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模具鋼表面處理的研究進展

2014-4-18
吳曉春,楊浩鵬
(上海大學 材料科學與工程學院,上海 200072
摘要:詳細介紹了近些年出現的冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼表面處理技術的應用,并對今后的發展方向作了展望,敘述了納米技術和功能梯度覆層在模具表面處理中的應用及其低溫表面處理技術的開發。
關鍵詞:模具鋼;表面處理;技術發展
中圖分類號:TG156.8    文獻標識碼:A    文章編號:1001-2168-(2013)09-0001-06
1 引言
 模具鋼是現代加工業的重要基礎之一,隨著模具成形加工技術不斷發展,對模具材料的要求也越來越高。只靠鋼材本體材料化學成分的調配和組織結構的改善已很難滿足現實工業生產中對模具鋼強度、硬度、耐磨和耐腐蝕性能的要求。而通過改變模具鋼的表面狀態來提高其使用壽命是一種非常有效的方法。目前,各種各樣的表面技術已被用來提高模具鋼性能。以下就對近些年出現的有關冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼新表面處理技術的應用作詳細介紹,并對今后技術發展方向作展望。
 
2 各種模具鋼表面處理技術現狀
        近些年來,出現了許多表面處理新技術,其中有部分已應用于模具鋼的表面處理,主要有等離子體技術、氣相沉積技術和復合處理技術等。下面對各種模具鋼表面處理技術現狀作詳細介紹。
 
2.1 冷作模具鋼的表面處理
        冷作模具鋼要求具有高的強度、耐磨性和足夠的韌性,以保證高的耐用度。為了延長其使用壽命,需要對其進行表面處理。物理氣相沉積法(PVD)以其較低的處理溫度及其環境友好型,在近年來愈受青睞。PVD處理溫度低,模具鋼基本不變形,與化學氣相沉積(CVD)比較,這是它最大的優點1。為提高冷作模具鋼使用壽命,在模具鋼表面沉積TiN等硬質涂層是一種有效途徑2,PVD的發展趨勢:在TiN基礎上發展起來的多元膜,如(TiA1)N、(TiCr)N等,是一類更有前途的新型薄膜。施雯等在Cr12MoV冷作模具鋼表面沉積了不同的涂層,主要有CrMoN3、Cr/CrN/CrTiA1N4CrTiA1N/MoS2/Ti5復合涂層,CrTiA1N/MoS2/Ti涂層經過原子顯微鏡檢測,涂層表面光滑致密。這些涂層都能一定程度地提高模具鋼表面強度和耐磨性能,但涂層與與基體材料結合力不夠高。為了克服這一缺點,采用了復合處理技術,先對Cr12MoV鋼進行低溫等離子體氮化處理,然后進行PVD沉積Ti/TiN涂層6,劃痕和磨損實驗綜合分析結果表明:復合處理明顯提高了涂層與基體界面的結合力和耐磨性能,該涂層的臨界載荷超過60N。
 

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        為了較好地解決覆層與基體結合力的問題,采用在基體表面進行熱擴散相變的方法制備覆層是一條行之有效的途徑。張雙科等7,8在等離子滲氮的基礎上,在不同溫度和氣氛下采 用等離子體S-N-C復合處理工藝,在Cr12MoV鋼表面形成一層硫的化合物層,通過劃痕試驗測試,表明在適量的CS2氣氛和520℃條件下,易于形成結合力高的化合物層。劉秀娟等9對此鋼采用高溫鹽浴法(850~1050)在其表面制備碳化釩覆層,在熱擴散初始階段,釩向基體擴散滲透的同時,基體中的碳向表面擴散,與滲進的釩反應生成VC相。楊浩鵬等10對新型高強韌冷作模具鋼SDC99進行鹽浴滲釩,對其碳化釩覆層生長機理進行了研究,通過觀察碳化釩XRD衍射峰中2個強主峰對應的衍射強度比值I(111)/I(200)的變化發現:當處理時間極短、覆層極薄 時,在SDC99鋼上形成覆層的生長擇優取向從(200)晶面轉變為(111)晶面;隨著時間的延長,覆層晶粒生長無明顯擇優取向,生長為等軸晶。SDC99鋼經950℃滲釩16h后覆層截面SEM10其覆層橫截面形貌如圖1所示。但高溫表面處理容易造成基體組織變化,工件尺寸變形,這對模具鋼極為不利,這就提出了在低溫進行熱擴散制備硬質覆層的要求。ARAI11,12先對模具零件進行滲氮,然后在加有釩粉的氯化鹽鹽浴中進行TD處理,在低于600℃能得到釩的碳氮化合物,厚度約為2μm,把處理溫度提高到700℃,可得厚度為10μm釩的碳氮化合物,由于在600℃以下獲得的覆層厚度太薄,并不具備工業應用價值。要在冷作模具鋼回火溫度(550)以下實現碳化釩覆層的制備仍然是一大挑戰。周朝政等13對冷作模具鋼表面制備碳化釩覆層處理技術進行了介紹,分析了硼砂鹽浴制備碳化物層法、中性鹽鹽浴制備碳化物層法、混合鹽浴制備碳化物層法、低溫氯化物鹽浴制備碳化物層法等的表面強化機理特點,對影響冷作模具鋼表面制備碳化釩覆層處理的關鍵工藝因素進行了探討。
 
2.2 熱作模具鋼的表面處理
        熱作模具鋼在服役中需要能保持其熱強性能、熱疲勞性能和韌性。表面處理技術能顯著提高其熱疲勞壽命和抗熱磨損性能。把2種或2種以上的表面處理工藝方法用于同一工件,不僅可以發揮各種表面處理技術的優點,而且能顯示組合使用的突出效果。TORRES14H13鋼上先進行低壓氣體滲氮,制備2種試樣,一是有化合物層,二是只有擴散層,然后再用PVD方法制備TiA1N/TiN涂層。磨損試驗結果如表1所示。試驗結果表明,經過氮化預處理后再做PVD涂層的耐磨性能比單純PVD涂層要優越,而且無化合物氮化層預處理的涂層比有化合物氮化層的要好,原因是含氮化合物在PVD制備涂層時不穩定,發生熱分解,導致涂層與基體結合力不如無化合物氮化預處理的大。KLIMK15對生產汽車的鋁和鎂部件所用的模具鋼先采用等離子體滲氮預處理,再采用等離子體輔助化學氣相沉積法(PACVD)制備多層微納膜,而且這2個過程是連續進行的。通過調節試驗參數,可在模具鋼表面形成多種不同組分的微納膜。圖2是一個典型的擁有TiN-Ti(B;N)-TiB2硬化層樣品的負載多層膜截面金相圖。圖3為不同負載層樣品中包覆膜與基底粘合力的劃痕試驗結果,由圖2、3可見:在連續處理過程中形成TiN-Ti(B;N)-TiB2層的樣品具有極高的臨界載荷,說明該組層在改善模具表面性能中至關重要。通過復合表面處理技術,可以使模具平均使用壽命提高350%~500%。
 在熱作模具鋼化學熱處理領域中,也進行了許多研究。王榮等16H13鋼進行蒸汽氧化、離子滲氮和滲硼等不同表面處理,并對其在鋁熔液進行靜態熔損試驗。結果表明:離子滲氮試樣和滲硼試樣的熱熔質量損失要比氧化試樣更少,顯示了更好的抗熱熔損能力。陳玉華等對17H13熱作模具鋼進行了氣體軟氮化、蒸汽氧化處理,并將蒸汽氧化處理與軟氮化處理相結合,探索出了氮氧復合處理工藝。經動態熱熔損試驗測試,表面處理能顯著提高H13鋼的抗熔損性能,尤以氮氧復合處理效果最佳。王慶芳等18H13鋼先進行表面機械研磨(SMAT)納米化處理,使材料的表層擁有大量的晶界,為原子擴散提供了大量快通道,晶界處各種非平衡缺陷以及大量過剩能量都有利于擴散反應19-22,表面納米化后能使滲硼的擴散激活能顯著降低,在600℃等離子體滲硼,滲層相組成是扁平狀的Fe2BFeB相。在650℃等離子體滲硼3h后,試樣沿橫截面的輝光放電光譜(GDOES)測試圖譜如圖4所示。由硼元素分布曲線可看出,硼滲入深度可達25μm左右23。類似地,先進行高能噴丸處理后也能造成H13鋼表層晶粒細化、形成位錯等缺陷,使其等離子滲硼溫度降低。YANG24580℃等離子滲硼4h后樣品橫截面的SEM像和對應的納米壓痕測試硬度梯度如圖5所示。Fe2BFeB兩相總厚度能達到5μm,由于采用了噴丸預處理,硼擴散能達到一定深度,覆層與基體之間有擴散過渡區,從而使橫截面硬度梯度過渡平緩。H13鋼經高能噴丸后低溫滲硼及未表面處理試樣在鋁合金熔液中的動態熱熔損失重率如圖6所示25。由圖6可見,低溫滲硼試樣耐鋁合金熔液熱熔損性能優越,熱熔損時間在30min內,其失重率僅為未滲硼試樣的30%~40%。在熱作模具鋼滲金屬方面,LU26對退火態H13鋼先進行SMAT處理,在其表層獲得約20μm納米晶層,然后采用固體粉末法雙保溫滲鉻,在600℃先保溫2h,此溫度下納米晶保持一定穩定性,使鉻在表層納米晶中擴散,形成納米尺寸的鉻化合物,這些鉻化合物能有效防止表層納米晶的回復再結晶,并使用表層含有較高的鉻濃度,再在高溫保溫一定時間,這樣制得的滲鉻層厚度比常規工藝的顯著增加,滲層含鉻濃度和硬度都明顯提高,耐磨性能顯著增加。
   

 
2.3 塑料模具鋼的表面處理
         塑料模具鋼在使用過程中需要具備較高的耐腐蝕性能和耐磨性能,表面處理是提高其使用壽命的有效方法。CHEN27采用激光熔覆法在塑料模具鋼718H上制備了CoMoCr 金熔覆層,覆層均勻連續,與基體有較強結合力。與基體相比,覆層硬度有較大提升,達到794HV0.2,摩擦磨損測試結果表明:經過激光熔覆表面強化后,其耐磨性能得到了顯著增強。WEN28采用等離子體方法對時效硬化鋼NAK80進行滲氮處理,氮化層含有Fe3NFe4N相,Fe3N相在氮化相中含量隨著試驗溫度提高和時間的延長而增加,并進行了耐腐蝕性能測試。結果表明:氮化和時效硬化可以同時進行。在NaC1水熔液中的極化試驗和鹽霧腐蝕試驗中,隨著Fe3N相含量的增加,腐蝕電位提高,腐蝕速率下降,如圖7和圖8所示。耐腐蝕性能提高與氮化層中Fe3N相的含量直接相關,表明對耐蝕性提高起關鍵作用的是Fe3N相。HUBBARD29對塑料模具鋼P20進行了活性屏直徑的增大,試樣表面硬度提高,結果表明:活性屏有利于活性氮的質量運輸,因為在電壓和爐壓一定條件下,它決定了活性氮種類到達試樣表面的入射能量。在決定試樣氮化效果因素中,達到試樣表面活性氮的通量越大,氮化效果越好?;钚云遼砣繽?/span>10所示。圖10中,A處活性屏被離子轟擊后濺射產生物沉積在試樣表面;B處活性離子被加速穿過活性屏而轟擊試樣表面;C處部分離子與電子結合成為中性粒子,不受電場作用,其自由行程比自身帶電狀態時的長,有可能沉積在試樣表面。研究結果表明:在一定的電壓和爐壓條件下,活性屏與試樣距離是個至關重要參數,它直接影響含氮粒子到達試樣表面的通量,并決定氮化效果。目前,塑料模具鋼表面處理主要采用氮化,原因是滲 氮需要的溫度較低,工藝相對成熟,所得到的滲層具有良好的耐腐蝕性能和耐磨性能。

 

3 結束語
        今后模具鋼表面處理技術發展方向,可從以下3個方面考慮:
      1)復合處理技術將是今后表面處理的研究重點。對傳統的表面處理技術做進一步的改進,實現低溫表面處理,以減少處理零件的變形,降低能源消耗。表面復合處理技術將是最重要和最有開發前景的發展方向之一。
      2)把前沿的納米科技和新興的激光表面改性技術30引入到模具鋼表面處理技術技術中,為傳統的表面處理技術注入新的活力。其中一個突出例子是:TONG31對純鐵采用表面機械研磨后,在純鐵上制得一納米晶表層,再進行氣體滲氮,能把滲氮溫度降低到300℃。
      3)功能梯度材料是20世紀80年代后期提出的新材料設計思想32,是一種沿著某一方向、其功能隨空間或時間連續變化的新型、高性能復合材料。采用應用涂層的思路,從模具鋼的表面梯度涂層著手,在模具鋼表面沉積一梯度材料涂層,以提高模具鋼的使用壽命。

 
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