近年来，为提高燃油效率，对汽车轻量化的要求越来越高。为此，冷冲压汽车部件的钢材抗拉强度超过980MPa级，引起模具温度升高。在热冲压和压铸加工方面，由于高温化和快速化，也使模具温度升高。在塑料成形方面，由于塑料中的强化纤维和硬质粒子含量的增加，成形模具的工作环境越来越恶劣。

　　工具钢制造厂为提高模具用钢质量和性能进行了许多研发工作，但模具用钢质量和性能并没有出现用户期望的飞跃性提高。

　　在这种情况下，为应对模具的越来越高的要求，使用表面处理模具是必不可少的。

　　1模具钢（工具钢）的表面处理

　　表1是各种模具的特性要求和典型表面处理方法。选择表面处理方法时应注意的是，要事先了解模具钢材料特性（硬度、尺寸、表面性状）在处理温度下会发生怎样的变化。例如，对冷作模具钢的低温回火材进行PVD（物理气相沉积）处理时，由于对模具钢进行回火会发生硬度下降和尺寸变化，对此应予注意。在对钢材进行CVD（化学气相沉积）热处理和TRD（热反应沉积扩散）处理时，由于处理温度高，表面处理后要进行淬火回火，所以也要事先知道尺寸变化程度和变形情况。

　　1.1氮化、软氮化

　　氮化是使氮原子从模具表面向模具内部渗入、扩散的表面处理方法。软氮化是使氮原子和碳原子同时从模具表面向模具内部渗入、扩散的表面处理方法。用于模具钢的氮化处理方法有盐浴氮化、气体（软）氮化和等离子氮化等方法。各种氮化方法的相同点是使氮原子以及碳原子从模具表面向模具内部渗入、扩散。但不同氮化方法处理后的模具表面粗糙度和表层生成物的量不同。

　　图1是各种氮化处理工件断面的微观组织。除了自由基氮化，其他各氮化层都有叫做“白层”的化合物层（铁氮化物和碳氮化物）和含有氮化物的扩散层。白层硬度大、化学稳定性好，对提高压铸模具的抗熔损性有效，但由于白层较脆，所以对疲劳强度和抗热裂性是不利因素。白层下面的扩散层通过氮化物析出硬化机制给钢基材增加硬度和附加压缩应力，提高了模具表层的耐磨性、抗热裂性和疲劳强度。产生白层的氮化方法对于形状尖锐的塑料成形模具和容易发生掉肉的冷作模具来说，白层的不利作用更大一些，所以，产生白层的氮化方法一般不用于塑料成形模具和冷作模具。

　　等离子氮化是利用电能促进氮化的方法。代表性的方法是等离子氮化和自由基氮化。这些氮化方法由于利用了电能，可以降低处理温度，在450～500℃就可以进行氮化处理。由于这个温度范围低于冷作模具钢的高温回火温度，所以，这些氮化方法可以在不影响钢基的硬度和尺寸形状的情况下进行氮化。自由基氮化不形成白层，只有扩散层，所以没有上述白层的不利影响，因此应用范围扩大，可用于过去不能进行氮化的模具。

　　等离子氮化是使工件表面发生辉光放电进行氮化的方法，所以工件的间隙和孔穴等表面难于发生放电的部位，氮化困难。这是等离子氮化的缺点。为克服这些缺点，最近开发出活性屏离子渗氮（ASPN）技术。等离子渗氮技术的进一步发展值得期待。

　　1.2热CVD（化学气相沉积）和TRD（热反应沉积扩散）

　　用于模具的CVD涂层方法有利用热能的热CVD法和利用电能成膜的等离子CVD（PCVD）法。

　　热CVD法的源物质是气态金属氯化物，TRD的源物质是金属熔盐。在1000℃左右的高温下源物质在模具表面析出碳化物陶瓷薄膜。TiC膜是热CVD法的代表性薄膜，VC膜是热TRD法的代表性薄膜。由于处理温度高，所以，薄膜成分和模具基体成分互相扩散，使薄膜具有很高的密着强度。因此热CVD和TRD适用于冷作模具，特别是冷锻模具的高面压滑动面的表面处理。此外，由于CVD和TRD是利用高温热化学反应的表面处理，所用原料是气态原料或液态原料，所以在被处理模具的间隙和孔穴等部位也可以形成均匀薄膜。这是CVD和TRD的一个优点。

　　CVD和TRD处理后的模具要进行淬火回火处理。因此被处理面的尺寸精度是淬火回火处理后的尺寸精度。这可以说是CVD和TRD处理的缺点。所以，在设计进行CVD和TRD表面处理的、要求高精度尺寸模具时，应考虑热处理对尺寸变化的影响。如果掌握了热处理尺寸变化的规律，CVD和TRD是使模具表面具有高强韧性涂层的低成本处理方法。

　　1.3PVD（物理气相沉积）和PCVD（等离子化学气相沉积）

　　用于模具的PVD主要是离子喷镀法。该方法与PCVD法一样，利用电能使涂层原料离子化，提高涂层原料的反应性，在模具钢高温回火温度下进行涂层成膜处理。离子喷镀PVD法的原料是熔融金属，PCVD法的原料是气态原料。所以，与等离子氮化一样，在等离子发生部位，可以均匀成膜。

　　由于PVD与PCVD的处理温度低于模具钢的高温回火温度，所以处理前后模具尺寸基本上没有变化。因此PVD与PCVD处理适用于要求高尺寸精度的模具。

　　近年来这些低温涂层技术有了很大进步。涂层薄膜的性能已经超过了过去装饰用的金色TiNTRD薄膜。

　　PVD性能提高是由于基材和薄膜界面净化技术开发和薄膜缺陷减少技术开发，提高了薄膜的抗剥离性。

　　在薄膜品种方面，冷作模具用PVD、PCVD薄膜主要是Ti、V、Cr的碳氮化物，温、热模具用PVD、PCVD薄膜主要是Al、Cr、Si的氮化物。此外，还开发出混合膜、积层膜、梯度膜等提高抗剥离性、抗氧化性、抗热裂性的新型涂层薄膜。

　　1.4复合表面处理

　　表面处理复合化可以使各种处理方法的优点叠加，提高处理效果。最近常用的复合表面处理是低温涂膜和氮化相结合的复合处理。目前表面处理厂家已经将这种复合表面处理形成一个表面处理工艺，进行商品化产品处理。PVD、PCVD的氮化白层是影响抗剥离性的物质，所以开发出自由基氮化等没有白层的氮化方法。

　　喷丸处理是将钢球或陶瓷颗粒高速喷射到工具钢表面，使工具钢表面产生微小塑性变形，对工具钢表面附加残余压缩应力的表面处理方法。喷丸处理方法正在向压铸模具推进。单一喷丸处理对模具水冷孔附加残余压缩应力，可以提高模具抗应力腐蚀能力。喷丸处理与氮化复合，由于产生更大的残余压缩应力，抑制了热裂纹的发生，提高了模具的使用寿命。

　　喷丸处理与PVD复合，使喷丸处理产生的微凹。具有储存润滑油的功能。

　　在各种表面处理方法中选择适宜的处理方法是十分重要的。处理层硬度和厚度试验、摩擦系数试验、磨损试验结果、划痕试验、氧化增量试验等实验室试验方法，在一定程度上反映了一个方面的涂层质量。但实际加工是处于各种因素交织在一起的复杂环境状况。因此上述试验方法常常不能获得符合实际作业情况的结果。

　　表面处理厂家开发出可以代表实际加工情况的表面处理涂层质量的试验方法，可为用户提供涂层质量信息。