模具是指在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的制件的工具。可以說(shuō)，沒(méi)有模具，就沒(méi)有現(xiàn)代工業(yè)，模具工業(yè)的發(fā)展水平是衡量整個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的關(guān)鍵指標(biāo)，故又被稱為“工業(yè)之母”。在電子、汽車、電機(jī)、電器、儀器、儀表、家電和通訊等產(chǎn)品中，60%~80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產(chǎn)制件所表現(xiàn)出來(lái)的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比擬的。舉個(gè)例子，最為常見(jiàn)的汽車上，由沖壓模具成形的汽車覆蓋件、注塑模具成形的汽車內(nèi)飾件、精密鍛造成形的各種發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)件等，無(wú)不展現(xiàn)著模具工業(yè)的精密與高效。
但是，傳統(tǒng)模具加工一般都在惡劣環(huán)境下進(jìn)行，交替變化的溫度、應(yīng)力條件使得模具易于發(fā)生各種疲勞損傷；并且，金屬塑性流動(dòng)時(shí)與模具型腔的劇烈摩擦使得模具磨損成為重要失效形式之一。因此，開發(fā)出新型高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度的模具材料一直備受關(guān)注。
早在上世紀(jì)90年代，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)將碳化硼陶瓷應(yīng)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，采用高純度、超細(xì)粒度碳化硼微粉為原料，經(jīng)高溫高壓壓制而成，硬度高、耐磨性好，可作為電纜行業(yè)拉制設(shè)備的主要耐磨元件，其壽命比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金提高三倍以上。
不過(guò)，陶瓷材料在擁有高硬度、耐高溫、不粘模等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，應(yīng)用的最大困難是陶瓷的脆性，作為脆性材料，其斷裂韌性低，幾乎不能承受拉應(yīng)力，這一缺點(diǎn)限制了其作為整體式模具的應(yīng)用。為了解決這個(gè)難題，陶瓷材料可以與金屬材料復(fù)合，在保證高硬度高耐磨性的同時(shí)，兼具金屬材料良好的塑性與韌性；還可以作為表面涂層材料，附著在傳統(tǒng)模具材料表面，形成“外硬內(nèi)韌”的模具。這兩種“取長(zhǎng)補(bǔ)短”的方法已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。
金屬陶瓷模具
2017年，江西省機(jī)械科學(xué)研究所的熊偉等公布了一種應(yīng)用熱擠壓工藝的金屬陶瓷模具。該研究通過(guò)在金屬陶瓷混料中，配入W、Ti等金屬碳化物，經(jīng)過(guò)干壓成型、冷等靜壓、無(wú)壓燒結(jié)、機(jī)械加工等工序，研制出新一代的W-Ti金屬陶瓷熱擠壓模，突破了以高合金鋼生產(chǎn)熱擠壓模的傳統(tǒng)技術(shù)。試驗(yàn)表明，W-Ti金屬陶瓷熱擠壓模的使用壽命是傳統(tǒng)合金鋼的7.5倍。
（小tip：擠壓工藝對(duì)模具的要求非常高，常見(jiàn)的擠壓力在2000MPa以上。因此對(duì)新型模具材料的研究，相關(guān)的文獻(xiàn)常常落在擠壓模具新材料的開發(fā)。最初鋼的大批量擠壓一直被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楸仨氂谐邚?qiáng)度的模具材料才能承受如此大的擠壓力，冷擠壓首次大批量生產(chǎn)鋼制零件是二戰(zhàn)時(shí)期，德國(guó)采用了新型合金工具鋼及磷化皂化技術(shù)才實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的擠壓是在室溫下進(jìn)行，近些年對(duì)一些高強(qiáng)度的材料，必須在高溫下進(jìn)行擠壓，這對(duì)模具材料提出更高要求）
除此之外，早期的研究一般采用熱壓燒結(jié)法制備金屬陶瓷，這是利用金屬顆粒增韌氧化鋁陶瓷模具，以克服陶瓷材料的脆性。除了氧化鋁陶瓷的增韌技術(shù)以外，中南大學(xué)聯(lián)合中國(guó)鋁業(yè)公司研制出利用金屬Ti增強(qiáng)氮化硅陶瓷的新型模具材料，并認(rèn)為氮化硅相較氧化鋁更為優(yōu)異的紅硬性、耐磨性及綜合力學(xué)性能，是制造熱擠壓模具最為理想的材料之一。
“外硬內(nèi)韌”的陶瓷涂層
陶瓷涂層相較于金屬陶瓷新型模具材料的研發(fā)，理論更加簡(jiǎn)單，實(shí)際操作成本更為低廉。目前的主要方法包括化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）和物理氣相沉積技術(shù)（PVD），其中后者應(yīng)用更為廣泛。PVD技術(shù)是在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電，使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生電離，利用電場(chǎng)的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上。
瑞士Hatebur公司是世界一流的模具設(shè)備供應(yīng)商，其率先將氮化鈦涂層通過(guò)PVD涂覆在冷擠壓模具的凸模上。（小tip：在擠壓工藝中，一般PVD法涂層的氮化鈦只能在450℃下使用，這個(gè)溫度是冷擠壓劇烈摩擦?xí)r，材料與模具界面已經(jīng)能達(dá)到的溫度；而要想用到溫?zé)釘D壓中，為了防止涂層的脫落，常采用CVD法，這樣工作溫度才能達(dá)到800℃以上。此外，采用碳化鈦的CVD法進(jìn)行涂層，工作溫度能達(dá)到950℃到1100℃）
2017年11月，在全國(guó)第三屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽上，西安交通大學(xué)“匠心云涂”項(xiàng)目榮獲金獎(jiǎng)，并被組委會(huì)認(rèn)為是最有價(jià)值的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，目前公司啟動(dòng)千萬(wàn)級(jí)Pre-A輪融資，擬出讓股份10%，主要用于代工廠投建和專業(yè)團(tuán)隊(duì)建設(shè)等。據(jù)悉，“匠心云涂”項(xiàng)目由西安交大85后博士生錢旦發(fā)起，目前依托自主研發(fā)的涂層技術(shù)、高校專家團(tuán)隊(duì)與研發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了包括氮化鈦、碳氮化鈦、氮化鉻、氮化鉻鋁在內(nèi)的多種陶瓷PVD涂層技術(shù)，替代了傳統(tǒng)電鍍金屬或合金的涂層方法，為模具穿上了“軟猬甲”。
小結(jié)
綜合而言，傳統(tǒng)模具鋼或硬質(zhì)合金模具材料的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但是在一些更為惡劣的工況下，性能與壽命面臨巨大挑戰(zhàn)。正如tip中所言，傳統(tǒng)冷擠壓技術(shù)目前正向溫?zé)釘D壓方向發(fā)展，在溫?zé)釘D壓工藝中，由于溫度較高，傳統(tǒng)材料的紅硬性差問(wèn)題愈發(fā)暴露，采用陶瓷材料涂層后的硬質(zhì)材料性能提升，壽命延長(zhǎng)，減少了頻繁更換模具的動(dòng)作，取得了更好的經(jīng)濟(jì)效益。與之相比，利用金屬顆粒增強(qiáng)的陶瓷材料在工業(yè)中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道，這主要是因?yàn)檎w式的金屬陶瓷模具價(jià)格仍非常昂貴，服役壽命預(yù)測(cè)僅局限在實(shí)驗(yàn)室中。不過(guò)，組合式凹模的發(fā)展，使得模具具有更加靈活的形式，對(duì)于需要面對(duì)高溫高壓力的模具工作部分，可以采用強(qiáng)化過(guò)的陶瓷材料，而剩余部分，仍采用價(jià)格相對(duì)低廉的傳統(tǒng)材料。此外，不銹鋼、耐熱合金鋼的需求推動(dòng)著熱成形技術(shù)的發(fā)展，面對(duì)變形抗力高、溫度高的加工環(huán)境，金屬陶瓷模具依然值得期待。