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摘 要：本文从现实的、发展的角度，探讨模具表面强化的方法。分析现实中，造成热处理不当的原因。展望激光表面强化、气相沉积、TD覆层处理新技术，在模具表面强化中的应用。
关键词：表面强化 模具热处理 缺陷
模具材料与热处理的关系非常密切，热处理是模具制造过程中不可缺少的加工工艺之一，它对模具的质量和成本有很大的影响，它是提高模具使用寿命的重要措施之一。但是模具在热处理过程中存在的一些缺陷，它对模具的产品质量和使用寿命有很大影响，因此本文就模具在热处理过程中常见的缺陷进行简要阐述，分析其产生的原因，提出一些补救措施。
1热处理方法常出现的问题
模具在热处理过程中产生的一些缺陷，如模具的变形与开裂，硬度偏低或不均匀，模具腐蚀，有软点等缺陷。其产生的原因是复杂的，但是只要掌握其产生的原因。采取相应措施，模具热处理缺陷是能够减少的，也是能够控制的。若模具在热处理前表面有氧化皮、锈斑及局部脱碳：模具淬火加热后，冷却淬火介质选择不当，淬火介质中杂质过多或老化。就会使模具热处理后表面有软点。软点的将影响模具的耐磨性，减少模具的使用寿命。产生的原因较为复杂，有材料本身的问题，如模具材料存在严重的网状碳化物偏析。有产品设计的问题。如模具形状复杂、厚薄不均、带尖角和螺纹孔等，使热应力和组织应力过大。模具在淬火后产生裂纹是模具热处理过程中的最大缺陷，将使加工好的模具报废，使生产和经济造成很大损失。模具锻造工艺不正确，使模具钢球化组织不良，模具表面残留有退火脱碳层或淬火加热时产生脱碳层，模具淬火温度过高，淬火后残留奥氏体量过多，或淬火温度过低，使模具钢相变不完全，模具淬火加热后冷却速度慢。
2模具表面强化补救技术
不容置疑，模具制造企业主要应用的表面处理技术仍是以传统的表面淬火、渗碳，氮技术、电镀与化学镀技术为主，而这些技术都不同程度地存在表面硬度分布不均、热处理变形等难以解决等多方面的问题。如何从根本上解决上述问题，还是要关注于技术的应用，如表面涂层技术、TD覆层处理技术、激光表面强化技术和电子束强化技术等。新技术通过扩散、浸渗、涂覆、溅射、硬化等方法。改变表面层的成份和组织，就可使零件具有内部韧、表面硬、耐磨、耐热、耐蚀、抗疲劳、抗粘结的优异性能。可几倍乃至几十倍地提高模具使用寿命。
2.1气相沉积
气相沉积技术是一种获得薄膜（膜厚O.1-5μm）的技术。即在真空中产生待沉积的材料蒸汽，该蒸汽冷凝于基体上形成所需的膜。该项技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、物理化学气相沉积（PCVD）。它是在钢、镍、钴基等合金及硬质合金表面建立碳化物等覆盖层的现代方法，覆盖层有碳化物、氮化物、硼化物和复合型化合物等。物理气相沉积技术，由于处理温度低，热变小，无公害，容易获得超硬层，涂层均匀等特点，应用于精密模具表面强化处理，显示出良好的应用效果。采用PVD处理获得的TiN层可保证将塑料模的使用寿命提高3.9倍，金属压力加工工具寿命提高3～59倍。化学气相沉积（CVD）技术是一种热化学反应过程，是在特定的温度下，对经过特别处理的基体零件所进行的气态化学反应，即利用含有膜层中各元素的挥发性化合物或单质蒸汽，在热基体表面发生气相化学反应，反应产物沉积形成涂层的一种表面处理技术，可适用于各种金属成形模具和挤压模具。其特点是：涂层材料具有极高的韧性，硬度可高达HV2500～3800，抗氧化温度可达900℃以上。可同时进行技术处理的工件数量大，可大幅提高模具制造效率。在高温处理反应器内无需旋转零件。
2.2激光热处理
近几年来，激光热处理技术在汽车工业、工模具工业中得到了广泛的应用。它改善金属材料的耐蚀性，特别是在模具工业中，经激光热处理的工模具的组织性能比常规热处理有很大的改善。激光表面强化技术目前主要的应用方式有两种：一是模具表面激光淬火硬化，二是模具表面局部损伤部位的激光熔焊修复。其特点是：激光淬火层硬度达HV800-1100，具有极好的耐磨性和抗拉伤能力，一次修模后寿命较火焰淬火提高5～50倍。激光淬火层硬度、层深均匀，与基体有很强的结合力。激光淬火处理后变形量极小，无须作任何校止和加工处理。由于激光处理时的冷速极快，因而可使奥氏体晶粒内部形成的亚结构在冷却时来不及回复及再结晶，从而可获得超细的隐针马氏体结构，能显著提高强韧性，延长模具使用寿命。用高能激光照射工件表面，被照射区将以极高的速率熔化。一旦光源消除，熔区依靠金属基体自身冷却，冷却速度极快。
2.3 TD覆层处理技术
TD覆层处理是一种表面硬化处理技术，是热扩散法碳化物覆层处理。其原理是将预制好的工件放入硼砂熔盐混合物中，在850-10500C的温度下通过扩散作用于工件表面形成金属碳化物覆层，该碳化物覆层可以是钒、铌、铬的碳化物，也可以是其复合碳化物，目前应用最广泛的是碳化钒覆层。要特点是：TD覆层具有很高的表面硬度，可这HV2800～3200。远高于氮化和镀硬铬等表面处理方法，因而具有极高的表面耐磨、抗拉伤和耐腐蚀等性能。由于表面覆层是通过金属原子的扩散作用形成的，因此覆层与基体具有冶金结合，结合力较镀硬铬、PVD或PCVD的镀层高得多，这一点对于成形类模具的应用极其重要。TD覆层厚度可达4.20mm。覆层致密光滑。具有极高的耐腐蝕性能。在高强度钢板和厚料板的冲压成形过程中，未经过表面处理的工件表面拉伤严重。有些甚至无法正常生产。经TD覆层处理后，一方面根本上解决了工件表面的拉伤问题，无须经常停机修磨模具，提高了生产效率，改善了产品的外观。另一方面，模具寿命一般可以达数十万件，并能确保冲压件尺寸的一致性，有效提升产品品质。
3结束语
了解各种表面工程技术的特点是合理选择模具型腔表面处理工艺的基础。模具表面改性技术的选择是一项复杂的工艺设计过程。设计者不仅要具备扎实的材料专业知识，还必须具备诸如失效分析、机械设计、模具设计等方面的知识.同时还必须具备较强的优化设计和综合分析的能力。另外，表面改性工艺选择中还应考虑经济原则，尽量选择既能满足性能指标要求又成本合宜的方法。总之，工艺技术选择必须从实际出发，以实际验证为标准。
关键词：表面强化 模具热处理 缺陷
模具材料与热处理的关系非常密切，热处理是模具制造过程中不可缺少的加工工艺之一，它对模具的质量和成本有很大的影响，它是提高模具使用寿命的重要措施之一。但是模具在热处理过程中存在的一些缺陷，它对模具的产品质量和使用寿命有很大影响，因此本文就模具在热处理过程中常见的缺陷进行简要阐述，分析其产生的原因，提出一些补救措施。
1热处理方法常出现的问题
模具在热处理过程中产生的一些缺陷，如模具的变形与开裂，硬度偏低或不均匀，模具腐蚀，有软点等缺陷。其产生的原因是复杂的，但是只要掌握其产生的原因。采取相应措施，模具热处理缺陷是能够减少的，也是能够控制的。若模具在热处理前表面有氧化皮、锈斑及局部脱碳：模具淬火加热后，冷却淬火介质选择不当，淬火介质中杂质过多或老化。就会使模具热处理后表面有软点。软点的将影响模具的耐磨性，减少模具的使用寿命。产生的原因较为复杂，有材料本身的问题，如模具材料存在严重的网状碳化物偏析。有产品设计的问题。如模具形状复杂、厚薄不均、带尖角和螺纹孔等，使热应力和组织应力过大。模具在淬火后产生裂纹是模具热处理过程中的最大缺陷，将使加工好的模具报废，使生产和经济造成很大损失。模具锻造工艺不正确，使模具钢球化组织不良，模具表面残留有退火脱碳层或淬火加热时产生脱碳层，模具淬火温度过高，淬火后残留奥氏体量过多，或淬火温度过低，使模具钢相变不完全，模具淬火加热后冷却速度慢。
2模具表面强化补救技术
不容置疑，模具制造企业主要应用的表面处理技术仍是以传统的表面淬火、渗碳，氮技术、电镀与化学镀技术为主，而这些技术都不同程度地存在表面硬度分布不均、热处理变形等难以解决等多方面的问题。如何从根本上解决上述问题，还是要关注于技术的应用，如表面涂层技术、TD覆层处理技术、激光表面强化技术和电子束强化技术等。新技术通过扩散、浸渗、涂覆、溅射、硬化等方法。改变表面层的成份和组织，就可使零件具有内部韧、表面硬、耐磨、耐热、耐蚀、抗疲劳、抗粘结的优异性能。可几倍乃至几十倍地提高模具使用寿命。
2.1气相沉积
气相沉积技术是一种获得薄膜（膜厚O.1-5μm）的技术。即在真空中产生待沉积的材料蒸汽，该蒸汽冷凝于基体上形成所需的膜。该项技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、物理化学气相沉积（PCVD）。它是在钢、镍、钴基等合金及硬质合金表面建立碳化物等覆盖层的现代方法，覆盖层有碳化物、氮化物、硼化物和复合型化合物等。物理气相沉积技术，由于处理温度低，热变小，无公害，容易获得超硬层，涂层均匀等特点，应用于精密模具表面强化处理，显示出良好的应用效果。采用PVD处理获得的TiN层可保证将塑料模的使用寿命提高3.9倍，金属压力加工工具寿命提高3～59倍。化学气相沉积（CVD）技术是一种热化学反应过程，是在特定的温度下，对经过特别处理的基体零件所进行的气态化学反应，即利用含有膜层中各元素的挥发性化合物或单质蒸汽，在热基体表面发生气相化学反应，反应产物沉积形成涂层的一种表面处理技术，可适用于各种金属成形模具和挤压模具。其特点是：涂层材料具有极高的韧性，硬度可高达HV2500～3800，抗氧化温度可达900℃以上。可同时进行技术处理的工件数量大，可大幅提高模具制造效率。在高温处理反应器内无需旋转零件。
2.2激光热处理
近几年来，激光热处理技术在汽车工业、工模具工业中得到了广泛的应用。它改善金属材料的耐蚀性，特别是在模具工业中，经激光热处理的工模具的组织性能比常规热处理有很大的改善。激光表面强化技术目前主要的应用方式有两种：一是模具表面激光淬火硬化，二是模具表面局部损伤部位的激光熔焊修复。其特点是：激光淬火层硬度达HV800-1100，具有极好的耐磨性和抗拉伤能力，一次修模后寿命较火焰淬火提高5～50倍。激光淬火层硬度、层深均匀，与基体有很强的结合力。激光淬火处理后变形量极小，无须作任何校止和加工处理。由于激光处理时的冷速极快，因而可使奥氏体晶粒内部形成的亚结构在冷却时来不及回复及再结晶，从而可获得超细的隐针马氏体结构，能显著提高强韧性，延长模具使用寿命。用高能激光照射工件表面，被照射区将以极高的速率熔化。一旦光源消除，熔区依靠金属基体自身冷却，冷却速度极快。
2.3 TD覆层处理技术
TD覆层处理是一种表面硬化处理技术，是热扩散法碳化物覆层处理。其原理是将预制好的工件放入硼砂熔盐混合物中，在850-10500C的温度下通过扩散作用于工件表面形成金属碳化物覆层，该碳化物覆层可以是钒、铌、铬的碳化物，也可以是其复合碳化物，目前应用最广泛的是碳化钒覆层。要特点是：TD覆层具有很高的表面硬度，可这HV2800～3200。远高于氮化和镀硬铬等表面处理方法，因而具有极高的表面耐磨、抗拉伤和耐腐蚀等性能。由于表面覆层是通过金属原子的扩散作用形成的，因此覆层与基体具有冶金结合，结合力较镀硬铬、PVD或PCVD的镀层高得多，这一点对于成形类模具的应用极其重要。TD覆层厚度可达4.20mm。覆层致密光滑。具有极高的耐腐蝕性能。在高强度钢板和厚料板的冲压成形过程中，未经过表面处理的工件表面拉伤严重。有些甚至无法正常生产。经TD覆层处理后，一方面根本上解决了工件表面的拉伤问题，无须经常停机修磨模具，提高了生产效率，改善了产品的外观。另一方面，模具寿命一般可以达数十万件，并能确保冲压件尺寸的一致性，有效提升产品品质。
3结束语
了解各种表面工程技术的特点是合理选择模具型腔表面处理工艺的基础。模具表面改性技术的选择是一项复杂的工艺设计过程。设计者不仅要具备扎实的材料专业知识，还必须具备诸如失效分析、机械设计、模具设计等方面的知识.同时还必须具备较强的优化设计和综合分析的能力。另外，表面改性工艺选择中还应考虑经济原则，尽量选择既能满足性能指标要求又成本合宜的方法。总之，工艺技术选择必须从实际出发，以实际验证为标准。