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?？梢哉f，沒有模具，就沒有現(xiàn)代工業(yè)，模具工業(yè)的發(fā)展水平是衡量整個國家制造業(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。舉個例子，最為常見的汽車上，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)動機(jī)傳動件等，無不展現(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，金屬塑性流動時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，陶瓷材料在擁有高硬度、耐高溫、不粘模等優(yōu)點(diǎn)的同時，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，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。該研究通過在金屬陶瓷混料中，配入W、Ti等金屬碳化物，經(jīng)過干壓成型、冷等靜壓、無壓燒結(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：擠壓工藝對模具的要求非常高，常見的擠壓力在2000MPa以上。因此對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)，因為必須有超高強(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)時期，德國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，近些年對一些高強(qiáng)度的材料，必須在高溫下進(jìn)行擠壓，這對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”項目榮獲金獎，并被組委會認(rèn)為是最有價值的創(chuàng)業(yè)項目，目前公司啟動千萬級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)隊建設(shè)等。據(jù)悉，“匠心云涂”項目由西安交大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)隊與研發(fā)平臺，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，減少了頻繁更換模具的動作，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)用卻鮮有報道，這主要是因為整體式的金屬陶瓷模具價格仍非常昂貴，服役壽命預(yù)測僅局限在實(shí)驗室中。不過，組合式凹模的發(fā)展，使得模具具有更加靈活的形式，對于需要面對高溫高壓力的模具工作部分，可以采用強(qiáng)化過的陶瓷材料，而剩余部分，仍采用價格相對低廉的傳統(tǒng)材料。此外，不銹鋼、耐熱合金鋼的需求推動著熱成形技術(shù)的發(fā)展，面對變形抗力高、溫度高的加工環(huán)境，金屬陶瓷模具依然值得期待。