表面处理技术在模具上的应用.pdf

第６卷第４期２０１２年ｌ２月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＶ０１．６，ＮＯ．４Ｄｅｃ．２０１２———文章编号：１６７３９９８１（２０１２）０４０２１９０５表面处理技术在模具上的应用侯惠君１，代明江１，林松盛１，韦春贝１，廖’芳１２，胡芳１１．广东省工业技术研究院新材料研究所，广东广州５１０６５０；２华南理工大学材料科学与工程学院。广东广州５１０６４０摘要：本文综述了模具表面处理新技术，包括了化学气相沉积（ＣＶＤ）、等离子体增强化学气相沉积（ＰＣＶＤ）、物理气相沉积（ＰＶＤ）等．重点介绍了模具离子氮碳共渗与沉积类金刚石（ＤＬＣ）膜复合处理的性能及其应用．关键词：模具；表面改性；离子氮碳共渗；类金刚石；性能中图分类号：ＴＧｌ７４．４４４文献标识码：Ａ２０００年以来，模具工业以每年２０％的速度在增“”长，十一五期间，产销两旺，产量、质量和水平进一步提高，特别是汽车制造业和ＩＴ制造业的发展，促进了模具档次的提高，精良的模具制造装备为模具技术水平的提升提供了保障．对模具除了要求其基体具有足够高的强度与韧性的合理配合外，还要求其表面具有耐磨、耐蚀及耐疲劳等优良性能，这对模具的服役性能和使用寿命至关重要．表面性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，可以收到事半功倍的效果．随着模具使用的高负荷化、应力复杂化，人们对其质量与可靠性的要求日益提高，传统的单一表面处理的方法，已无法满足实际需求．对此，国内外一些研究者另辟蹊径，将传统的表面化学热处理技术如渗碳、氮化、离子氮化等，电镀技术如镀铬、铜和装饰镀金等与现代的ＣＶＤ、ＰＶＤ等薄膜技术相结合，发挥它们各自的优势，相互补充，提高材料的表面性能．当今这种相互结合的表面处理技术，即表面复合处理技术已成为表面处理技术的研究热点之一．１表面处理的方法——收稿日期：２０１２０８２７作者简介：侯惠君（１９６２一），女，广东梅县人，教授级高工，本科按模具的用途来分，可将其分为冷作模具、热作模具及塑料模具．模具的最终使用寿命是其综合性能的体现，只有将热处理工艺与表面处理技术很好地匹配，才能使模具既有心部的强韧性，又有表面的耐磨、耐蚀及耐疲劳性．常用的表面强化技术和表面涂层方法列于表１［１］．表１常用的表面处理方法和用途Ｔａｂｌｅ１ＣｏｍｍｏＲｍｅｔｈｏｄｓｏｆＳＯｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ淼瓣筘……具化学气相沉积（ＣＶＤ）；表面涂层蓑器吾箕袭强化学气相沉物理气相沉积（ＰＶＤ）ＣＶＤ适用于刀具；根据模具不同的使用温度选择合适的ＰＶＤ涂层万方数据２２０材料研究与应用２Ｏ１２１．１化学热处理化学热处理是传统的表面处理技术，它可以提高模具的强韧性，使模具的工作表面具有高的强度和耐磨性，而基体仍具有优良的韧性．１．２高能束热处理进行高能束热处理的热源通常是指激光、电子束、离子束等，它们可供给材料表面的功率密度至少都有１０３Ｗ／ｃｍ２，这些高能束热源的加热速度快，加热面积可按需要调整，工件变形小，不需要冷却介质，处理环境清洁，可控性能好，便于实现自动化处理．１．３表面涂层技术表面薄膜涂层技术包括化学气相沉积（ＣＶＤ）、等离子体增强化学气相沉积（ＰＣＶＤ）及物理气相沉积（ＰＶＤ）．１．３．１化学气相沉积（ＣＶＤ）ＣＶＤ是采用化学方法使反应气体在基材表面发生化学反应而形成覆盖层的方法，ＣＶＤ的反应温℃度一般都高于９００，覆层的硬度可达２０００ＨＶ以上，目前应用较多的是化学气相沉积ＴｉＣ或ＴｉＮ薄膜，此方法由于反应温度高，工件易变形，沉积层界面易发生扩散反应．１．３．２等离子体增强化学气相沉积（ＰＣＶＤ）采用ＰＣＶＤ沉积的硬质膜主要应用于耐磨损、抗腐蚀、抗高温氧化的零部件，尤其对刀具、模具的‘“强化效果显著２Ｉ．ＰＣＶＤ主要有以下优点睁：沉积温度与ＣＶＤ相比大大降低；与ＰＶＤ相比，膜／基界面行为明显改善，膜层成分便于调控，容易得到合金化的硬质膜或多层膜．—单一硬质膜（ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＣｒＮ，ＴｉＣ，ｃＢＮ及ＤＬＣ等）的合成方法主要采用低压ＣＶＤ和ＰＣＶＤｅ５。６Ｉ．目前，研究较多且有较好应用的是双层膜和层—‘数在３～７层的多层复合膜，如ＴｉＮＴｉ（ＮＣ）７Ｉ，—ＴｉＮＴｉ（Ｃ，Ｎ）ＴｉＮｅ——８Ｉ，ＰＮＴｉＮＴｉＣ（Ｃ，Ｎ）一ＴｉＣｅ９｜，————ＴｉＣＢＮＬ６ｊ，ＴｉＴｉＮ，ＴｉＮＴｉ（Ｎ，Ｓｉ）［１０３等，它们的综合性能都比单一采用ＰＣＶＤ沉积硬质膜有不同程度的提高．其中，研究时间较长，且较成熟的是离子氮化（ＰＮ）一ＰＣＶＤ‘’ＴｉＮ复合处理技术７９］，采用此方法可有效地改善膜／基结合强度，复合膜层的表面硬度达到ＨＶ２５００．１．３．３物理气相沉积（ＰＶＤ）物理气相沉积（ＰＶＤ）是制备硬质薄膜的主要方法之一．物理气相沉积除传统的真空蒸发和溅射沉积外，还包括近３０多年来蓬勃发展起来的各种离子束沉积，离子镀和离子束辅助沉积．沉积技术主要类型包括：真空蒸发，直流二（三）极溅射，磁控溅射，阴极电弧离子镀，强电流电弧（热弧）离子镀，离子束沉积，离子束辅助沉积等等．２表面复合处理在模具上的应用２．１离子氮碳共渗与类金刚石复合—类金刚石薄膜（ＤｉａｍｏｎｄｌｉｋｅＣａｒｂｏｎｆｉ，ＤＬＣ），是含有金刚石结构（ｓｐ３键）的非晶碳膜．是一类性质类似于金刚石，同时又具有自身独特摩擦学特性的材料．ＤＬＣ具有高硬度（１０～８０ＧＰａ）、低摩擦系数（ｏ．０７～ｏ．３）、高弹性模量、高的声传播速率、高热导率、可调带隙宽度（１．２～２．７ｅＶ）、可调的电阻率和折射率、良好的透光性（１９度较小时）、良好的化学惰性和生物相容性、低的表面能等特性，ＤＬＣ膜层的结构、性能及应用列于表２［１１｜．ＤＬＣ膜的沉积温度低，广泛应用于各种模具上．制备ＤＬＣ薄膜的方法有很多，沉积条件与结构的差异，会使ＤＬＣ薄膜的相关性能在较大的范围内变化．２．１．１表面复合处理后材料的硬度采用不同的沉积方法所制备的ＤＬＣ膜的硬度差异很大，用磁过滤阴极电弧法可以制备出硬度达到甚至超过金刚石的ＤＬＣ膜［１２Ｉ．广州有色金属研究院用阴极电弧法制备的ＤＬＣ膜，最高硬度可达５０ＧＰａ以上，而用离子源结合非平衡磁控溅射法制备的ＤＬＣ膜的硬度为２１ＧＰａ［１３｜．由于薄膜硬度的测试数据与薄膜的厚度、负载及基体的硬度有关，若薄膜的厚度达不到测试时所加负载所需的最低厚度要求，则测得的数据就是膜／基的硬度，故测试的硬度值与基体的硬度有很大关系．万方数据第６卷第４期侯惠君，等：表面处理技术在模具上的应用２２ｌ表２ＤＬＣ膜层的结构、性能及应用Ｔａｂｌｅ２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＤＬＣｆｉｌｍ表３不同基体材料镀Ｗ－ＤＬＣ的硬度Ｔａｂｌｅ３Ｍｉｃｒｏ－ｈａｒｄｒ－＇，＝ｓｓｏｆＷ－ＤＬＣｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｂｓｔｒａｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ注・Ｗ－ＤＬＣ的厚度为２．５～２．８弘ｍ２．１．２表面复合处理后的微观形貌图１为各种ＤＬＣ薄膜横截面的ＳＥＭ形貌．由图１（ａ）可见，镀在硅片上的ＤＬＣ膜层微观结构清晰，厚度均匀，约３肛ｍ．梯度过渡层为柱状晶结构，厚度约１．５／．ｔｍ，晶粒边界致密，梯度过渡层与类金刚石结构过渡平滑，没有出现突变结构．ＤＬＣ为无定形结构，与过渡层结合良好．图１（ｂ）为Ｈ１３钢离子氮化（ＰＮ）＋ＤＬＣ膜．从图Ｉ（ｂ）中可以看出，ＤＬＣ膜层与基体之间有一明显的过渡层，过渡层下面离子氮化的化合物层约厚１．２弘ｍ．图１（ｃ）为在未处理的Ｈ１３钢表面镀ＤＬＣ膜，从图１（ｃ）可以看出，ＤＬＣ膜与基体之间过渡层的厚度约为１．５弘ｍ．圈１各种ＤＬＣ薄膜的横截面ＳＥＭ形貌（ａ）Ｓｉ片上的ＤＬＣ（ｂ）离子渗氮后的Ｈ１３钢表面镀ＤＬＣ（ｃ）未处理的Ｈ１３钢表面镀ＤＬＣＦｉｇ．１Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎＳＥＭｉｍａｇｅｏｆＤＬＣｆｉｌｍｓ（ａ）ＤＬＣｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎＳｉｗａｆｅｒＩ（ｂ）ＤＬＣｏｎＨ１３ｓｔｅｅｌｔｒｅａｔｅｄｂｙｐｌａｓｍａ－ｎｉｔｒｏｇｅｎ；（ｃ）ＤＬＣｏｎＨ１３ｓｔｅｅｌ万方数据材料研究与应用２．１．３表面复合处理后材料的摩擦性能ＤＬＣ薄膜的摩擦学性能与载荷、速度、摩擦副材料、润滑条件、温度及湿度等因素密切相关．笔者主要研究了不同载荷对摩擦性能的影响．摩擦条件为：滑动速率ｕ一０．４１８６ｍ／ｓ，测试时间３０ｒａｉｎ，载荷分别为１．９６，３．４３，４．９和６．３７Ｎ．图２（ａ）为Ｈ１３钢未经离子渗氮处理直接在其表面镀ＤＬＣ薄膜的样品，在不同载荷下与Ｓｉ３Ｎ４陶瓷球对磨的摩擦系数变化曲线．从图２（ａ）可以看出，随着载荷的增大，ＤＬＣ薄膜的摩擦系数先增大后减小．载荷增加到６．３７Ｎ时，摩擦系数曲线与载巅懈蜷登摩擦时间／ｍｉｎ荷４．９Ｎ的摩擦系数曲线接近，６．３７Ｎ时的摩擦系数达到最低值０．１４３５．图２（ｂ）为Ｈ１３钢经离子渗氮处理后在其表面镀ＤＬＣ薄膜的样品，在不同载荷下与Ｓｉ３Ｎ４陶瓷球对磨的摩擦系数变化曲线．从图２（ｂ）可以看出，在１．９６，３．４３，４．９和６．３７Ｎ的载荷下，ＤＬＣ薄膜的摩擦系数曲线基本重合，即在此范围内，载荷对其摩擦系数的影响不大，摩擦过程中摩擦系数值很稳定，几乎没有波动，摩擦系数最小达到Ｏ．０８４４．巅帕戆避摩擦时间／ｍｉｎ图２ＤＬＣ薄膜在不同载荷下的摩擦系数曲线（ａ）Ｈ１３未渗氮处理表面镀ＤＬＣ；（ｂ）Ｈ１３钢离子渗氮处理后表面镀ＤＬＣＦｉｇ．２ＴｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＤＬＣｆｉｌｍｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｓ（ａ）ｏｎＨ１３ｓｔｅｅｌ；（ｂ）Ｈ１３ｓｔｅｅｌｔｒｅａｔｅｄｂｙ—ｐｌａｓｍａｎｉｔｒｏｇｅｎ２．１．４表面复合处理后材料的表面硬度Ｈ１３钢调质的硬度为４８０ＨＶ。。¨。，调质后镀ＤＬＣ膜和经离子氮碳共渗化处理后镀ＤＬＣ膜，Ｈ１３钢样品的表面硬度分别为１３８０ＨＶ。。¨；和’２１００ＨＶ。ｚ５１ｓ．由于薄膜硬度的测试数据与薄膜的厚度、负载及基体的硬度有关，而测试硬度时，薄膜的厚度往往达不到测试时所加负载所需的最低厚度要求，测试出的硬度数据均为膜／基硬度，故测得的薄膜硬度值与基体的硬度有很大关系．由于经离子氮碳共渗后，Ｈ１３钢的表面硬度提高到１０９６ＨＶＯ．０２５，１５，增加了对ＤＬＣ膜的承载能力，因此，经离子氮碳共渗后镀ＤＬＣ膜的硬度高于经调质后镀ＤＬＣ膜的硬度．２．２ＤＬＣ膜在模具上的应用２．２．１铝塑复合管成型模具经离子碳氮共渗的模具使用１个月后，模具的工作面已粘有铝粉，使铝塑复合管的表面质量不合格．在同样的工作条件下，经离子碳氮共渗＋ＤＬＣ处理的模具工作面仍然光滑没有粘铝粉．由于ＤＬＣ膜的摩擦系数低，在无润滑或低润滑的条件下，防止了铝粉的粘着，提高了生产效率，模具的使用寿命可提高３倍以上．２．２．２制冷机活塞自由活塞斯特林制冷机在空间观测、侦察、固体电子学及低温生物方面有广泛的应用前景．活塞是影响其制冷效率和使用寿命的关键部件，由于采用间隙动密封，要求活塞在无油润滑的条件下可长时间可靠运行，即间隙必须控制在一定范围才能保证万方数据第６卷第４期侯惠君。等：表面处理技术在模具上的应用２２３压缩比，经离子碳氮共渗＋ＤＬＣ处理后的活塞，摩擦力小，提高了活塞的无润滑摩擦性能及使用寿命．３结束语随着模具产业的发展和调整，中、高档模具产品所占份额会越来越多，表面处理技术在模具上的应用会越来越广泛，特别是表面复合处理技术有着单一处理无法达到的优越性，必将日益广泛应用于模具行业．但是，与国外相比，国内在模具表面处理的研究开发工作相对较少．目前，国内对高端模具存在庞大需求，而模具表面复合处理的技术水平不高、装备较落后．这需设备生产厂、高等院校、研究院及最终用户等多方的共同努力，加强模具表面处理新技术的研究开发，共同促进我国模具产业的发展．参考文献：［１］侯惠君，代明江．林松盛，等．选择合理涂层提高模具的—使用寿命［Ｊ］．模具制造，２００６（９）：６７６９［２］ＴＯＮＳＨＯＦＦＨＫ，ＢＬＡＷＩＴＣ，ＲＩＥＫＴ。ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｃｏａｔｉｎｇａｄｈｅｓｉｏｎａｎｄｗｅａｒ—ｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＰＡＣＶＤ－ｃｏａｔｅｄｃｅｒｍｅｔｓｉｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｃｕｔｔｉｎｇ［Ｊ］．ＳｕｒｆＣｏａｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，９７：２２４．［３］ＳＡＮＤＥＲＳＦＨＭ．Ｏｎｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｏｆｐｌａｓｍａ－ｄｅｐｏｓｉｔｅｄＴｉＮｏｎＭ２ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ．１９９１，１３９：８５－９０．［４］ＭＣＫＥＮＺＩＥＤＲ，ｃＦＡＬＬＷＤ。ＳＡＩＮＴＹＷＧ。ｅｔａ１．ＮｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰＡＣＶＤ［Ｊ］．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６，８２：３２６３３３．［５］ＳＵＣＨＥＮＴＲＵＮＫＲ，ＳＴＡＵＤＩＧＬＧ，ＪＯＮＫＥＤ．ｅｔａ１．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｐｌａｓｍａｐｒｏｃｅｓｓｅｓ－－ｅｘａｍｐｌｅｓａｎｄｔｒｅｎｄｓ［Ｊ］．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。１９９７，９７：１－９．［６］刘锦云，刘颖。涂铭旌．ＴｉＣ中间过渡层对硬质合金表面沉积（类）金刚石的影响Ｉ－ｊ］．金属热处理学报，１９９６，１７（增刊）：３８．［７］谢飞．离子渗氮一等离子体增强化学气相沉积ＴｉＮ复合处理的实验与理论研究［Ｄ］．西安：西安交通大学博士论文，ｉ９９７：１２．［８］ＫＯＮＩＧＵ，ＴＡＢＥＲＳＫＹＲ，ＶＡＮＤＥＮＢＥＲＧ—Ｈ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｅｍｅｎｔｅｄ—ｃａｒｂｉｄｅｔｏｏｌｓｃｏａｔｅｄｂｙｐｌａｓｍａ－ａｃｔｉｖａｔｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｕｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ［－Ｊ］．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９１，５０：５７－６２．［９］ＰＡＲＫＪＲ。ＳＯＮＧＹＫ，ＲＩＥＫＴ，ｅｔａ１．Ｈａｒｄｃｏａｔｉｎｇｂｙ—ｐｌａｓｍａａｓｓｉｓｔｅｄＣＶＤｏｎｐｌａｓｍａｎｉｔｒｉｄｅｄｓｔｅｌｌｉｔｅ［－Ｊ］．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。１９９８．９８：１３２９１３３５．［１０］白辰东．等离子体增强化学气相沉积硬质膜膜基结合强度及耐蚀性研究［Ｄ］．西安：西安交通大学博士论文．１９９４：１２．［１１］袁镇海．硬质膜材料与技术及应用的新进展［ｃ］／／广东真空学会年会论文集．广州：广东省真空学会，２００５．［１２］赵建平，王曦，陈智颖．等．非晶金刚石薄膜的制备及其性能研究［Ｃ］／／９６中国材料研讨会论文集（１－２分册）．—北京：中国材料学会．１９９７：３２６３２９．［１３］代明江，林松盛．侯惠君，等．用离子源技术制备类金刚—石膜研究［Ｊ］．中国表面工程．２００５。１８（５）：１６１９．ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｎｄｉｅｓＨＯＵＨｕｉｊｕｎｌ．ＤＡＩＭｉｎｇｊｉａｎ９１，ＬＩＮＳｏｎｇｓｈｅｎ９１．ＷＥＩＣｈｕｎｂｅｉｌ，ＬＩＡＯ”Ｆａｎ９１，ＨＵＦａｎ９１１．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・ＮｅｗＭａｔｅｒｉａｌｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ・Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ・Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｄｉｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒ—ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ），ｐｌａｓｍａｅｎｈａｎｃｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥＣＶＤ），ｐｈｙｓｉｃｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｔａ１．Ｔｈｅｅｍｐｈａｓｉｓｗａｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｐｌａｓｍａ—ｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄＤＬＣｆｉｌｍｓｏｎｄｉｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓ；ｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｐｌａｓｍａ——ｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ；ｄｉａｍｏｎｄｌｉｋｅｃａｒｂｏｎｆｉｌｍｓ；ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ万方数据