模具表面强化处理技术

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　　摘要：模具热处理不当是造成模具失效的重要原因之一，本文研究了目前模具表面强化处理的一些新工艺，分析了低温化学热处理、气相沉积、激光热处理以及稀土元素表面强化等新工艺的模具表面强化特点，为使用表面强化技术提高模具使用寿命提供参考。 关键词：模具；表面强化处理；工艺；寿命
* H6 R4 O1 o: m. i7 p( I　　模具是各工业部门的重要工艺装备，它的使用性能，特别是使用寿命反映了一个国家的工业水平，并直接影响到产品的更新换代和在国际市场上的竞争能力。因此，各国都非常重视模具工业的发展和模具寿命的提高工作。目前，我国模具的寿命还不高，模具消耗量很大，因此，提高我国的模具寿命是一个十分迫切的任务。模具热处理对使用寿命影响很大。我们经常接触到的模具损坏多半是热处理不当而引起。据统计，模具由于热处理不当，而造成模具失效的占总失效率的50%以上，所以国外模具的热处理，愈来愈多地使用真空炉、半真空炉和无氧化保护气氛炉。模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理。基体强韧化在于提高基体的强度和韧性，减少断裂和变形，故它的常规热处理必须严格按工艺进行。表面强化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。表面强化处理方法很多，主要有渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、氮碳共渗、渗金属等。采用不同的表面强化处理工艺，可使模具使用寿命提高几倍甚至于几十倍，近几年又出现了一些新的表面强化工艺，本文着重四个方面叙述如下，供同行参考。
" D2 o* f7 `; g' u3 w　　一、低温化学热处理
6 ~; V8 w$ ?6 |' m　　1.离子渗氮
2 Q* K* U& L1 j' o- I, g　　为了提高模具的抗蚀性、耐磨性、抗热疲劳和防粘附性能，可采用离子渗氮。离子渗氮的突出优点是显著地缩短了渗氮时间，可通过不同气体组份调节控制渗层组织，降低了渗氮层的表面脆性，变形小，渗层硬度分布曲线较平稳，不易产生剥落和热疲劳。可渗的基体材料比气体渗氮广，无毒，不会爆炸，生产安全，但对形状复杂模具，难以获得均匀的加热和均匀的渗层，且渗层较浅，过渡层较陡，温度测定及温度均匀性仍有待于解决。
8 h( l7 Q, A; d: g# f　　离子渗氮温度以450～520℃为宜，经处理6～9h后，渗氮层深约0.2～0.3mm。温度过低，渗层太薄；温度过高，则表层易出现疏松层，降低抗粘模能力。离子渗氮其渗层厚度以0.2～0.3mm为宜。磨损后的离子渗氮模具，经修复和再次离子渗氮后，可重新投入使用，从而可大大地提高模具的总使用寿命。
. v% M( o5 B. O$ \0 W9 r　　2.氮碳共渗
8 z5 `4 a4 D. R! l/ s$ V　　氮碳共渗工艺温度较低(560～570℃)，变形量小，经处理的模具钢表面硬度高达900～1000HV，耐磨性好，耐蚀性强，有较高的高温硬度，可用于压铸模、冷镦模、冷挤模、热挤模、高速锻模及塑料模，分别可提高使用寿命1～9倍。但气体氮碳共渗后常发生变形，膨胀量占化合物厚度的25%左右，不宜用于精密模具。处理前必经去应力退火和消除残余应力。
. f9 q( R7 Z% U6 {8 a3 \; @7 q5 }　　例如：Cr12MoV钢制钢板弹簧孔冲孔凹模，经气体氮碳共渗和盐浴渗钒处理后，可使模具寿命提高3倍。又如：60Si2钢制冷镦螺钉冲头，采用预先渗氮、短时碳氮共渗、直接淬油、低温淬火及较高温度回火处理工艺，可改善心部韧性，提高冷镦冲头寿命2倍以上。碳氮共渗工艺如图1所示。
　　3.碳氮硼三元共渗
　　三元共渗可在渗氮炉中进行，渗剂为含硼有机渗剂和氨，其比例为1∶7，共渗温度为600℃，共渗时间4h，共渗层化合物层厚3～4μm，扩散层深度为0.23mm，表面硬度为HV011050。经共渗处理后模具的寿命显著提高。
0 q  I1 a: y, R　　例如：3Cr2W8V钢热挤压成形模，按图2所示工艺处理后，再经离子碳、氮、硼三元共渗处理，可使模具的使用寿命提高4倍以上。
- {. z& |1 N' m8 q8 {- s7 r/ H2 q, Z　　二、气相沉积
　　气相沉积技术是一种获得薄膜(膜厚0.1～5μm)的技术。即在真空中产生待沉积的材料蒸汽，该蒸汽冷凝于基体上形成所需的膜。该项技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、物理化学气相沉积(PCVD)。它是在钢、镍、钴基等合金及硬质合金表面建立碳化物等覆盖层的现代方法，覆盖层有碳化物、氮化物、硼化物和复合型化合物等。
# ~3 |2 L. Y+ t5 L　　1.物理气相沉积
　　物理气相沉积技术，由于处理温度低，热畸变小，无公害，容易获得超硬层，涂层均匀等特点，应用于精密模具表面强化处理，显示出良好的应用效果。采用PVD处理获得的TiN层可保证将塑料模的使用寿命提高3～9倍，金属压力加工工具寿命提高3～59倍。螺钉头部凸模采用TiN层寿命不长，易发生脱落现象。
　　2.化学气相沉积
　　化学气相沉积技术，沉积物由引入高温沉积区的气体离解所产生。CVD处理的模具形状不受任何限制。CVD可以在含碳量大于0.8%的工具钢、渗碳钢、高速钢、轴承钢、铸铁以及硬质合金等表面上进行。气相沉积TiC、TiN能应用于挤压模、落料模和弯曲模，也适用于粉末成型模和塑料模等。在金属模具上涂覆TiC、TiN覆层的工艺，其覆层硬度高达3000HV，且耐磨性好、抗摩擦性能提高、冲模的使用寿命可提高1～4倍。
+ Y& ^& v  T$ Y9 X, u" ~5 v6 ~　　3.物理化学气相沉积
' }3 u, c+ R; ~1 e# u　　由于CVD处理温度较高，气氛中含氯化氢多，如处理不当，易污染大气。为克服上述缺点，用氩气作载体，发展中温CVD法，处理温度750～850℃即可。此法在耐磨性、耐蚀性方面不亚于高温CVD法。PCVD兼具CVD与PVD技术的特点，但要求精确监控，保证工艺参数稳定。
1 q+ u  ]& l3 t! h1 ]　　三、激光热处理
2 w! e2 [2 K) b+ W6 E- g　　近几年来，激光热处理技术在汽车工业、工模具工业中得到了广泛的应用。它改善金属材料的耐蚀性，特别是在工模具工业中，经激光热处理的工模具的组织性能比常规热处理有很大的改善。
5 |: o% K4 j7 j4 G5 D' n　　1.激光淬火
) E: ]# ^& v4 l' Z: x( T( z　　由于激光处理时的冷速极快，因而可使奥氏体晶粒内部形成的亚结构在冷却时来不及回复及再结晶，从而可获得超细的隐针马氏体结构，可显著提高强韧性，延长模具使用寿命。现用于激光淬火的模具材料有CrWMn、Cr12MoV、9CrSi、T10A、W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、GCr15等。这些钢种经激光淬火后，其组织性能均得到很大的改善。例如，GCr15冲孔模，把其硬度由HRC58～62降至HRC45～50，并用激光进行强化处理，白亮层硬度为HV849，基体硬度为HV490，硬化层深度为0.37mm，模具使用寿命提高2倍以上。又如，CrWMn钢加热时易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳化物，显著增加脆性，降低冲击韧性，耐磨性也不能满足要求。采用激光淬火可获细马氏体和弥散分布的碳化物颗粒，消除了网状。在淬火回火态下激光淬火可获得最大硬化层深度及最高硬度HV1017.2。
  @: j2 u5 z8 @6 c, N0 o, n　　2.激光熔凝硬化
- I. |0 y  \' x" x( g+ x6 [　　用高能激光照射工件表面，被照射区将以极高的速率熔化，一旦光源消除，熔区依靠金属基体自身冷却，冷却速度极快。5CrNiMo渗硼层在激光熔凝处理后，与原始渗硼层相比，强化层深度增加，强化层硬度趋于平缓，渗硼层的脆性得到改善。
　　3.激光合金化
' _& o8 U2 Y$ ^3 B) T( v1 f, A) y　　激光表面合金化的合金元素为W、Ti、Ni、Cr等，以Ni、Cr为合金元素时，合金化层组织为以奥氏体为基体的胞状树枝晶，以Ti作为激光表面合金化元素时，具有组织变质作用，能使合金化层的网状碳化物变为继续网状或离散分布的碳化物。例如，T10A以Cr为激光表面合金化元素时，合金化层硬度可达HV900～1000。又如，CrWMn复合粉末激光合金化，可获得综合技术指标优良的合金层，经测定，体积磨损量为淬火CrWMn的1/10，其使用寿命提高14倍。
　　四、稀土元素表面强化
. t8 b; n$ N8 A+ A7 S! w  I　　在模具表面强化中，稀土元素的加入对改善钢的表层组织结构、物理、化学及机械性能都有极大影响。稀土元素具有提高渗速(渗速可提高25%～30%，处理时间可缩短1/3以上)，强化表面(稀土元素具有微合金化作用，能改善表层组织结构，强化模具表面)，净化表面(稀土元素与钢中P、S、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔点有害杂质发生作用，形成高熔点化合物，同时抑制这些杂质元素在晶界上的偏聚，降低渗层的脆性)等多种功能。
　　1.稀土碳共渗
! Q8 ~" d" `! V; ~# l* j0 H3 \　　RE-C共渗可使渗碳温度由920～930℃降低至860～880℃，减少模具变形及防止奥氏体晶粒长大；渗速可提高25～30%(渗碳时间缩短1～2h)；改善渗层脆性，使冲击断口裂纹形成能量和裂纹扩展能量提高约30%。
　　2.稀土碳氮共渗
　　RE-C-N共渗可提高渗速25%～32%，提高渗层显微硬度及有效硬化层深度；使模具的耐磨性及疲劳极限分别提高1倍及12%以上；模具耐蚀性提高15%以上。RE-C-N共渗处理用于5CrMnMo钢制热锻模，其寿命提高1倍以上。
　　3.稀土硼共渗
　　RE-B共渗的耐磨性较单一渗硼提高1.5～2倍，与常规淬火态相比提高3～4倍，而韧性则较单一渗硼提高6～7倍；可使渗硼温度降低100℃～150℃，处理时间缩短一半左右。采用RE-B共渗可使Cr12钢制拉深模寿命提高5～10倍，冲模寿命提高几倍至数十倍。
  X; K6 }4 g0 J! k　　4.稀土硼铝共渗
8 K! P2 U, K3 m3 f  c- \　　RE-B-AI共渗所得共渗层，具有渗层较薄、硬度很高的特点，铝铁硼化合物具有较高的热硬性和抗高温氧化能力。H13钢稀土硼铝共渗渗层致密，硬度高(HV011900～2000)，相组成为d值发生变化(偏离标准值)的FeB和Fe2B相。经稀土硼铝共渗后，铝挤压模使用寿命提高2～3倍，铝材表面质量提高1～2级。
　　模具表面强化处理的方法还有很多，我们要结合各种模具的工作条件及其使用的经济性等因素综合考虑。因为通过扩散、浸渗、涂覆、溅射、硬化等方法，改变表面层的成份和组织，就可使零件具有内部韧、表面硬、耐磨、耐热、耐蚀、抗疲劳、抗粘结的优异性能，可几倍乃至几十倍地提高模具使用寿命
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