汽车等速传动轴采用精密锻造成形加工方法，需要经过一道冷精整工序，冷精整为锻件最终成形工序，尺寸精度要求高，球道的冷精整尺寸及表面上的质量直接影响到传动轴的常规使用的寿命，而该工序的加工主要是依靠冷精整模具来保证。冷精整为冷加工变形，变形抗力大，摩擦力大，冷精整模具服役过程中承受拉伸、挤压、冲击、摩擦等机械力反复作用，从而可能会产生变形、开裂、崩块、剥落、断裂、磨损、拉毛、粘合、疲劳等失效形式，因此该模具需具备抗变形、抗断裂、抗磨损、抗粘合及耐疲劳的能力。需要具备较高的硬度、强度、韧性、耐磨性、尺寸稳定性及耐疲劳性能。

  冷精整模具失效会导致锻件的尺寸超差，产生拉毛、表面凹坑、凸起、毛刺、裂纹等质量缺陷。冷精整模具寿命的高低必然的联系到生产所带来的成本、产品质量和模具库存，提高模具寿命是降低模具消耗的有效途径。

  冷作模具大多数都用在制造对冷状态下的工件进行压制成形的模具。冷精整模具属于冷作模具，作为冷挤压模具的一种。

  在一定的服役条件下，其寿命影响因素主要有：①模具材料，冷作模具材料有碳素工具钢，合金工具钢、高速工具钢、硬质合金、钢结硬质合金、粉末高速工具钢、粉末高合金模具钢等，模具材料一定要满足模具对塑性、韧性、强度、硬度、抗疲劳等性能要求；②模具结构，包括几何形状、模具间隙、断面倾斜角、过渡角大小等；③热处理及加工制造工艺，热处理不当可能会产生热处理缺陷，模具制造工艺不合理，则达不到碎化晶粒，改善方向，提高致密度的目的，模具切削加工应严格保证过渡处圆角半径、圆弧与直线相接处应光滑，保证工作部位光滑无刀痕。

  实际生产的全部过程中我们对失效模具长期统计分析发现，85%的冷精整模具报废原因为磨损，磨损引起尺寸超差和表面拉毛(图1)，因此提高冷精整模具耐磨性同时又不降低强度、韧性、尺寸稳定性以及耐疲劳性等是提高其寿命的关键。提高耐磨性的方法很多，而模具结构的优化往往受到产品设计结构限制较多，模具材料的选型往往涉及较高的材料成本，靠热处理及加工制造工艺改进大幅度提高耐磨性的难度大、成本高。

  由于磨损发生在模具表面，而表面性能的改良往往不影响基体的强度、韧性等性能指标，如今的表面改性技术取得了很大进步，其中涂层技术已大范围的应用于提高刀具表面性能，随着涂层技术的加快速度进行发展，新型超硬涂层、纳米涂层等先进涂层不断涌现，为模具寿命提升提供了很好的技术条件和研究方向。本文主要尝试从涂层表面改性技术角度来验证提高模具寿命。

  涂层的种类很多，按照涂层化学元素分可分为钛基涂层、氮化物涂层、碳化物涂层、Al2O3 陶瓷涂层等。按照涂层结构分可分为单层涂层、多层涂层以及纳米多层涂层等。常见的模具涂层有TiN、TiC、TiCN、TiSiN、TiAlN、TiAlSiN、CrAlSiN、AlTiCrN、CrAlN。

  选择不同性能的涂层材料和不同的工艺方法，可制备耐腐蚀、抗高温氧化、热障涂层、减摩耐磨、导电、绝缘等功能涂层。另外，涂层材料涉及也较为广泛，很多固态工程材料都能应用到，包括金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料、金属塑料以及他们的复合材料和其他无机非金属材料。

  TiN 是最早商业化应用的涂层，20 世纪80 年代就被应用于高速钢钻头，目前TiN 涂层是工艺最成熟，应用最广泛的涂层，可提升材料硬度，改善材料摩擦性能，提升刀具和模具常规使用的寿命。但TiN 涂层抗高温氧化性能较差、加上摩擦因素还是偏高、硬度还是偏低，发展受到了限制。TiN 涂层之后衍生出了很多以TiN 为基的涂层，比如TiCN、TiAlN、TiAlSiN。

  TiCN 涂层是在单一TiN 晶格中，由碳原子占据氮原子点阵中的位置而形成的复合化合物，具备比较好的耐磨性和低摩擦因素，其抗高温氧化温度可达400℃。

  TiAlN 涂层与TiN 相比具有膜基结合力强、抵抗腐蚀能力好、耐磨性好等特点。Al 和Si 原子置换fcc 结构的TiN 晶格中的Ti 原子位置，形成TiAlSiN 固溶体，Al 原子半径小于Ti 原子，会引起晶格畸变，使晶格常数减小，起到固溶强化作用，提高了涂层强度和硬度，其抗高温氧化温度可达800℃。

  TiAlSiN 涂层有着优良的性能。TiAlN 涂层在沉积生长过程中易于获得柱状生长的粗大晶粒，随着Si 元素的加入，TiAlSiN 涂层的柱状晶明显减少，Si 原子置换fcc 结构的TiN 晶格中的Ti 原子位置，形成TiAlSiN 固溶体，Si 原子半径小于Ti 原子，会引起晶格畸变，使晶格常数减小，提高了涂层强度和硬度；当Si 原子含量增多时，涂层中会出现非晶Si3N4 相，形成Si3N4 相包裹TiAlN 纳米晶的复合结构，对涂层晶粒长大起到抑制作用，可提升涂层强度和硬度。有研究表明，随着Si 元素的加入，TiAlSiN 涂层摩擦系数会降低，其抗高温氧化温度可达1000℃。

  CrAlN 涂层是Cr 基涂层，具有优良的抗氧化、耐腐蚀、抗粘结性能，在金属成形，注塑注模，高速切削等领域具有广泛应用价值。高速摩擦时，CrAlN涂层中的Cr、Al 元素与空气中的O 反应形成Al2O3、Cr2O3 氧化膜，具有抗氧化、耐腐蚀、耐磨、隔热作用，其抗高温氧化温度可达1100℃。

  TiN、TiCN 涂层在模具上的应用较多，而TiAlN、TiAlSiN和CrAlN涂层在等速传动轴冷精整模具上应用较少，相关文献资料给出的涂层物理性能参考数据见表1。在一定的工况下，本方案选用TiCN、TiAlN、TiAlSiN 和CrAlN 四种涂层用于等速传动轴冷精整模具上作对比试验，确定最优的模具涂层类型。

  模具零件表面涂层技术是利用物理或化学方法，在模具零件表面通过熔覆、喷涂、沉积等工艺方法，涂覆一层与模具基体不同的薄膜，通过与模具基体的结合，提高模具零件表面性能，如硬度、耐磨、耐蚀、抗高温氧化等，保证模具零件的服役稳定性，并延长其常规使用的寿命。表面涂层技术的发展路径可大致分为两段：一是以传统的表面涂层技术为代表，最重要的包含电镀、化学镀和热扩渗等；二是现代表面技术阶段，以等离子体、激光、纳米颗粒的应用为代表。现阶段表面涂层技术在向着梯度化涂层结构设计和复合技术应用的方向发展，工业生产里常用的表面涂层技术有热喷涂、电镀与化学镀、化学和物理气相沉积、激光熔覆等，这些表面解决方法都有其固有的技术特征，在实际应用中要根据模具的使用上的要求和使用条件进行选择。

  热喷涂技术是利用电弧、激光束、等离子体等高温热源将喷涂材料加热至液态或软化，再通过高速喷射将喷涂材料雾化成微颗粒并沉积到预先处理好的基体表明产生涂层的一种强化方法。热喷涂材料具备涵盖全部固体工程材料（金属、合金、陶瓷、塑料以及它们的复合物等）、基体受热影响较小、操作简单便捷、区域灵活等特点。工业生产里常用的热喷涂技术是将金属基防滑耐磨涂层沉积在模具零件表面，提高模具零件在耐磨及耐蚀等方面的性能，以此改善模具的常规使用的寿命和服役稳定性。

  研究人员通过涂层耐磨性试验测试对比发现，采用电弧喷涂的FTC-FeCSiMn涂层使模具零件表面的耐磨性提高了10倍，而采用超音速火焰喷涂的超细WC-12Co涂层使模具零件表面的耐磨性相较电弧喷涂的FTC-FeCSiMn涂层又提升了1倍，经工艺优化后，显微硬度达到1 547 HV0.1，热喷涂工艺的进步对改善涂层质量具有较大的优势，并延长了模具的使用寿命。

  马宪图等使用等离子喷涂技术在4Cr5MoSiV1热作模具钢基体表面制备WC10Co4Cr耐磨涂层。涂层主要由WC颗粒形成的骨架结构组成，骨架间的空隙可以储存润滑剂，有助于增强润滑效果，涂层中含有少量W、Co、Cr颗粒和W2C相。涂层中元素分布均匀，无明显的聚集，涂层和基体间结合紧密，达到了冶金结合。磨损机理主要是磨粒磨损，同时还伴有某些特定的程度的粘着磨损，WC10Co4Cr涂层最大摩擦系数为0.47，经过磨耗试验，磨耗较少，可降低磨损量，延长模具常规使用的寿命。

  由于铝熔体的强腐蚀性以及铸造过程中热扩散和高机械负荷，为了改善铸造模具服役稳定性和使用寿命，采用烧结镶嵌的高钨伪合金，提升模具零件的强度、耐蚀性与耐高温氧化性，可延长铸造模具寿命1 000倍。为了控制制造成本，使用等离子转移弧堆焊(PTA)制备致密镀层代替高钨伪合金烧结镶嵌，会造成模具基体高热量输入。研究根据结果得出，显微结构和致密度满足规定的要求的涂层能够最终靠改变喷涂参数制备，为减少铸造模具零件变形，需要降低基体热量输入。利用高能量密度的热源，控制喷涂时间，提高喷涂速度，能有实际效果的减少热量输入对基体性能的影响，同时能改善熔融结合区的性能，涂覆制备致密、高结合力的涂层。如激光喷涂和等离子体喷涂，可用来制备铸造模具零件的涂层。

  在未来，热喷涂技术会向着不断改善沉积效率，并提高涂层结合力与致密度的方向发展，同时对沉积过程参数的精密控制必将是智能化的发展趋势。

  化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）技术是通过利用涂层内化学元素的化合物或单质，控制其在基体表明上进行反应并沉积，生成固态沉积物。上世纪Metallgesell-Schaft公司首先将TiC涂层沉积在钢基体上进行表面强化，CVD沉积技术的应用也于上世纪在硬质合金上获得成功，国内是上世纪70年代开始研究，现已应用于工模具、机械零件，效果非常明显。该技术在模具领域的应用，大多分布在在TiN系、TiC系、金刚石和类金刚石等硬质涂层，能够改善模具零件的硬度、耐磨性、耐蚀性。

  崔玉明等通过化学气相沉积的方法使用直流电弧等离子炬在模具零件表面制备金刚石涂层，经检测在1 470 N载荷下，金刚石薄膜结合力测试区域没发生开裂和涂层剥落现象，在改进金刚石涂层沉积效率的同时保证了与硬质合金基体之间的附着性，在保证涂层性能的基础上提升了与模具基体的结合力，保证了涂层的常规使用的寿命和服役稳定性。

  采用CVD工艺制备模具零件表面涂层的较难工艺问题是膜基结合力不足和表面粗糙度难控制，解决这2个问题是使这一先进表面涂层技术得以在模具零件制造中广泛推广应用的关键。

  物理气相沉积（physical vapor deposition，PVD）技术是使靶材在真空条件下离化成气态原子或分子或电离成离子态，利用低压气体（或等离子体）运输迁移，将具有某种特殊功能的靶材原子、分子或离子反应沉积在基体表面的技术。这种技术大范围的使用在沉积硬质薄膜，以延长其常规使用的寿命、减少摩擦磨损、提高硬度、改善热性能、抗氧化性、耐蚀性和自润滑性。相对CVD工艺，PVD工艺不需要在高温下进行，有效地解决了涂层和基体中产生高的热应力的弊端，同时通过加强等离子体电离、减少暗区（没有沉积到反应器中的区域）、改进靶材使用、提高原子轰击效率，甚至提高沉积速率和优化气体选择等方法来优化PVD技术，使其发展为具有广阔应用前景的现代表面涂层技术。

  使用物理气相沉积技术在模具零件工作表面上沉积硬质涂层，提高了零部件的强度、硬度、耐磨性、抗腐蚀性，同时依靠PVD硬质涂层良好的附着力，保证了模具的服役稳定性，延长了模具的常规使用的寿命。在有色金属压铸领域，压铸模的常规使用的寿命对铸造企业的成本效益和品质衡量准则有重要的影响。模具零件表面暴露的主要应力是热冲击、磨损以及模具中液态铝和铁之间的化学反应，模具零件的筋条和靠近浇口的部分会承受高的应力，由于熔体的高速流动，这些部位易发生磨损。利用CrN基PVD涂层，模具常规使用的寿命显著延长。

  N BAGCIVAN等使用反应脉冲直流磁控溅射技术，通过类似三角形的靶位布置，降低了薄膜沉积的成本。使用Cr1-xAlxN(0.21≤ x≤ 0.74)作为涂层材料，沉积的薄膜具备优秀能力的摩擦学性能，其中摩擦系数为0.4，磨损系数为1.8×10-16 m3（Nm）-1，同时获得的最大硬度为25.2 GPa，该结果证明这项技术在工业领域具有较大的发展的潜在能力。PVD技术在X40CrMoV5-1热作工具钢表面强化中应用广泛，通过在基体上沉积超硬、耐磨性强的CrAlSiN和CrN涂层可提升模具服役稳定性，改善常规使用的寿命，其中沉积CrN涂层的模具零件测试磨损量最低。挤压模由于工况恶劣和承受多次冲击载荷，导致服役稳定性差、预期寿命短，常见的失效形式有胀裂、拉伤、磨损等。通过PVD技术将TiN、CrN、TiAlN硬质涂层分别沉积在模具零件表面，模具零件表面硬度、耐磨性得到一定的改善，常规使用的寿命延长了3~5倍。其中沉积TiAlN涂层的挤压模使用效果最为理想，涂层包覆后的镶件挤出的包边表面上的质量较高，摩擦学性能优异。

  钢材拉拔模的磨损机理最重要的包含粘着磨损和磨粒磨损，由于循环往复的接触和载荷波动，表面失效随时有可能发生。MARIA NILSSON等采用气相沉积涂层，将其应用于钢材拉拔模中，以取代硬质合金，试验在轴承钢基体上分别使用CVD技术制备TiC涂层和PVD技术制备（Ti,Al）N、CrN、CrC/C涂层。经过磨损试验对比得到使用PVD技术制备的CrC/C涂层的耐磨损性能最优，可有效改善模具零件表面耐磨性能，提高服役稳定性和延长使用寿命。

  通过不断改善涂层材料，持续提升沉积效率，加强工艺控制，利用物理气相沉积（PVD）技术制备的应用于模具领域的硬质合金膜拥有广阔的市场应用前景和发展空间。

  电镀铬、镉等是模具零件表面涂层技术中的传统技术，利用电解池原理在模具零件工作面上沉积与基体不同的材料，具有优良性能的薄层金属或合金。电镀操作便捷，工艺要求简单，工作时候的温度低，模具零件受热变形影响小，基体的性能不受影响，镀层的硬度高，摩擦系数低，模具零件的强度、耐磨性和抗氧化性得到一定的改善，并延长了模具常规使用的寿命及提高了服役稳定性。但是镀层的孔隙率大，同时由于电镀的尖端效应，对于形状复杂的模具零件易产生毛刺、凹凸尖点等缺陷，影响模具零件的表面粗糙度和抗侵蚀的能力[36]。热作模具应用的电刷镀技术具有沉积效率高，工艺操作便捷，绕镀性好，不受模具形态的限制，可使模具服役期提高50%~100%，根本原因是涂刷层拥有非常良好的红硬性、耐磨性及抗氧化性。科研人员采用复合电刷镀层工艺，使用镍、钴和二氧化锆复合电刷镀层工艺，镀层表面致密，使镀层与基体结合力提高，表面经打磨后可达镜面。不仅硬度高，而且耐磨性提高，延长模具常规使用的寿命达20%~100%。

  随着化学镀工艺的改进和发展，不同的化学镀工艺及其镀液技术发展迅速，如多元复合镀以及纳米颗粒和稀土掺杂镀镍，此外双镀层技术和旨在提高镀层效率的辅助技术也在持续不断的发展，一些性能更优、效果更好的新技术也不断产生并运用于实践中。化学镀镍由于其易加工性，是制造光学模具的最佳材料之一，具有合适的硬度和耐用性，优越的耐腐蚀性、耐磨性，硬度、可焊性、磁性和沉积均匀性，可在非球面形状下抛光至0.3 nm均方根粗糙度（RMS）以下。如阎康平在Ni-P镀液中加入一定量的高分子材料聚四氟乙烯（PTFE）微粒，在Ni-P镀层中PTFE颗粒分散分布，沉积于模具零件表面，由于PTFE微粒具有化学稳定性高、摩擦系数低（0.05）的特点，能够有效提升模具零件表面的硬度、耐磨性及抗侵蚀的能力，对于模具零件性能拥有非常良好的强化效果。此外在G STRAFFELINI等的研究中，研究了几种含有SiC和PTFE的化学镀Ni-P复合镀层的摩擦磨损性能，甚至还产生了由内部Ni-P-SiC层和外部Ni-P-PTFE层组成的沉积物。通过对AISI M2钢进行摩擦磨损试验，发现Ni-P-SiC-PTFE镀层的滑动性能优于Ni-P镀层，但比Ni-P-PTFE共镀层的耐磨性差，在高负荷测试下，Ni-P-SiC-PTFE镀层呈现比Ni-P-PTFE和Ni-P-SiC镀层具有更加好的抗摩擦磨损性能。

  随着对传统金属加工流程产生的有毒废物的日益关注，用“清洁”技术取代“脏”电镀工艺（特别是铬和镉）这一趋势得到了较大的推动。较多企业考虑使用减少污染的电镀，甚至放弃镀液技术，采用物理气相沉积、化学气相沉积和激光熔覆等新型涂层技术实现绿色环保的发展理念。

  激光熔覆技术（laser cladding）是利用高功率激光束将熔覆材料与基体材料表层一起熔化凝固，形成熔融材料与基体材料表面达到冶金结合的涂层技术[44]。激光熔覆技术有以下特点：①结合力强，热影响区小；②组织细化无孔隙，力学性能优异；③沉积材料多样，可根据涂层性能需求选择；④加工区域灵活，工艺可控性好。

  SOTIROPOULOUD指出激光熔覆试样的显微组织由外到内有3种不同的结构区域，分别是熔覆区、热影响区和基体。通过熔融原子或分子间的热扩散交互作用，熔覆层与基体之间紧密结合，形成熔融结合层，由于激光熔覆的高能量输入，低孔隙率，高结合力，有效地提升熔覆层与基体的抗载荷能力，提高了材料的综合性能。

  激光熔覆金属大多数都用在涂层强化和修复各种零部件的表面，以提高耐磨性、抵抗腐蚀能力和抗氧化性，CUI C Y讨论了使用连续波CO2激光器（功率1.7 kW，扫描速度5 mm/s，光束直径φ4 mm），以14 g/min的送粉速度，在模具钢上激光熔覆沉积钴基合金涂层。对表面改性的分析表明：该工艺可产生拥有非常良好微观结构和较高显微硬度的薄表面层（平均测量值为588 HV0.2，未涂覆基体的平均测量值为283 HV0.2）。C P PAUL等[48]使用脉冲Nd:YAG激光器（功率1 kW，光束直径φ1.5 mm，扫描速度1~10 mm/s），以3~8 g/min的送粉速度，在低碳钢基体上利用动态激光熔覆技术沉积多层WC-12 wt.%Co合金，沉积的WC-Co合金涂层致密性好，无裂纹缺陷，拥有非常良好的膜基结合力，测量WC-Co合金镀层与基体的结合强度约为60 MPa。涂覆层表面的显微硬度平均约为1 350 HV0.2，而基体表面的显微硬度为200 HV0.2。

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