渗氮工艺，现多通过多种元素一定比例的配合作为渗剂等方式，提升离子渗氮速率，加强渗氮效果。其中应用最广泛的是气体软氮化工艺，采用尿素、甲酰胺和三乙醇胺作为共渗介质，在软氮化温度下热分解生成活性碳、氮原子，逐渐渗入金属。软氮化后会在最外层生成化合物层（“白化层”），此时的化合物层中因为混有碳，其热膨胀系数与基材接近，且拥有出色的硬度和耐磨性，但化合物层性能受碳、氮比例影响较大，是这项工艺中极难拿捏的工艺参数。与此类似的还有离子硫氮共渗、离子氧氮共渗、离子氧氮碳三元共渗等技术。

除了渗入上述非金属元素，现还采用金属共渗的方式，如徐永礼等[10]对H13 钢经Re-N-C-SV-Nb 盐浴多元共渗后，渗层中生成的钒铌碳氮化物细化了晶粒，在位错上起钉轧作用，阻碍了位错向更稳定的组态分布运动，并产生位错塞积强化，使工件表面的强度、硬度、塑性、韧度、抗热疲劳性都得到了显著提高。

1.3 离子渗氮工艺升级

离子渗氮工艺虽然高效、绿色，但其一直存在一些难以解决的技术问题，限制着这项技术的发展和在工业生产中的推广应用。如高压作用下有时产生的大电弧会破坏磨损金属工件，工件中的深孔、小孔等部分容易发生空心阴极效应，使工件上某部分温度过高且硬度降低，造成渗氮层不均匀的现象[11]。为解决上述问题，现多采用脉冲直流电源施加电压，利用脉冲间隙避免载流子的聚集，抑制空心阴极效应和表面打弧，国内外相继推出一系列的脉冲电源离子渗氮炉，如德国Klockner公司研制的斩波式直流脉冲电源，我国湖北丰热科技有限公司制造的脉冲电源离子渗氮炉等。

此外，近年来Georges 提出的活性屏离子渗氮技术（ASPN）受到了国内外渗氮领域的广泛青睐[12]。其在工件表面加一层圆形铁笼替代工件作为阴极，辉光效应后，电离生成的等离子体轰击活性屏，预先形成不同比例的FexN，然后堆积在工件表面，利用辐射热能再次分解扩散，形成渗氮层。如此改变可以解决离子渗氮过程中一些难以处理的技术问题，如工件打弧、空心阴极效应、工件温度测量困难等，可有效推广离子渗氮技术在实际中的应用。

2 表面涂层技术

表面涂层技术是指利用某种方式将涂层材料与基材结合到一起，形成具有一定硬度和耐磨性的表面保护层。对于模具领域的应用，一般表面涂层多选为硬质镀层，构成主要以氮化物为主，特别是IVA、VA、VIA 金属族的氮化物。氮化物涂层中研究最早的两种是二元氮化物TiN 和CrN，随着工业对其广泛应用和发展，逐渐形成了以Ti 基和Cr 基构成的两个涂层体系。其中，Cr 基镀层相对于Ti 基镀层，虽然其硬度相比较低，但Cr 基镀层与基体的结合力更高，抗氧化性更强，耐磨性更强、内应力更小，因此模具制造中多选用Cr 基涂层。模具沉积涂层后，可以显著提升模具表面硬度、耐磨性等，同时还可减小粘附倾向，使脱模更容易，通常可避免使用脱模剂。

结构单一的二元氮化物涂层虽能一定程度上提升工件表面性能，但是性能单一，除在简单工况下使用外已无法满足复杂工况的需求。为满足更加严苛的工业要求，目前硬质涂层的研究热点集中在多元化元素组成、多层结构涂层、功能梯度化这几个方面[13]。多元氮化物涂层通过引入其他合金元素，提高表面涂层的性能。如往CrN 中引入Al 后生成的CrAlN 涂层，其中Al 和N 以共价键结合，热稳定性增加，晶粒更加均匀细小，涂层具有出色的硬度，形成的Cr2O3和Al2O3，结构致密，拥有出色的耐磨性和抗氧化性，此外Cr2O3和Al2O3生成后体积膨胀，在涂层表面形成压应力，增强了模具表面的抗疲劳性能。特别是对于压铸模具的模芯、滑块、镶件等成型部件效果十分明显。多层结构复合涂层是在垂直于一维方向上具有多层成分或结构不同的涂层交替的多层结构，其利用多层结构的界面效应和层间耦合效应获得更高的韧性。目前最具有代表性的为纳米多层超点阵涂层技术。

表面涂层的制备方法有很多，其中应用最广泛的是热喷涂法和气相沉积法。

2.1 热喷涂技术

热喷涂技术是一种涂层材料送入某种热源（电弧、燃烧火焰、等离子体等）中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。热喷涂在模具修复上应用较多，其使用的材料和工艺方法选择范围广，可以实现高效率修复的同时获得强化效果明显的模具零件表面。但传统热喷涂后模具表面粗糙值较大，涂层内部与模具表面为半机械结合，结合处容易出现裂纹或其他缺陷，影响了热喷涂技术在模具领域的推广应用。近年来开发出的热喷涂纳米涂层技术[14]，使热喷涂涂层质量大幅提高，并为热喷涂设备的研发带来新一轮的研究热潮。热喷涂纳米涂层技术中最重要的一个环节是制造纳米粉体再造粒，是通过球磨混粉、喷雾干燥团聚、高温烧结致密化等手段，将所需成分组成的纳米尺度初始粉体制备成纳米结构的可喷涂粉体喂料，可喷涂粉体喂料致密程度和组织结构决定着涂层的最终性能。目前常用的热喷涂方法有三阴极等离子喷涂、高能等离子喷涂和超音速电弧与火焰喷涂等，其中以等离子喷涂技术最为成熟[15]。

2.2 气相沉积技术

相比热喷涂，气相沉积法适用的温度更低，对模具基材更加友好。气相沉积法主要分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD），CVD 技术是由反应气体与基材发生化学反应生成表面涂层，但其反应温度极高（一般都高于900℃），实际中很少使用。PVD 技术适用于低温，对沉积和基体材料限制宽松，且对环境友好，是目前工业中应用最为普遍的沉积方法。

PVD 技术是在真空条件下，经过某种方式的能量注入，使得涂层材料（靶材）表面气化为活性由固态转变为气相，以原子或分子形式蒸发，再逐渐堆积在工件表面，形成强化涂层。按照能量注入方式的不同，PVD 技术主要可以分为真空蒸镀、离子溅射镀。蒸发镀是发展最早的PVD 技术，其利用电阻加热涂层材料，使其熔化蒸发并沉积在基体表面形成膜层。其设备简单，成本较低，但其绕射性差，较难满足复杂形状工件的要求。溅射镀是利用荷能离子轰击靶材表面,通过粒子的动量传递轰击出靶材中的原子及其他粒子,并使其沉积在基体上形成膜层的技术，其中应用最广泛的是磁控溅射镀，也是目前主流的PVD 技术，磁控溅射镀是在传统PVD 技术上引入磁场，利用洛伦兹力增强等离子体轰击效应，具有沉积速率高、镀膜质量高、工艺稳定等优点，可实现连续式生产，降低生产成本[16]。

3 高能束表面处理

高能束表面处理利用高密度能量源，照射或注入材料表面，使材料表层成分、组织和结构发生变化，从而改变材料性能。高能束表面处理技术主要包括两个方面[17]：一是利用离子注入或等离子体碳氮化技术将异类原子直接引入表面中进行合金化，过程虽与离子渗氮相似，但离子能量却是其很多倍，可以使表面性能得到大幅度的提升。近年来开发出的多功能强束流离子注入机，也使得这项技术逐渐走向商业实用化。二是利用激光器和电子束发生器可获得极高的加热和冷却速度,可制成微晶、非晶及其他一些奇特的亚稳态合金,从而赋予材料表面以特殊的性能。但由于电子束发生设备和加工条件的制约，如今很少使用电子束表面处理。相反，激光技术的迅速发展，激光表面处理成为最活跃的研究方向之一。激光技术能量集中、热影响区小、对环境友好，十分符合绿色加工的理念。通过控制激光器输出功率的大小和方式，可以对材料进行加热、熔化、气化等，从而得到不同的表面强化作用。目前主要的激光表面强化工艺有：激光表面相变硬化、激光表面重熔、激光熔覆、激光冲击硬化、激光表面纳米化等。

我国目前在激光表面强化领域，特别是激光熔覆方面开展了大量深入的研究，对于激光熔覆技术基本特性、不同材料与基体组合的激光熔覆工艺及参数、激光熔覆基础理论和模型、激光熔覆过程裂纹形成与消除机制等方面均有了较为成熟的理论成果[18]。虽然目前激光涂覆还未实现大规模应用，但在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将会不断的扩大，在表面强化处理领域占据更为重要的地位。

4 结语

伴随着汽车轻量化的趋势，市场对大型精密化压铸模具性能的要求更加严苛，表面强化技术也将扮演更为重要的角色，同时伴随着“绿色制造”的要求，等离子体和激光表面技术等更为节能和环境友好的表面处理技术将会迎来更为广阔的发展前景。各项技术在各自独立发展的同时，也出现了与传统强化技术交叉发展的趋势，不断突破其适用范围和实用性制约。如近年来发展出的离子束辅助沉积（IBAD）技术，表面纳米化技术等，彼此间优势互补，获得了出色的表面处理效果。为适应现代工业的需求和科学技术迅速发展,有理由认为等离子体和激光表面处理将是之后整个表面强化技术发展的重要支柱。