注塑模具表面改性技术的比较与选择

　　注塑模具设计制造周期长，造价高，如何提高模具的寿命，一直是人们关注的问题。由于塑料模具的失效大多源于表面，因此提高模具的耐磨性、耐蚀性和表面耐疲劳强度是提高模具寿命的一个重要途径。由于表面改性技术能够在很大程度上弥补模具材料的不足，而且有利于后续抛光工艺，容易使注塑模具达到镜面标准，这符合现代注塑制品追求高精度、高品质的方向。

　　用于改变模具表面性能__表面改性的技术有多种，传统的有表面淬火技术、热扩渗技术(渗碳、渗氮、碳氮共渗等)、堆焊、电镀硬铬等，近二十年来发展起来的有激光表面强化技术、物理气相沉淀技术(PVD)、化学气相沉淀技术(CVD)、离子注入技术、热喷涂技术等。但是，由于各种技术的不同工艺特点，也使得这些技术使用范围不同，具有不同的使用特点。因此，对这些表面改性技术方法进行综合比较，以便能够合理地选用，是非常重要的。

　　1常用的注塑模具表面改性技术

　　1．1热扩渗技术

　　热扩渗技术是指采用加热扩散的方式，使欲渗金属或非金属元素渗入工件的表面，形成表面合金层的工艺。其突出的优点是扩散层和基材之问是靠形成合金来结合的，具有很高的结合强度，这是其它涂层方法 (包含电镀、化学镀、物理气相沉淀技术等)无法比拟的，目前，这项技术正在向二元或多元共渗工艺的方向发展。   

　　（1）渗碳。渗碳是发展比较成熟的热扩渗工艺。当用于注塑模具表面改性时，主要是用于低中碳钢。由于注塑模具的形状复杂，表面光洁度要求高，常用冷挤压反印法来制造模具的型腔。因此，常选用含碳量低、塑性冷变形性能好的塑料模具钢，如美国的P2、P3、P4、P5钢，或我国的2020、Crl 2、CrNi3A钢等。注塑软塑料时，渗碳层为0.8～1.2mm，对有尖齿、薄边的塑料模具，渗碳层则以0.2---.6mm为佳。而对于玻璃纤维增强或金属纤维增强的工程塑料而言，渗碳层宜厚一些，为1.3～1.5mm。渗碳法的缺点是扩渗温度高，扩渗抔还需淬火、回火，工件变形较大。      

　　(2)渗氮。渗氮是一种低温扩渗工艺，其处理工艺较渗碳简便。氮化层的硬度高(900～1200HV)，耐磨、抗疲劳强度和抗咬合性等均优于渗碳层。尤其氮化温度低(450,-,6000C)，工件变形很小，尤其适合一些将精密注塑模(比如塑料光学器件模具)的表面强化。常用的扩渗工艺有气体氮化法和离子氮化法。主要的缺点是氮化的周期比较长(几十甚至上百小时)，氮化层腮!高，硬化层薄(小于0.5mm)。  

　　(3)碳氮共渗和氮碳共渗。二者都是在工件表面同时将碳、氮渗入，前者以渗碳为主，后者以渗氮为主。后者处理温度较前者低，属于低温化学处理，变形小，可用于精度较高的模具。经氮碳共渗后，模具表面联渡可以提高到HV500～700，耐磨性、抗咬合、抗蚀能力均得增强。

　　1.2电镀与化学镀技术

　　电镀硬铬曾经在我国注塑模具的表面处理中应用比较广泛。它在近于室温的条件下进行，几乎不影响母材性能，也不必担心变形。镀层具有摩擦系数低、可重复使用、硬度较高的优点。其缺点是均镀性较差、镀层孔隙较大，耐蚀性较差，镀层结合强度也不够大。

　　化学镀主要有化学镀Ni—P和Ni—P—PTFE。有研究表明，化学镀Ni—P层，在400°C保温lh后，其硬度可达1000HV，这已经接近一些硬质合金的硬度，并且耐磨能力相当高。因此，化学镀Ni—P目前已经应用到注塑模中，起到了良好的强化作用，提高了模具的寿

　　羝后者是在化学镀Ni—P镀液中加人一定量的直径为0.5—5µm的高分子材料聚四氟乙烯(胛FE)微粒，使其与Ni和P共同沉淀于镀件表面，形成Ni—P—PTFE多元复合镀层。化学镀的抗电化学腐蚀性能优于电镀铬，较之电镀而言，化学镀无尖端效应，盲孔、尖槽、螺玻等均可以获得均匀的镀层。因此，化学镀具有广阔的应用前景。

　　1．3高能束技术

　　利用激光、离子束、电子束的能量密度极高、加热速度极快的特点，可以对模具表面进行改性。其中，以激光相变硬化(叩H)技术最成熟，应用最广泛。它是将激光射到具有固态相变的铁碳合金工件表面上，使表面温度迅速升至奥氏体转变温度以上，熔点以下，合金装层形成奥氏体；当激光离开后，表层被处于常温的内层材料冷却，表层0．1～1．0ram范围内的组织结构和性能发生明显变化，从而使材料表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能都显著提高。

　　1．4气相沉淀技术

　　气相沉淀技术是一种发展迅速，应用广泛的表面涂覆技术。按照成膜机理的不同，可分为化学相沉淀（CVD）、物理气相沉淀（PVD）两大类。二者共同的特点是将具有特殊性能的稳定化合物（TiC.Tin.Su\iN等大直接沉淀于工作表面，形成一层超硬覆盖膜，从而便工件具有高硬度、高耐磨性、高抗蚀性等优异性能，特别适合处理那些成型增强塑料的注塑模具。

　　区别而言，CAD法在沉膜前就有化学反应发生，沉积有膜则是反应产物之一。而PVD法几乎不发生化学反应，沉积膜即是靶材。其次，CAD法处理温度记，基体硬度降底，处理后还需要进行淬火，变形较大，不适合高精度模具。而PVD法沉积温度较低，工件几乎芝形。但绕镀性较CVD的差，对于小孔、凹槽等，膜层不易沉积，因此不适合某些多凹槽与孔、形状较复杂的注塑模具。另外，PVD设备成本高，膜基结合强度较的CAD的差。

　　等离子体增强化学气相沉淀(PCVD)是一种特殊CVD工艺，它是在反应室中设高压电场，反应气体通入高压电场而产生激发形成等离子体，从而大大促进了气体反应，增加了CVD成膜率，兼有CVD良好的绕镀性和PVD的低温成膜特点，应用方便。可以用于强化精度要求高的光盘模等镜面模具。

　　1.5热喷涂和热喷焊技术

　　热喷涂技术是将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其以高速喷射到工件表面，形成耐磨、耐蚀以及抗高温氧化等特殊性能涂层的表面涂层方法。按照加热喷涂材料的热源分类，主要有燃气法、电气法和高能束加热法三类。由于热喷涂屋不够致密，与基材结合强度不高，在模具表面改性中难以发挥作用。应运而生的热喷焊工艺特别是氧乙炔喷焊工艺简便，设备投资少，因此在注塑模具表明强化中取得了广泛应用。比如，用Ni60“一步法”热喷焊45#钢，就可以将模具使用寿命提高6倍。

　　2常用的注塑模具表面改性技术综合比较

　　综上所述，对注塑模具表面改性技术进行综合比较

　　3  注塑模模具表面改性技术的选用原则

　　为了提高注塑模的使用寿命，应首先对已失效注塑模的失效形式进行分析。很重要的是了解热固性和热塑性注塑模的工作条件。热塑性注射模具的工作条件是受热、受压、受磨损，但不严重。故塑料模具表面应有较高的耐热性能，具有较高的强度，有良好的耐磨性。部分品种含有氯及氟，在注射过程中放出腐蚀性的气体，侵蚀型腔表面。因此，注塑模具的基本的失效形式是表面磨损、变形及断裂，但由于对塑料制品的表面粗糙度及精度要求较高，故因表面磨损造成的模具失效比例较大。由此，可以得出注塑模具表面改性技术的选用原则如下：

　　(1)注塑模具表面应考虑具有较好的强度、耐热性能、耐磨性和耐腐蚀性。

　　(2)根据设计的表面性能，选择表面涂层材料或者表面层的成分或组织。

　　(3)根据被注塑制品的性质，确定合适的表面改

　　(4)对于以上选择的表面工程技术进行试验考查，最后确定或修改表面改性工艺。

　　4结论

　　注塑模具表面改性技术的选用是一项复杂的工艺设计过程，设计者不仅应具备扎实的材料专业知识，还应具备诸如失效分析、机械设计、模具设计等方面知识，另外，还应具有经济意识，尽量选用能够满足性能要求、成本低廉的方法。总之，必须从工厂实际出发，以实际验证为标准。

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