1 模具零件表面涂層技術介紹

模具零件表面涂層技術是利用物理或化學方法，在模具零件表面通過熔覆、噴涂、沉積等工藝方法，涂覆一層與模具基體不同的薄膜，通過與模具基體的結合，提高模具零件表面性能，如硬度、耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等，保證模具零件的服役穩定性，并延長其使用壽命。表面涂層技術的發展路徑可以分為兩段：一是以傳統的表面涂層技術為代表，主要包括電鍍、化學鍍和熱擴滲等；二是現代表面技術階段，以等離子體、激光、納米顆粒的應用為代表?，F階段表面涂層技術在向著梯度化涂層結構設計和復合技術應用的方向發展，工業生產中常用的表面涂層技術有熱噴涂、電鍍與化學鍍、化學和物理氣相沉積、激光熔覆等，這些表面處理方式都有其固有的技術特征，在實際應用中要根據模具的使用要求和使用條件進行選擇。

1.1 熱噴涂技術

熱噴涂技術是利用電弧、激光束、等離子體等高溫熱源將噴涂材料加熱至液態或軟化，再通過高速噴射將噴涂材料霧化成微顆粒并沉積到預先處理好的基體表面形成涂層的一種強化方法。熱噴涂材料具有涵蓋全部固體工程材料（金屬、合金、陶瓷、塑料以及它們的復合物等）、基體受熱影響較小、操作簡便、區域靈活等特點。工業生產中常用的熱噴涂技術是將金屬基防滑耐磨涂層沉積在模具零件表面，提高模具零件在耐磨及耐蝕等方面的性能，以此改善模具的使用壽命和服役穩定性。

研究人員通過涂層耐磨性試驗測試對比發現，采用電弧噴涂的FTC-FeCSiMn涂層使模具零件表面的耐磨性提高了10倍，而采用超音速火焰噴涂的超細WC-12Co涂層使模具零件表面的耐磨性相較電弧噴涂的FTC-FeCSiMn涂層又提升了1倍，經工藝優化后，顯微硬度達到1 547 HV0.1，熱噴涂工藝的進步對改善涂層質量具有較大的優勢，并延長了模具的使用壽命。

馬憲圖等使用等離子噴涂技術在4Cr5MoSiV1熱作模具鋼基體表面制備WC10Co4Cr耐磨涂層。涂層主要由WC顆粒形成的骨架結構組成，骨架間的空隙可以儲存潤滑劑，有助于增強潤滑效果，涂層中含有少量W、Co、Cr顆粒和W2C相。涂層中元素分布均勻，無明顯的聚集，涂層和基體間結合緊密，達到了冶金結合。磨損機理主要是磨粒磨損，同時還伴有一定程度的粘著磨損，WC10Co4Cr涂層最大摩擦系數為0.47，經過磨耗試驗，磨耗較少，可降低磨損量，延長模具使用壽命。

由于鋁熔體的強腐蝕性以及鑄造過程中熱擴散和高機械負荷，為了改善鑄造模具服役穩定性和使用壽命，采用燒結鑲嵌的高鎢偽合金，提升模具零件的強度、耐蝕性與耐高溫氧化性，可延長鑄造模具壽命1 000倍。為了控制制造成本，使用等離子轉移弧堆焊(PTA)制備致密鍍層代替高鎢偽合金燒結鑲嵌，會造成模具基體高熱量輸入。研究結果表明，顯微結構和致密度滿足要求的涂層可以通過改變噴涂參數制備，為了減少鑄造模具零件變形，需要降低基體熱量輸入。通過使用高能量密度的熱源，控制噴涂時間，提高噴涂速度，能有效減少熱量輸入對基體性能的影響，同時可以改善熔融結合區的性能，涂覆制備致密、高結合力的涂層。如激光噴涂和等離子體噴涂，可用來制備鑄造模具零件的涂層。

在未來，熱噴涂技術會向著不斷改善沉積效率，并提高涂層結合力與致密度的方向發展，同時對沉積過程參數的精密控制必將是智能化的發展趨勢[17]。

1.2 化學氣相沉積技術

化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）技術是通過利用涂層內化學元素的化合物或單質，控制其在基體表面進行反應并沉積，生成固態沉積物。上世紀Metallgesell-Schaft公司首先將TiC涂層沉積在鋼基體上進行表面強化，CVD沉積技術的應用也于上世紀在硬質合金上獲得成功，國內是上世紀70年代開始研究，現已應用于工模具、機械零件，效果顯著。該技術在模具領域的應用，主要集中在TiN系、TiC系、金剛石和類金剛石等硬質涂層，能夠改善模具零件的硬度、耐磨性、耐蝕性。

崔玉明等通過化學氣相沉積的方法使用直流電弧等離子炬在模具零件表面制備金剛石涂層，經檢測在1 470 N載荷下，金剛石薄膜結合力測試區域沒有發生開裂和涂層剝落現象，在改進金剛石涂層沉積效率的同時保證了與硬質合金基體之間的附著性，在保證涂層性能的基礎上提升了與模具基體的結合力，保證了涂層的使用壽命和服役穩定性。

采用CVD工藝制備模具零件表面涂層的較難工藝問題就是膜基結合力不足和表面粗糙度難控制，解決這2個問題是使這一先進表面涂層技術得以在模具零件制造中廣泛推廣應用的關鍵。

1.3 物理氣相沉積技術

物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）技術是使靶材在真空條件下離化成氣態原子或分子或電離成離子態，利用低壓氣體（或等離子體）運輸遷移，將具有某種特殊功能的靶材原子、分子或離子反應沉積在基體表面的技術。這種技術廣泛用于沉積硬質薄膜，以延長其使用壽命、減少摩擦磨損、提高硬度、改善熱性能、抗氧化性、耐蝕性和自潤滑性。相對CVD工藝，PVD工藝不需要在高溫下進行，有效地解決了涂層和基體中產生高的熱應力的弊端，同時通過加強等離子體電離、減少暗區（沒有沉積到反應器中的區域）、改進靶材使用、提高原子轟擊效率，甚至提高沉積速率和優化氣體選擇等方法來優化PVD技術，使其發展為具有廣闊應用前景的現代表面涂層技術。

使用物理氣相沉積技術在模具零件工作表面上沉積硬質涂層，提高了零部件的強度、硬度、耐磨性、抗腐蝕性，同時依靠PVD硬質涂層良好的附著力，保證了模具的服役穩定性，延長了模具的使用壽命。在有色金屬壓鑄領域，壓鑄模的使用壽命對鑄造企業的成本效益和質量標準有重要的影響。模具零件表面暴露的主要應力是熱沖擊、磨損以及模具中液態鋁和鐵之間的化學反應，模具零件的筋條和靠近澆口的部分會承受高的應力，由于熔體的高速流動，這些部位易發生磨損。通過使用CrN基PVD涂層，模具使用壽命顯著延長。

N BAGCIVAN等使用反應脈沖直流磁控濺射技術，通過類似三角形的靶位布置，降低了薄膜沉積的成本。使用Cr1-xAlxN(0.21≤ x≤ 0.74)作為涂層材料，沉積的薄膜具有優異的摩擦學性能，其中摩擦系數為0.4，磨損系數為1.8×10-16 m3（Nm）-1，同時獲得的最大硬度為25.2 GPa，該結果證明這項技術在工業領域具有較大的發展潛力。PVD技術在X40CrMoV5-1熱作工具鋼表面強化中應用廣泛，通過在基體上沉積超硬、耐磨性強的CrAlSiN和CrN涂層能夠提高模具服役穩定性，改善使用壽命，其中沉積CrN涂層的模具零件測試磨損量最低。擠壓模由于工況惡劣和承受多次沖擊載荷，導致服役穩定性差、預期壽命短，常見的失效形式有脹裂、拉傷、磨損等。通過PVD技術將TiN、CrN、TiAlN硬質涂層分別沉積在模具零件表面，模具零件表面硬度、耐磨性得到改善，使用壽命延長了3~5倍。其中沉積TiAlN涂層的擠壓模使用效果最為理想，涂層包覆后的鑲件擠出的包邊表面質量較高，摩擦學性能優異。

鋼材拉拔模的磨損機理主要包括粘著磨損和磨粒磨損，由于循環往復的接觸和載荷波動，表面失效隨時可能發生。MARIA NILSSON等采用氣相沉積涂層，將其應用于鋼材拉拔模中，以取代硬質合金，試驗在軸承鋼基體上分別使用CVD技術制備TiC涂層和PVD技術制備（Ti,Al）N、CrN、CrC/C涂層。經過磨損試驗對比得到使用PVD技術制備的CrC/C涂層的耐磨損性能最優，可有效改善模具零件表面耐磨性能，提高服役穩定性和延長使用壽命。