铜合金模具的表面处理有哪些方法

铜合金的模具材料一般采用H13 钢。H13 钢常规淬火、回火后的硬度一般为42 ～48 HRC。因其具有较高的热强性、红硬性、韧性和抗热疲劳性能，最高工作温度可达600 ℃ ，可广泛应用于铝合金挤压模具。由于铜及铜合金的挤压温度比铝合金高得多，一般在650 ～850 ℃ ，某些铜合金( 如B30) 的挤压温度甚至高达1000 ℃ 以上。在热应力的交替作用下，模具材料尤其是表面的组织性能逐步发生转变，最终导致失效。限制铜合金热锻模具寿命的因素有: 热疲劳、整体开裂、侵蚀和腐蚀、塑性变形等。模具在长时间的高温、高压、热应力、循环应力、摩擦 应力及局部应力集中作用下，极易因磨损、疲劳裂纹及塑性变形而失效。因此，H13 钢模具用于高温复杂铜合金挤压时，耐磨性不足、容易产生疲劳失效，挤压模具的寿命较低、消耗量大。

1、等离子体辅助化学气相沉积( PCVD)

PCVD 技术利用了低温等离子体使物质在低温时具有高的化学活性的特点，取代了传统CVD 的外加热源，在450 ～600 ℃ 的温度下便能实现涂覆，而传统的CVD 要在1000 ℃ 左右才能进行。在一定

的激发电压下，气体中的电离成分只要超过千分之一，其行为就主要由离子与电子间的库仑力所支配，这就建立了一个全新的物质聚积态-等离子体。假如此时的带电粒子密度达到1010cm^－3，则电子温度将达到10000 K 以上。如此高的电子能量将有力地激发电离沉积物质粒子，由此成功地取代了传统CVD 外加热源之能量，这就是等离子体增强的简单机制。

1.1 PCVD 的工艺特点:

( 1) 沉积温度低。原在450 ～6O0 ℃ 范围内作最后一道回火的钢材，均可进行PCVD 超硬涂复而不损伤基体组织。

( 2) 变形甚微。因沉积温度低，且超硬涂层极薄，仅 2 ～ 10 μm，沉积后工件的变形小。TiN 沉积层的厚度变化遵循Arrhenius 关系式，沉积的速度约1μm / h。

( 3) 绕镀性好。由于PCVD 过程有着高度的散射性，对模具的不等位表面，如带有内孔、沟槽的复杂型腔的成形模，能实现均匀沉积，可以对复杂的模具表面进行沉积。

( 4) 光洁度不损伤。

1.2 PCVD 涂层特点

( 1) 超高的硬度。对一般材料的模具涂覆后，其硬度值在1800 ～ 2400 HV 之间，比淬火加回火的高速钢、硬质合金工具( 其1400 ～ 1800 HV) 的硬度要高得多。而一般Crl2MoV 钢热处理后的硬度仅在765 HV 左右。电镀硬铬的硬度为800 ～ 1200 HV。

( 2) 优良的膜-基结合力。PCVD 的涂层具有一定的微冶金结合，涂层与基体之间不仅有化学结合、物理结合，还有互扩散，涂层和基体粘接在一起。对PCVD 沉积后的涂层面扫描发现PCVD 源的TiN 呈粒状生长，粒子直径在1 μm 左右。对涂层的磨面断口扫描还发现Ti 原子和基体Fe 原子相互渗入到一定深度，使得涂层具有优良的膜基结合力。

( 3) 优良的减摩性能。TiN 之间的动摩擦系数仅为 0． 05 ～ 0． 10，静摩擦系数为 0． 13 ～ 0． 15。而钢之间的动摩擦系数为 0． 18。TiN 是非铁化合物，化学稳定性高，在较高温度时不会和一般金属起化学反应生成合金。TiN 可承受540 ℃ 或更高的温度，在370 ℃ 时会产生回火颜色或少量氧化，但这不影响它的抗磨损性能。TiN 的自润滑性和抗热软化，抗粘着性能非常好，可有效用于精密冲裁模、拉深模及锌、铝压铸模。

( 4) 良好的抗腐蚀性。试验表明，TiN 涂层不溶解于大多数酸和碱，在汗液中不会被腐蚀。将TiN 涂层模具在大气中加热至500 ℃ 不会改变涂层的使用性能。即使是氢氟酸也只能酸化需要腐蚀的氮化钛。因此在粉末成形、轴承有腐蚀介质存在的场合，都可采用这种涂层来提高模具寿命。

( 5) 低的脆性。TiN 涂层的密度大、孔隙小、粘着力好，脆性极小，即使涂层厚至10 μm 时，也不会因冲击产生应力破坏而剥落。一般来说，基体弹性模量越高，或者涂覆层的弹性模量越小，粘结越牢。当然．基体与涂层的热胀系数越接近，结合得也越牢。

1.3 PCVD 在模具上的应用

西安交大马胜利博士发挥PCVD 技术在同炉中可进行渗镀复合处理的优势，系统探索了在工业生产条件下渗镀复合工艺过程对渗镀层组织结构与性能的影响规律。工业应用实验表明，这种H13 热作模具的渗镀复合工艺与方法，因同炉进行复合处理，具有生产周期短，操作方便。加上脉冲直流等离子体的引入，使这种复杂模具中狭缝、沟槽、深孔均可实现均匀的表面强化，还可使渗镀复合处理，得到最佳的表面性能匹配，满足各类模具的使用。

在400 ～500 ℃ 高温挤压下的铝型材模具，在挤压摩擦与间断激冷工况条件下，渗镀复合处理后的铝型材挤压模具，有较好的耐磨性和抗疲劳性，使用寿命可以至少提高一倍以上。

PCVD 方法具有沉积温度低的特点，可以保证模具的变形小。PVCD 方法制备的TiN 涂层，与基体有良好的结合力和耐腐蚀性能，可以抵抗铜合金模具在生产挤压中的热疲劳，而且PCVD 的绕镀性好，可以处理各种形状复杂的铜合金模具，是近年来发展很快的一种方法。

2、电子束/ 激光束表面改性处理技术

电子束表面改性处理技术是20 世纪70 年代初发展起来的表面处理技术。它是用高速的电子束经聚焦线圈和偏转线圈照射到金属表面，并深入金属表面一定的深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用，其能量传递主要通过电子束的电子与金属表层电子碰撞，所传递的能量以热能的形式传给金属表面原子，致使被处理的金属表面温度迅速升高。因为应用了聚焦线圈和偏转线圈，可以方便地调节加热面积，加热区域及材料表面的能量密度。目前，电子束加速电压达 125 kV，输出功率达150 kW，能量密度达 103 MW / m2，能量利用率高达95% 。电子束在材料表面的作用范围在 0． 01 ～ 0． 02 mm，可利用电子束对材料表面作用的能量加热、熔化，对材料表面实现表面硬化( 淬火) ，表面熔覆，合金化和非晶化等材料表面改性。

与电子束表面改性处理技术相似的还有激光束表面改性处理技术。它是利用激光的高辐射亮度、高方向性，高单色性的特点，作用于金属材料表面，使材料的表面性能得到提高。特别是材料的表面硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和耐高温性的改进，大大提高了产品的使用寿命。目前主要用于汽车、机械、冶金、石油、机车、轻功、农机、纺织机械行业中的部件及配件和刀具、模具等。激光表面硬化是激光束表面改性的一种，它是通过以较高能量的激光束快速扫描工件，使金属表面以极快的温升速度达到高于金属相变点且低于熔化的温度。当激光束迅速离开被照射金属表面时，由于热传导和表面金属涂料的作用，光束照射表面的集体迅速冷却而进行空冷淬火，冷却速度略比升温速度低，从而实现工件的表面金属相变硬化。这其中热处理过程是在快速加热和快速冷却下瞬间完成的，所以可得到晶粒细小的硬化层组织，显微组织为极细的马氏体，呈隐晶态，而火焰淬火组织中马氏体是针状，硬度明显高于 常规热处理硬度。

2.1 电子束/ 激光束表面改性处理特点

( 1) 加热、冷却速度快。成本低，周期短，自动化程度高，生产效率高。

( 2) 处理中工件不被污染，质量好。

( 3) 激光表面改性可以精确控制硬化层深度，硬度可提高15% ～20% ，淬火组织细小，耐磨性高，且对工件引起的变形小，几乎无氧化脱碳，对零部件的表面粗糙度没有太大影响，可作为工件加工的最后工序。

2.2 电子束/ 激光束表面改性处理技术在模具上的应用

( 1) 模具钢的熔覆与合金化电子束表面改性: 在模具钢上先涂覆 B 粉，WC 粉，TiC 粉，经电子束表面涂覆和合金化处理，可在表层获得 Fe-B，Fe-WC 等合金层，其中Fe-B 和Fe-WC 层的硬度分别为1266 ～1890 HV 和1100 HV 左右。

( 2) 激光表面改性技术主要用于汽车、机车、机床用零件机器配件; 刀具、模具; 纺织机、风机、轻工

机械及军工上应用零部件。在美国也有用激光相变硬化替代渗碳、渗氮来处理导弹、飞机的重要零部件。在国内，已在航空、航天、兵器、汽车、机车等一些零部件上得到应用。

电子束/ 激光束表面改性技术应用在铜合金模具上的最大特点就是处理中工件不会被污染，质量好，而且处理后对工件表面的粗糙度没有影响，可以作为最后的处理工序。从经济效益上来讲，电子束/ 激光束表面改性处理技术成本低，周期短，自动化程度高，生产效率高，适合中小企业的发展。

3、离子注入

离子注入是把气体或金属蒸气通入电离室，电离形成正离子，经高压电场加速，使离子获得很高速度后打入固体中的物理过程。利用离子注入的方法，可获得高度的饱和固溶体、亚稳相、非晶态和平衡态合金等不同组织的结构。离子注入改善了模具工作零件的表面力学性能，包括提高表面硬度，降低表面摩擦因素，提高抗磨损能力和增强抗疲劳强度。极大改变了工件的使用性能，已在模具的表面处理上取得了突出效果。

离子注入具有以下优点:

( 1) 理论上元素周期表中所有导电金属均可作为注入元素，非放气性基体材料都可被注入。

( 2) 注入在高真空环境下进行，是一种清洁的、无污染、无毒性的环保型工艺。

( 3) 低的处理温度( ＜300 ℃ ) ，可保持精密工件的几何尺寸、形状不变形、表面光洁度不变或有所改善。特别适用于精密模具和形状复杂的模具、部件的加工处理。

( 4) 基体性能不受影响，并可通过注入不同离子获得所需的表面特性．节约昂贵材料或战略材料。

( 5) 工艺可控性和重复性好，通过改变注入能量和剂量，可调整离子注入深度和浓度分布。

( 6) 注入元素被掩埋在注入层中，不会被清除; 与基体没有明显界面，因此不存在注入层剥落问题。

( 7) 注入层厚度一般小于 1 μm，在摩擦磨损过程中，由于热效应，注入原子不断向内部迁移，这种现象称为内迁移效应，其迁移深度可达原始注入深度的100 ～1000 倍。

3.1 离子注入技术特点

( 1) 超饱和的离子注入和间隙原子固溶强化，使注入层体积膨胀，注入层应力增大，阻止了位错运动，提高了材料表面硬度和抗磨性能。

( 2) 析出相的弥散强化。如注入非金属元素，与金属元素形成各种氮化物、碳化物、膨化物的弥散相，这种硬化物的析出效果，使材料表面硬度提高，耐磨性增强。

( 3) 高的位错强化。如把Ti 离子注入H13 钢中，形成了高密度的位错网，同时还在位错网中出现析出相，这种位错网和析出相，使材料表面硬度和耐磨性得到提高。

( 4) 离子注入所产生的高损伤缺陷，阻止了位错的移动，形成可塑性表面层。

( 5) 由于离子注入剂量的增长，更多的离子充填到近表面区域，使表面产生的压应力可以压制表面裂纹的产生，从而延长了材料的疲劳寿命。

( 6) 离子注入元素在材料表面形成稳定致密的氧化膜，提高了材料表面的耐蚀、抗氧化性能。

3.2 离子注入在模具上的应用

离子注入在模具上应用，不仅保持了模具的精度，而且还延长了模具的使用寿命。离子注入后的拉丝模具，可降低它与金属丝之间的摩擦系数，降低拉动金属丝的拉力，且拉出来的金属丝表面光滑，可使拉丝模的寿命提高2 ～12 倍。

离子注入技术可以提高铜合金模具的抗磨损能力和增强抗疲劳强度，而且处理温度低，模具变形小，适合精密模具的加工。离子注入的元素被掩埋在注入层中，与基体没有明显界面，结合强度高。最重要的是在使用过程中，注入原子会不断向内部迁移，可以在使用中增强模具表面的性能。

4、热喷涂技术

热喷涂是利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态，同时借助于焰流或高速气体将其雾化，并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面，沉积成具有某种功能的涂层技术。热喷涂大致可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、激光喷涂、电热热源喷涂以及“冷喷”。在生产中应用的主要是等离子喷涂和高速火焰喷涂。

4.1 热喷涂技术特点

热喷涂技术的特点是可以在任何表面上进行喷涂。喷涂材料根据使用条件而变化，对于易磨损部件，当涂层磨损后，可以进行复喷，提高模具的使用寿命和利用率。

4.2 热喷涂技术在模具上的应用

在模具上采用热喷涂金属陶瓷涂层对其表面进行强化，可提高其硬度、抗黏着、抗冲击、耐磨和抗冷热疲劳等。如不锈钢制品拉深模表面采用高速火焰喷涂工艺制备30 ～ 50 um 厚的WC-Co 涂层后，修模频率由原来的500 件/ 次提高到7000 件/ 次，寿命也由原来的拉3 万件提高3 ～ 8 倍，而且制品质量也得到改善。热喷涂也用于模具的制造，国外均采用火焰喷焊镍基自熔合金制造和修复玻璃模具，寿命成倍提高。第二汽车制造厂车架厂，用CrI2MoV 钢制造汽车风扇皮带轮模具。由于钢的耐磨性差，模具表面磨损相当严重。一副模具只能生产约4000 ～5000 个零件。用上海粉末冶金厂生产的102 铁合金粉末( 规格为 150 目，成分为( 质量分数 % ) : 0． 8 C，16 Cr，4． 5 Si，3． 5 B，15 Fe，其余为 Ni) 作为热喷涂材料，对模具进行等离子热喷涂强化。结果表明，热喷涂改变了模具的表面成分及组织，提高了耐磨性，生产5 万件后仍未产生严重磨损，模具使用寿命可提高10 倍以上。生产的皮带轮盖，表面光洁，几乎无拉毛现象。

热喷涂技术应用在铜合金模具上的优点，可以提高模具的耐磨性和抗疲劳性，而且在涂层磨损后可反复进行修模，提高模具的利用率。

上面介绍的几种都是单一的表面处理技术，在实际应用上，单一的表面处理技术往往有一定的局限。近年来，随着科技的发展，综合运用两种甚至两种以上的表面处理技术进行表面复合离子处理，得到迅速发展。如离子注入与镀膜的复合、电子束/ 激光与气相沉积复合、等离子喷涂与激光技术复合等等。其中，等离子喷涂与激光复合技术，已经在模具强化上有了试验性的应用。

正确选择模具材料并合理运用表面强化技术是提高模具寿命的有效途径。相对于模具总成本来说，表面强化工艺的成本较低，而模具寿命可提高几倍。综合考虑，CVD 和PVD 的优点是提高了耐磨性，模具不要维护，但成本高，处理时间长，修模困难。铜合金模具表面渗氮在近期内仍是标准工艺，对于大批量生产的公差严的热锻挤压模具，CVD 和PVD 是优选的表面处理工艺。PCVD 是今后模具表面处理技术的热点方向。

表面处理技术已经大量地应用于模具的表面处理上，在提高模具寿命和制品质量上已有了显著的进步和巨大的经济效益，但是先进表面技术的应用和发展还有巨大的潜力。复合表面技术在铜合金模具上的应用还有待进一步地研究和提高。对于传统的表面技术应该进一步地改进和提高处理效果，降低能源消耗和环境污染。扩展传统的表面技术和现代的表面处理技术之间的复合形式，把纳米技术和模具表面技术结合起来充分应用表面处理技术是提高模具寿命的一种重要的经济手段，也是发展现代模具的必经之路。

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