汽车大型成形模具是生产汽车覆盖件的关键装备，在整个汽车制造业中有着举足轻重的作用。大型成型模具目前主要是采用铸造的方法，但铸铁表面不耐磨，模具寿命低，严重影响汽车冲压件的生产，阻碍汽车工业的发展，因此，研究出适合于大型成形模具表面强化的先进工艺，具有重大的生产意义和良好的发展前景。 汽车大型铸铁成形模具表面强化有如下的主要要求：强化层要求耐磨、结合力要好；强化后镀层要少加工或不加工；强化方法简单易行，成本经济；设备投资少等。本课题主要针对上述特点，研究出了一套适合于大型成形模具表面强化的工艺。经生产验证具有显著的使用效果。 论文着重在以下方面进行了研究并取得了一些重要结论： 通过扫描电镜(SEM)及硬度计对镀层的测试，分析了脉冲方波、直流、三角波、交流方波四种电源波形对电刷镀镀速、硬度、镀层致密程度等的影响，得出了刷镀层最外层采用脉冲方波电源、中间层和打底层采用直流电源波形可达到最好的综合使用效果，而交流方波不适合于刷镀使用的结论，为大型成形模具在配方研究时选用合适的电源波形提供了依据。 通过对镀速、镀层硬度、耐磨性等参数的优化，获得了适合于大型成形模具强化的快速镍磷镀液配方和工艺，按此配方和工艺施镀可获得镀速约为27.8μm/min，磷含量2％wt的镍磷镀层；优化后的配方不仅具有较好的经济性，而且镀速快、镀层性能优异。 通过原子力显微镜(AFM)测试，结合电沉积的原理揭示了镍磷镀层的生长机理：在电沉积的初始阶段，镀层的生长以平行于界面方向优先于垂直于界面的方向呈“树枝状”快速生长；基体对沉积层有定向影响，但这种影响只会延伸到一定程度，然后沉积层会转为无定向的细颗粒。 在镍磷镀层生长机理分析的基础上建立起了“镀层生长机理模型”。根据模型，控制阴极电流密度可以控制镀层结构：要改善起始施镀阶段的镀层结构而又不降低刷镀的效率，可采用阶梯电压：根据模型，电刷镀是在高电流密度下的施镀，它本身并不能彻底解决镀层颗粒粗大的问题。 通过原子力显微镜测试分析，揭示了热处理对镍磷镀层结构的影响：在没有热处理时镀层结晶不完全，有Ni的“微晶”存在，靠近界面处是粗大的“树枝状”镀层，远离界面处是粗大的“颗粒状”镀层：热处理200℃后，Ni“晶粒”有所长大，靠近界面的“树枝状”镀层裂解成较大的“颗粒状”；热处理400℃后，Ni“晶粒”显著长大，从镀层“大颗粒”中析出；热处理600℃后Ni“晶粒”继续长大，成为细长的“纺锤状”。通过X射线衍射(XRD)测试分析，揭示了热处理对镍磷镀层相的影响：没有热处理时，相为Ni、Ni和P的固溶体，只能看到Ni的衍射峰，镀层结晶不完全；200℃，1h的保温处理后，相仍为Ni、Ni和P的固溶体，Ni的衍射峰变窄，镀层逐步向晶态转化；热处理温度达到400℃后，相变成为Ni及Ni3P，镀层接近于晶态；当热处理温度达到600~C时，镀层完成晶态转变，相为Ni、Ni3P和NiO。 在镀层结构与相变化分析的基础上建立了“不同热处理温度下镀层变化模型”。根据模型，镀层“颗粒”最小时的热处理条件是400℃保温l小时，它可以为镀层进行热处理提供指导；因为刷镀本身不能彻底解决镀层“颗粒”粗大的问题，根据模型，镀后对镀层进行热处理可以细化镀层“颗粒”，改善镀层的质量，因此，大型成形模具在刷镀时可以尽可能以提高刷镀效率为目的，而在镀后再对镀层进行合适的热处理来提高镀层质量；利用模型可以合理地解释热处理后镀层硬度、结合强度、耐蚀性等变化的原因。 通过分析SiC的Zeta电位，结合复合电沉积的原理探讨了Ni-P-SiC复合电刷镀的共沉积机理，它主要是以力学机理为主： Ni2+、H2PO2在刷镀头及电场力的作用下，纳米SiC颗粒在力学作用下，它们一起到达工件表面；Ni2+、H2PO2在工件表面沿着缺陷或位错扩散到生长点并长大；到达工件表面的纳米碳化硅颗粒由于机械滞留机制停留于此，其中一部分被正在生长的镍磷镀层所包埋。 对影响复合电刷镀的三个主要因素进行了正交优化，优化后的结果是当电压为14V，SiC的加入量为6g/L,刷镀头与工件的相对移动速度为12m/min时，复合电刷镀的镀速及镀层外观质量能达到最佳。 通过扫描电镜和原子力显微镜测试，揭示了Ni-P-SiC复合镀层结构：它由比Ni-P镀层小得多的细小的无定向颗粒组成，在沉积的碳化硅颗粒周围，镀层颗粒有明显的挤压变形；刷镀镀层之间存在明显的界面，但界面处镀层结合良好，不存在明显的缺陷。 利用硬度计、XRD、磨损实验机、及光学显微镜对镀层的测试，研究了热处理对Ni-P-SiC复合镀层硬度、组织、耐磨性、结合力的影响：热处理对Ni-P-SiC复合镀层硬度、组织与对镍磷镀层的硬度、组织有类似的影响。热处理对Ni-P-SiC镀层的耐磨性能影响不如Ni-P镀层那样显著；当热处理后的镀层的硬度高到一定程度时，摩擦时SiC颗粒的脱落程度会趋向于接近，复合镀层的耐磨性也会趋于接近。因此，实际应用时，不必要求获得最佳的镀层硬度值，这样对热处理温度的控制也可以有一个较为宽松的范围，从而能更容易地实现对镀层的热处理。热处理对Ni-P-SiC复合镀层结合力的影响不如Ni-P镀层显著；热处理200℃保温1小时镀层结合力最好，没有进行热处理的镀层结合力最差。通过分析研究，确定了适合于铸件上的前处理工艺为：手工粗擦-用洗洁精电解除油-压力水冲洗-弱碱电解除油-压力水冲洗-去除氧化层-压力水冲洗-除碳黑-水洗-特殊镍打底-水洗。 实验证明：采用专用的电加热器可以对铸件上的镀层进行热处理。当电加热器移动速度为2m/min，电加热器在镀层表面上移动的次数为200次左右时，铸件上镀层硬度可达795Hv左右，镀层耐磨性能良好。这样就解决了大型模具难以进行热处理，尤其是难以在生产现场进行热处理的问题。 设计了能适合于大型成形模具进行生产现场强化的装置，并确立了与此装置相配套的生产工艺，生产验证使用效果非常显著。