1 模具零件表面涂层技术介绍

模具零件表面涂层技术是利用物理或化学方法，在模具零件表面通过熔覆、喷涂、沉积等工艺方法，涂覆一层与模具基体不同的薄膜，通过与模具基体的结合，提高模具零件表面性能，如硬度、耐磨、耐蚀、抗高温氧化等，保证模具零件的服役稳定性，并延长其使用寿命。表面涂层技术的发展路径可以分为两段：一是以传统的表面涂层技术为代表，主要包括电镀、化学镀和热扩渗等；二是现代表面技术阶段，以等离子体、激光、纳米颗粒的应用为代表。现阶段表面涂层技术在向着梯度化涂层结构设计和复合技术应用的方向发展，工业生产中常用的表面涂层技术有热喷涂、电镀与化学镀、化学和物理气相沉积、激光熔覆等，这些表面处理方式都有其固有的技术特征，在实际应用中要根据模具的使用要求和使用条件进行选择。

1.1 热喷涂技术

热喷涂技术是利用电弧、激光束、等离子体等高温热源将喷涂材料加热至液态或软化，再通过高速喷射将喷涂材料雾化成微颗粒并沉积到预先处理好的基体表面形成涂层的一种强化方法。热喷涂材料具有涵盖全部固体工程材料（金属、合金、陶瓷、塑料以及它们的复合物等）、基体受热影响较小、操作简便、区域灵活等特点。工业生产中常用的热喷涂技术是将金属基防滑耐磨涂层沉积在模具零件表面，提高模具零件在耐磨及耐蚀等方面的性能，以此改善模具的使用寿命和服役稳定性。

研究人员通过涂层耐磨性试验测试对比发现，采用电弧喷涂的FTC-FeCSiMn涂层使模具零件表面的耐磨性提高了10倍，而采用超音速火焰喷涂的超细WC-12Co涂层使模具零件表面的耐磨性相较电弧喷涂的FTC-FeCSiMn涂层又提升了1倍，经工艺优化后，显微硬度达到1 547 HV0.1，热喷涂工艺的进步对改善涂层质量具有较大的优势，并延长了模具的使用寿命。

马宪图等使用等离子喷涂技术在4Cr5MoSiV1热作模具钢基体表面制备WC10Co4Cr耐磨涂层。涂层主要由WC颗粒形成的骨架结构组成，骨架间的空隙可以储存润滑剂，有助于增强润滑效果，涂层中含有少量W、Co、Cr颗粒和W2C相。涂层中元素分布均匀，无明显的聚集，涂层和基体间结合紧密，达到了冶金结合。磨损机理主要是磨粒磨损，同时还伴有一定程度的粘着磨损，WC10Co4Cr涂层最大摩擦系数为0.47，经过磨耗试验，磨耗较少，可降低磨损量，延长模具使用寿命。

由于铝熔体的强腐蚀性以及铸造过程中热扩散和高机械负荷，为了改善铸造模具服役稳定性和使用寿命，采用烧结镶嵌的高钨伪合金，提升模具零件的强度、耐蚀性与耐高温氧化性，可延长铸造模具寿命1 000倍。为了控制制造成本，使用等离子转移弧堆焊(PTA)制备致密镀层代替高钨伪合金烧结镶嵌，会造成模具基体高热量输入。研究结果表明，显微结构和致密度满足要求的涂层可以通过改变喷涂参数制备，为了减少铸造模具零件变形，需要降低基体热量输入。通过使用高能量密度的热源，控制喷涂时间，提高喷涂速度，能有效减少热量输入对基体性能的影响，同时可以改善熔融结合区的性能，涂覆制备致密、高结合力的涂层。如激光喷涂和等离子体喷涂，可用来制备铸造模具零件的涂层。

在未来，热喷涂技术会向着不断改善沉积效率，并提高涂层结合力与致密度的方向发展，同时对沉积过程参数的精密控制必将是智能化的发展趋势[17]。

1.2 化学气相沉积技术

化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）技术是通过利用涂层内化学元素的化合物或单质，控制其在基体表面进行反应并沉积，生成固态沉积物。上世纪Metallgesell-Schaft公司首先将TiC涂层沉积在钢基体上进行表面强化，CVD沉积技术的应用也于上世纪在硬质合金上获得成功，国内是上世纪70年代开始研究，现已应用于工模具、机械零件，效果显著。该技术在模具领域的应用，主要集中在TiN系、TiC系、金刚石和类金刚石等硬质涂层，能够改善模具零件的硬度、耐磨性、耐蚀性。

崔玉明等通过化学气相沉积的方法使用直流电弧等离子炬在模具零件表面制备金刚石涂层，经检测在1 470 N载荷下，金刚石薄膜结合力测试区域没有发生开裂和涂层剥落现象，在改进金刚石涂层沉积效率的同时保证了与硬质合金基体之间的附着性，在保证涂层性能的基础上提升了与模具基体的结合力，保证了涂层的使用寿命和服役稳定性。

采用CVD工艺制备模具零件表面涂层的较难工艺问题就是膜基结合力不足和表面粗糙度难控制，解决这2个问题是使这一先进表面涂层技术得以在模具零件制造中广泛推广应用的关键。

1.3 物理气相沉积技术

物理气相沉积（physical vapor deposition，PVD）技术是使靶材在真空条件下离化成气态原子或分子或电离成离子态，利用低压气体（或等离子体）运输迁移，将具有某种特殊功能的靶材原子、分子或离子反应沉积在基体表面的技术。这种技术广泛用于沉积硬质薄膜，以延长其使用寿命、减少摩擦磨损、提高硬度、改善热性能、抗氧化性、耐蚀性和自润滑性。相对CVD工艺，PVD工艺不需要在高温下进行，有效地解决了涂层和基体中产生高的热应力的弊端，同时通过加强等离子体电离、减少暗区（没有沉积到反应器中的区域）、改进靶材使用、提高原子轰击效率，甚至提高沉积速率和优化气体选择等方法来优化PVD技术，使其发展为具有广阔应用前景的现代表面涂层技术。

使用物理气相沉积技术在模具零件工作表面上沉积硬质涂层，提高了零部件的强度、硬度、耐磨性、抗腐蚀性，同时依靠PVD硬质涂层良好的附着力，保证了模具的服役稳定性，延长了模具的使用寿命。在有色金属压铸领域，压铸模的使用寿命对铸造企业的成本效益和质量标准有重要的影响。模具零件表面暴露的主要应力是热冲击、磨损以及模具中液态铝和铁之间的化学反应，模具零件的筋条和靠近浇口的部分会承受高的应力，由于熔体的高速流动，这些部位易发生磨损。通过使用CrN基PVD涂层，模具使用寿命显著延长。

N BAGCIVAN等使用反应脉冲直流磁控溅射技术，通过类似三角形的靶位布置，降低了薄膜沉积的成本。使用Cr1-xAlxN(0.21≤ x≤ 0.74)作为涂层材料，沉积的薄膜具有优异的摩擦学性能，其中摩擦系数为0.4，磨损系数为1.8×10-16 m3（Nm）-1，同时获得的最大硬度为25.2 GPa，该结果证明这项技术在工业领域具有较大的发展潜力。PVD技术在X40CrMoV5-1热作工具钢表面强化中应用广泛，通过在基体上沉积超硬、耐磨性强的CrAlSiN和CrN涂层能够提高模具服役稳定性，改善使用寿命，其中沉积CrN涂层的模具零件测试磨损量最低。挤压模由于工况恶劣和承受多次冲击载荷，导致服役稳定性差、预期寿命短，常见的失效形式有胀裂、拉伤、磨损等。通过PVD技术将TiN、CrN、TiAlN硬质涂层分别沉积在模具零件表面，模具零件表面硬度、耐磨性得到改善，使用寿命延长了3~5倍。其中沉积TiAlN涂层的挤压模使用效果最为理想，涂层包覆后的镶件挤出的包边表面质量较高，摩擦学性能优异。

钢材拉拔模的磨损机理主要包括粘着磨损和磨粒磨损，由于循环往复的接触和载荷波动，表面失效随时可能发生。MARIA NILSSON等采用气相沉积涂层，将其应用于钢材拉拔模中，以取代硬质合金，试验在轴承钢基体上分别使用CVD技术制备TiC涂层和PVD技术制备（Ti,Al）N、CrN、CrC/C涂层。经过磨损试验对比得到使用PVD技术制备的CrC/C涂层的耐磨损性能最优，可有效改善模具零件表面耐磨性能，提高服役稳定性和延长使用寿命。