材料表界面论文.doc

模具工业的发展现状 模具是机械的、电子、通讯、家电等工业产品的基础工艺设备。作为基础工业，模具的质量、精度、寿命对其他工业的发展起着十分重要的作用，在国际上被称为“工业之母”，对国民经济的发展起着不容置疑的关键作用。近十几年来，随着我们经济的快速发展，作为各种工业基础的模具行业也得到了蓬勃发展，只有促进模具工业的发展，才能为我国经济的持续发展提供必要的工业设备。现在，我国的模具制造技术与以前相比有了很大的进步，但是与发达国家相比仍有很大的差距。主要表现在模具使用寿命与国外有很大的差距，究其原因很大程度上在于模具材料、热处理以及表面处理技术上的落后，使用进口材料科提高模具的使用寿命，但是价格昂贵。所以研究和开发新材料、发展新工艺、新的热处理技术和表面处理技术，充分发挥现有模具材料的潜力是很有价值的研究方向。在我国未来十年模具工业和技术的发展方向中，提高模具寿命，发展优质模具材料和先进的表面处理技术是其中的重要内容模具常见失效形式及模具的润滑模具的种类繁多，各种模具的工作条件差异很大，所以影响模具寿命的因素也很多。综合而言，可以大致划分为如下一些基本的失效形式：断裂与疲劳、塑性变形、磨损、咬合、冷热变形疲劳等几种。模具断裂与疲劳失效的主要原因是模具使用时的超载、材料的脆化、表面形成微裂纹以及模具设计不当造成的；塑性变形失效主要是由于模具的强度不够或者热处理工艺不合适，未能充分发挥模具材料的强韧性造成的，同时对热作模具钢而言，红硬性不够高也能造成模具塑性变形失效的一个原因；冷热疲劳失效是由于模具表面承受反复的冷热循环应力，在表面产生细小的微裂纹，然后逐渐扩大最终导致模具失效，这种情况可以通过表面强化技术和表面处理工艺加以改善；磨损失效时由于工件和模具表面发生摩擦，模具表面产生沟痕、剥落等损坏，最终影响模具的成型精度和工件表面质量而发生的失效，磨损失效与模具表面硬度、摩擦系数、耐磨性、表面的粗糙度等有关；咬合失效是由于在高摩擦力的作用下，润滑剂形成的薄膜破裂，使模具表面与工件表面直接发生接触，由于局部产生的高温使俩金属发生熔合、冷焊，而擦伤表面，形成魔力磨损最终损坏模具。提高和改善抗咬合和磨损能力的有效手段就是表面强化处理。对于冲裁模具和拉伸模具，工作时模具表面承受很大摩擦力，其主要的失效形式是过量磨损。多数冲压模和拉伸模在工作时都需要润滑。一般的润滑方法主要三种：（1）使用低粘度润滑油或合成润滑油；（2）在普通润滑油中添加润滑剂；（3）在摩擦副零件表面上形成固体润滑材料，其中包括电解渗硫和辉光放电渗硫以及沉积MoS2等。采取适当的润滑方法可以减小金属变形过程中材料与模具间的摩擦系数，降低摩擦力从而降低冲压设备的设备吨位，减小模具磨损，保护模具的刃口与型腔表面，以及防止冲压件表面擦伤、划痕等，有效延长寿命，提高冲压件的质量。当然减少磨损的措施很多，如选用合适的冲压材料，以及对材料进行适当的预处理；设计合理的冲压和拉伸模，根据模具的工作特点对其进行适当的表面处理，是减少磨损、保护模具、提高产品质量的有效措施，在试驾中已经得到了广泛的应用。目前用于模具的表面处理方法很多，但是各有特点和利弊，因此，为了提高模具寿命，选择合适、经济、有效的模具表面处理方法是很有意义的研究内容。模具制造表面工程技术的进展表面工程是一门范围广阔的学科，它是现状技术与传统表面技术相结合而繁衍、发展起来的，包括表面改性、涂层、薄膜三大技术，它可以形成不同硬度和层厚的配合，大大提高材料的使用性能。表面工程是当前材料科学与工程领域中表现较为活跃、发展较为迅速的分支，它逐渐成为主导21世纪的关键技术和支撑所有部门的重要领域。表面工程技术的发展很迅速，如多层结构薄膜、梯度材料及符合材料等技术在表面工程技术中得到了发展和应用。电刷镀+等离子喷镀、离子氮化+激光表面改性、复合PVD镀膜、化学热处理、含添加剂的油润滑等。表面工程技术在模具加工和制造领域中的应用。在很大程度上弥补了模具材料的不足。表面工程技术应用于模具表面，可以起到如下作用：1） 提高模具表面硬度、耐磨性、抗高温氧化性能，大幅度提高模具的使用寿命；2） 提高模具表面抗擦伤和脱模能力，提高模具的生产效率；3） 用普通合金钢经过表面处理后性能达到高合金模具材料和硬质合金的性能指标，可以大幅度降低模具材料的成本，简化模具制造加工工艺和热处理工艺，降低生产成本；4） 用于模具的修复。 模具材料是模具工业的基础，但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求，采用表面工程技术可在一定程度上弥补模具材料的不足。可用于模具制造的表面工程技术十分广泛，既包括传统的表面淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术，又包括近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。而稀土表面工程技术和纳米表面工程技术的进展必将进一步推动模具制造的表面工程技术的发展。在此仅介绍稀土表面工程技术和纳米表面工程技术。 1、稀土表面工程技术 表面工程技术中加入稀土元素通常采用化学热处理、喷涂喷焊、气相沉积、激光涂覆、电沉积等方法。 (1)稀土元素对化学热处理的影响主要表现为有显著的催渗作用，大大优化工艺过程；加入少量稀土化合物，渗层深度可以明显增加，改善渗层组织和性能。从而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高温氧化性的抗冲击磨损性。 (2)利用热喷涂和喷焊技术，将稀土元素加入涂层，可取得良好的组织与性能，使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。 (3)物理气相沉积膜层性能的优劣和膜与基体结合强度大小密切相关，稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度，膜层表面致密度明显增大。同时，加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改善，例如应用于模具表现的超硬TiN膜(加入稀土元素)，使模具型腔表面呈现出高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性，提高了模具的使用寿命。 (4)含稀土化合物的涂覆层，可大幅度提高模具金属材料表面对激光辐照能量的吸收率，对降低能耗和生产成本，以及推广激光表面工程技术都有重要意义。稀土涂覆层经激光处理后，组织和性能发生明显改善，涂覆层的硬度和耐磨性显著提高，耐磨性是45钢调质的56倍。对加入CeO2的热喷涂层进行激光重溶，研究发现合金化层的显微组织明显改变，晶粒得到细化。激光重熔加入稀土后的喷焊合金，稀土化合物质点在其中弥散强化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蚀性能，模具型腔表面的耐磨性也大大增强，有的文献报道稀土元素提高了耐磨性达14倍。另外，有研究发现，加入混合稀土化合物的效果优于单一稀土化合物。 (5)把稀土元素加入镀层可采用电刷镀、电镀等电沉积方法。稀土甘氮酸配合物的加入使镀层防氧钝化寿命明显提高；稀土元素有催化还原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2电刷镀镀层中MoS2的氧化，明显改善了镀层的减摩性能，提高了抗腐蚀的能力，使模具型腔表面的耐磨寿命延长近5倍。 2、纳米表面工程技术 纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工，或赋予表面新功能的系统工程。纳米表面工程技术是极具应用前景和市场潜力的。 (1)制作纳米复合镀层。在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体材料可形成纳米复合镀层。用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层，可使模具寿命延长、精度持久不变，长时间使用镀层光滑无裂纹。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2纳米粉体材料加入Ni-W-B非晶态复合镀层，可提高镀层在550-850的高温抗氧化性能使镀层的耐蚀性提高23倍，耐磨性和硬度也都明显提高。采用Co-DNP纳米复合镀层，在500以上，与Ni基、Cr基Co基复合镀层相比，工件表面的高温耐磨性能大为提高。在传统的电刷镀溶液中，加入纳米粉体材料，也可制备出性能优异的纳米复合镀层。 (2)制作纳米结构涂层。热喷涂技术是制作纳米结构涂层的一种极有竞争力的方法。与其它技术相比，它有许多优越性：工艺简单、涂层和基体选择范围广，涂层厚度变化范围大、沉积速率快，以及容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能现代材料表面改性目的和意义材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能，实现新的工程应用。因此，现代材料表面改性一是可以使材料表面获得更好的表面特性，有效地延长零件使用寿命；二是可以用性能较差的合金钢代替优质合金钢，以节省优质合金钢材料；三是可以研制出新颖材料。这种多功能综合化，用于提高材料表面性能的各种现代表面改性技术统称为现代表面改性技术。现代表面改性技术适用于金属及其合金、陶瓷、玻璃、聚合物及半导体材料等多种现代材料。现代材料表面改性技术的发展 现代材料表面改性技术是一门由多种学科发展而来的技术组合，其发展经历了很长，很复杂的过程。 传统的表面改性技术，如表面热处理、表面渗碳等已有上百年的历史了。上世纪50年代高分子涂装技术有了非常大的发展，由古老的刷涂、空气喷涂发展为静电喷涂、流化床涂装、电泳涂装及静电涂装。 60年代以来，传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热。后来，激光器与电子束装置的应用，出现了激光束、电子束的淬火技术。 电镀是一门古老的表面改性技术，相当长时间，电镀只能镀覆纯金属模，目前已能镀覆多种合金，也可以在表面上镀陶瓷和金刚石粉末，以增加表面的抗磨性。70年代以来，化学镀有了很大的发展，它已成为一个有效的镀覆手段。近30年来，热喷涂得到了迅速的发展，国内外形成了一种热喷涂技术热，使它在多种工业部门得到了广泛应用，而且发展出多种类型的热喷涂技术。激光束、电子束成功地应用于现代材料表面改性，出现了如激光表面涂敷、激光表面合金化、激光表面淬火、电子束表面淬火、表面镀膜等等多种现代材料表面改性技术。 化学气相沉积、物理气相沉积，使镀膜技术迅速由最初的热蒸汽镀膜发展为一系列的现代表面镀膜技术，使镀膜温度大大降低，膜层质量有了很大的改进。 离子注入成功地应用于材料表面改性，可得到过饱和固溶体、非晶态和某些化合物层，有效地增加了材料表面的硬度，提高了耐磨性、抗疲劳性及抗腐蚀性，大大地延长了零件的使用寿命。上世纪90年代，全方位离子注入（等