传统的热作模具主要采取单一模具材料的整体模块，新模具磨损失效后，主要采取整体下落的方式再利用模体，这样整体下落几次后，则该模块报废。早在20世纪50年代，国内外已经认识到模具堆焊修复和堆焊制造的巨大经济效益，初期，采用手工电弧堆焊和电渣堆焊制造模具，效果不够理想。20世纪70年代，开始采用CO₂半自动气体保护焊、钨极氩弧焊和热喷涂技术对模具进行堆焊与表面强化，使模具堆焊技术得到进一步发展。20世纪80年代，美国开发了淌焊技术堆焊模具。近年来，报废旧模具整体反复堆焊技术已基本成熟，实现了模具的堆焊制造与修复，不仅利用了废旧模具，还提高了模具寿命，获得了较好的经济效益。

目前可用于模具堆焊制造和修复的焊接方法有手工电弧堆焊、电渣堆焊、喷涂与喷焊、TIG焊（钨极氩弧焊）、CO₂半自动气体保护焊和淌焊。用于模具堆焊的焊接材料有焊条、焊粉、TIG焊丝和药芯焊丝等。修复和制造的模具包括热作模具（如热锻模具、热挤压模具和热切边模具等）和冷作模具（如冷锻模具、冷挤压模具、冷切边模具和冷冲模具等）。堆焊材料主要有3Cr2W8V(D377)、5CrMnMo(D397)、25Cr5W5MoV、25Cr5MoVSi和4Cr5W5MoVSi以及Cr13型不锈钢等。

模具堆焊制造与修复工艺的特点是根据模体和模膛对韧性和耐磨性不同性能的要求，采用堆焊工艺制造廉价的、双金属、双性能长寿命的模具，该工艺也广泛用于旧模具的修复。该工艺方法在西方工业发达国家已普遍推广应用，并已获得明显的经济效益。我国已有部分工厂应用模具堆焊技术，并已获得初步成效，但与国外相比在应用的深度和广度以及技术的先进性和成熟度方面还有差距；该工艺方法十分灵活，设备简单、便宜，每个企业都可用于生产和修复模具模膛，很有发展前途。

另外，采用铸钢模体+堆焊模膛联合工艺既可使模体具有高韧性，又降低了模体的制造成本，同时发挥了堆焊模膛长寿命的优点，可以用来代替热作模具钢常规加工（数控加工或电火花）的整体锻钢锻模，则是更为经济的制造模具方法。例如，在韧性高的ZG45Mn2铸钢模体上堆焊一层硬度高、耐磨的5CrMnMo或5CrNiMo钢，用于加工模膛。

表面强化处理模具模膛提高模具寿命的作用不但显著，而且成本低，是事半功倍的理想工艺方法。几乎所有的模具模膛都可以采用表面处理工艺改变其表面的组织结构、性质和表面层的形态，在不牺牲模体韧性的条件下，大幅度提高模膛表面硬度（耐磨性）和抗腐蚀性等使用性能。这些表面特性是模具模膛特别希望具有而模具钢又不能或很难提供的；而这些特性恰恰可以采取不同的表面处理工艺获得。表面处理工艺方法很多，用于模具模膛表面强化具有明显效果和潜力的工艺方法主要有表面形变强化、表面相变强化、表面扩渗强化和离子注入强化等表面改性技术；物理气相沉积和化学气相沉积等薄膜技术；电化学沉积（电镀）和热喷涂等涂镀层技术。根据模具基体材料、用途和工作环境的不同，可以选用不同的表面处理技术满足强化模膛的要求。这些表面强化技术都是性价比极高的模具模膛强化技术，其中有些技术已日趋成熟，正在模具行业中推广应用，已成为模具制造技术的重要发展趋势。

表面形变强化在模具模膛强化中的应用主要有喷丸强化、挤压强化和辊压强化等。表面形变强化技术是基于采取喷丸、挤压和辊压等方法使模膛表面多次发生微小变形，叠加起来造成模膛表面塑性变形（冷作硬化），改善模膛表面的完整性（改善表面粗糙度、改变表层组织结构、提高表层密度），并形成压应力状态，从而提高模膛表面的疲劳性能、应力腐蚀性能和耐磨性能等，提高了模具寿命。表面形变强化对冷作模具模膛的强化效果最为明显。

挤压和辊压分别用于挤压模（内）模膛和凸模的强化，而喷丸则可用于任何形状的模具模膛。例如，汽车和拖拉机活塞销是需求量非常大的零件，通常采用冷挤压工艺生产，而冷挤压凸模寿命较低（多在凸模工作部分向夹持部分过渡的内圆角处断裂），影响生产率，对相同模具钢（W6Mo5Cr4V2）、热处理（淬火、回火）和加工（磨削）工艺的凸模，进行辊压圆角和不锟压圆角的对比试验，结果表明，辊压圆角的凸模寿命为未挤压圆角凸模的4倍～6倍。

模具的喷丸过程是弹丸（如钢丸、玻璃丸和陶瓷丸等）流不断撞击模膛表面层并使表面层在0.1mm～0.7mm内不断积累塑性变形的过程。喷丸能使淬硬钢表层的残余奥氏体发生r→a相转变，并引入残余压应力，从而提高表层的硬度、疲劳强度的耐磨性。例如，热精压活扳手锻件的3Cr2W8V钢模具经喷丸处理后，其寿命比未经喷丸处理模具的寿命提高了50%。

采用高频感应、激光和电子束快速加热，可以提高模具模膛表面材料的相变点Ac₁和Ac₃，从而提高了冷却速度和淬火硬度，这样既保留了模体内部原有的力学性能和良好的韧性，又使模膛表面获得了极高的硬度和耐磨性，从而提高了模具寿命。

例如，Cr12硅钢片冲模激光淬火后，其寿命比未经激光淬火模具的寿命提高了33%～60%。

将金属或非金属沉积在模具模膛的表面上，通过扩散作用渗入到模膛表层，改变表面层（渗层）的化学组成和相结构，从而提高模具模膛表面的硬度和耐磨性，这一过程称为表面扩散渗入或化学热处理。表面扩散渗入的特点是：

（1）表面渗层与模体金属的化学成分呈连续变化，结合良好；

（2）扩渗工艺过程不影响模体材料的结构和力学性能；

（3）表面渗层与模体金属的结合实际上是一种复合材料，既发挥了模体材料的高韧性，又获得了表面渗层的高硬度和耐磨性，得到更好的综合性能。

用于模具模膛的表面扩渗处理主要有渗碳、渗氮和渗硼等非金属材料；渗钒、铬和钛等金属元素；复合渗硼和硫技术等；此外，还有液体碳氮共渗（软氮化）等共渗工艺。

液体碳氮共渗（软氮化）工艺具有处理温度低、共渗时间短和适用钢种广泛等优点，可显著提高模具表面的疲劳强度和耐磨性，从而提高模具寿命。

模具模膛的离子注入是将所需要掺杂（添加）的元素电离成离子，经电场加速使离子获得很高的速度，而后打入模具模膛，使合金元素掺杂于模膛表层，从而提高模膛表面的耐磨性和抗腐蚀性等性能。

1）离子注入模膛表面的特点

（1）注入的元素可以任意选取，也不受温度和固溶度的限制；

（2）可以精确控制注入元素的数量和深度；

（3）注入元素的纯度高，均匀性好；

（4）直接离子注入不改变工件尺寸。

2）离子注入在模具模膛中的应用实例

（1）在WC-6%Co硬质合金制造的反向挤压模中离子注入N，比未注入离子N的模具寿命延长3倍；

（2）在WC-6%Co硬质合金制造的硅钢片冲裁模冲头中离子注入N，比未注入离子N的模具寿命长6倍。

薄膜技术的种类很多，工艺方法主要有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD），过去主要用于制备功能材料，近来引入模具制造业，以提高模具寿命。

1）化学气相沉积工艺

化学气相沉积（CVD）工艺是通过高温气相反应使被沉积元素蒸发，并在模具模膛表面沉积一层薄膜的方法。CVD工艺方法可以制备任何金属和非金属的薄膜，但缺点是要在800℃～1200℃的高温下进行反应沉积。新开发的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和等离子辅助化学气相沉积（PACVD）可以使反应沉积温度降低至400℃～800℃，但这个温度对于处理模具模膛表面仍然是偏高，目前在强化模具中应用较少。

2）物理气相沉积工艺

物理气相沉积（PVC）工艺包括蒸镀、离子镀和溅射三类，每一类又包括若干种工艺方法。PVD工艺不仅可以十分方便地沉积CVD工艺所能够沉积的各咱薄膜，而且，PVD具有比CVD更适用于模具模膛镀（涂）膜的两个突出特点：

（1）PVD可以在模具钢回火温度以下的200℃～400℃沉积薄膜，而CVD则需要在模具钢回火温度以上（800℃～1200℃）的高温下沉积薄膜；

（2）PVD沉积速度高达4um/h～50um/h，而CVD的沉积速度只有1um/h～2um/h。

PVD沉积薄膜在模具模膛中的应用潜力极大，前景广阔。采用不同工艺条件的活性化学反应离子镀（ARE-PVD）可以获得具有不同硬度和耐磨性的TiC和TiN耐磨薄膜。例如，采用ARE-PVD工艺，在150℃的低温和从5.5×10^-3Pa～3×10^-3Pa的不同压力条件下，处理30min～40min获得TiC薄膜的硬度可以达到1050HV～1450HV；再如，采用ARE-PVD工艺，在150℃的低温和从7.5×10^-2Pa～3×10^-1Pa的压力条件下，处理30min～40min获得TiN薄膜的硬度可以达到690HV～2800HV。这些硬度值之高，都已超出布氏硬度和洛氏硬度的测量范围。

涂镀层技术的种类很多，用于提高模具寿命的工艺方法主要有电化学沉积（电镀）工艺和热喷涂工艺。

1）电化学沉积（电镀）工艺

电化学沉积工艺是用电化学方法在金属或非金属工件表面沉积一层或多层金属镀层、合金镀层或复合镀层的技术。通常，具有导电能力的工件（模具模膛）放置在电解质中，接阴极，在外加电流作用下，溶液中的金属离子或Cr离子在工件（阴极）表面发生还原反应，使金属沉积在工件（模具模膛）表面。这一过程又叫电沉积，俗称电镀。电镀作为表面强化技术在模具上的应用首推镀铬层，它具有耐磨、减磨、耐热、耐腐蚀和低摩系数等优点。镀硬铬层既可以作为模具的耐磨层，又可以用于模具修复。由于电镀层与模具钢的线膨胀系数差异较大和与基体金属结合力的限制，不能用于急冷、急热的热作模具，一般可用于受力较小的冷作模具。此外，电刷镀Co-N、Co-Mo镀层、化学镀Ni-P镀层、Ni-SiC、Ni-B弥散镀层，用于模具表面都有提高模具寿命的作用。

2）热喷涂工艺

热喷涂是利用电弧、离子弧或火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热熔化或软化使之在热源或外加高速气流作用下雾化，形成熔滴，并以一定速度喷射至工件表面，形成具有一定结合强度涂层的工艺方法。热喷涂可以喷涂几乎所有的固体工程材料（如金属、硬质合金和陶瓷等），形成耐磨、耐蚀和隔热等具有特殊功能的涂层。

热喷涂技术在模具中应用具有如下特点：

（1）可以喷涂几乎所有的固体工程材料，如金属、硬质合金和陶瓷等；

（2）不受模具模膛形状和尺寸的限制；

（3）涂层厚度可以控制；

（4）喷涂的热影响区小，模具不易变形；

（5）操作简单，效率高；

（6）利用热喷涂技术不仅可以提高模具寿命，还可以修复模具。

有文献报道，原来采用45钢渗碳后镀铬的冷拔无缝钢管的内模，其寿命只有20件～40件，改用火焰喷涂镍基耐磨涂层后，可以拉拔钢管250件。

 

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