模具是指在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具。可以说，没有模具，就没有现代工业，模具工业的发展水平是衡量整个国家制造业水平的关键指标，故又被称为“工业之母”。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60%~80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。举个例子，最为常见的汽车上，由冲压模具成形的汽车覆盖件、注塑模具成形的汽车内饰件、精密锻造成形的各种发动机传动件等，无不展现着模具工业的精密与高效。

图1 标致3008上应用到的银宝山新模具（图片来源：银宝山新）

但是，传统模具加工一般都在恶劣环境下进行，交替变化的温度、应力条件使得模具易于发生各种疲劳损伤；并且，金属塑性流动时与模具型腔的剧烈摩擦使得模具磨损成为重要失效形式之一。因此，开发出新型高硬度、高耐磨性、高强度的模具材料一直备受关注。

图2 江苏森威精锻利用闭塞挤压工艺生产的汽车零件，这种工艺可以加工各种复杂形状零件，但是变形温度高、成形力大，对模具材料提出很大挑战

（图片来源：森威精锻）

早在上世纪90年代，在国内已经将碳化硼陶瓷应用于模具材料中。牡丹江碳化硼研究所研制的碳化硼拉制模具，采用高纯度、超细粒度碳化硼微粉为原料，经高温高压压制而成，硬度高、耐磨性好，可作为电缆行业拉制设备的主要耐磨元件，其寿命比传统硬质合金提高三倍以上。

不过，陶瓷材料在拥有高硬度、耐高温、不粘模等优点的同时，应用的最大困难是陶瓷的脆性，作为脆性材料，其断裂韧性低，几乎不能承受拉应力，这一缺点限制了其作为整体式模具的应用。为了解决这个难题，陶瓷材料可以与金属材料复合，在保证高硬度高耐磨性的同时，兼具金属材料良好的塑性与韧性；还可以作为表面涂层材料，附着在传统模具材料表面，形成“外硬内韧”的模具。这两种“取长补短”的方法已经获得了广泛的应用。

金属陶瓷模具

2017年，江西省机械科学研究所的熊伟等公布了一种应用热挤压工艺的金属陶瓷模具。该研究通过在金属陶瓷混料中，配入W、Ti等金属碳化物，经过干压成型、冷等静压、无压烧结、机械加工等工序，研制出新一代的W-Ti金属陶瓷热挤压模，突破了以高合金钢生产热挤压模的传统技术。试验表明，W-Ti金属陶瓷热挤压模的使用寿命是传统合金钢的7.5倍。

（小tip：挤压工艺对模具的要求非常高，常见的挤压力在2000MPa以上。因此对新型模具材料的研究，相关的文献常常落在挤压模具新材料的开发。最初钢的大批量挤压一直被认为难以实现，因为必须有超高强度的模具材料才能承受如此大的挤压力，冷挤压首次大批量生产钢制零件是二战时期，德国采用了新型合金工具钢及磷化皂化技术才实现的。传统的挤压是在室温下进行，近些年对一些高强度的材料，必须在高温下进行挤压，这对模具材料提出更高要求）

除此之外，早期的研究一般采用热压烧结法制备金属陶瓷，这是利用金属颗粒增韧氧化铝陶瓷模具，以克服陶瓷材料的脆性。除了氧化铝陶瓷的增韧技术以外，中南大学联合中国铝业公司研制出利用金属Ti增强氮化硅陶瓷的新型模具材料，并认为氮化硅相较氧化铝更为优异的红硬性、耐磨性及综合力学性能，是制造热挤压模具最为理想的材料之一。

“外硬内韧”的陶瓷涂层

陶瓷涂层相较于金属陶瓷新型模具材料的研发，理论更加简单，实际操作成本更为低廉。目前的主要方法包括化学气相沉积技术（CVD）和物理气相沉积技术（PVD），其中后者应用更为广泛。PVD技术是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电，使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。

表1 PVD涂层模具简析

瑞士Hatebur公司是世界一流的模具设备供应商，其率先将氮化钛涂层通过PVD涂覆在冷挤压模具的凸模上。（小tip：在挤压工艺中，一般PVD法涂层的氮化钛只能在450℃下使用，这个温度是冷挤压剧烈摩擦时，材料与模具界面已经能达到的温度；而要想用到温热挤压中，为了防止涂层的脱落，常采用CVD法，这样工作温度才能达到800℃以上。此外，采用碳化钛的CVD法进行涂层，工作温度能达到950℃到1100℃）

图3 瑞士hatebur生产的高精密金属成型设备（图片来源：Hatebur）

2017年11月，在全国第三届“互联网+”大学生创新创业大赛上，西安交通大学“匠心云涂”项目荣获金奖，并被组委会认为是最有价值的创业项目，目前公司启动千万级Pre-A轮融资，拟出让股份10%，主要用于代工厂投建和专业团队建设等。据悉，“匠心云涂”项目由西安交大85后博士生钱旦发起，目前依托自主研发的涂层技术、高校专家团队与研发平台，开发了包括氮化钛、碳氮化钛、氮化铬、氮化铬铝在内的多种陶瓷PVD涂层技术，替代了传统电镀金属或合金的涂层方法，为模具穿上了“软猬甲”。

图4 匠心云涂采用PVD法涂层的样品（图片来源：匠心云涂）

小结

综合而言，传统模具钢或硬质合金模具材料的应用已经非常成熟，但是在一些更为恶劣的工况下，性能与寿命面临巨大挑战。正如tip中所言，传统冷挤压技术目前正向温热挤压方向发展，在温热挤压工艺中，由于温度较高，传统材料的红硬性差问题愈发暴露，采用陶瓷材料涂层后的硬质材料性能提升，寿命延长，减少了频繁更换模具的动作，取得了更好的经济效益。与之相比，利用金属颗粒增强的陶瓷材料在工业中的应用却鲜有报道，这主要是因为整体式的金属陶瓷模具价格仍非常昂贵，服役寿命预测仅局限在实验室中。不过，组合式凹模的发展，使得模具具有更加灵活的形式，对于需要面对高温高压力的模具工作部分，可以采用强化过的陶瓷材料，而剩余部分，仍采用价格相对低廉的传统材料。此外，不锈钢、耐热合金钢的需求推动着热成形技术的发展，面对变形抗力高、温度高的加工环境，金属陶瓷模具依然值得期待。

参考文献

Si3N4基陶瓷模具性能研究；中南大学，陈祥健，罗兵辉，张博。

金属陶瓷热挤压模的研制；江西省机械科学研究所，熊伟，邹旭远。

By：火宣