第十章模具表面強化技術(shù)

1、第十章第十章 模具表面強化技術(shù)模具表面強化技術(shù) 目的目的：通過對模具表面進行處理，改變表層化學(xué)成分和組通過對模具表面進行處理，改變表層化學(xué)成分和組織，以提高模具表面的耐磨性、抗粘附性、疲勞抗力和耐蝕性織，以提高模具表面的耐磨性、抗粘附性、疲勞抗力和耐蝕性等。等。常用的是化學(xué)熱處理和表面覆層技術(shù)。常用的是化學(xué)熱處理和表面覆層技術(shù)。表表1 模具表面處理技術(shù)的作用及應(yīng)用模具表面處理技術(shù)的作用及應(yīng)用處理工藝處理工藝作用作用應(yīng)用應(yīng)用滲碳滲碳提高硬度提高硬度(5256HRC)、耐磨性、耐疲勞性、耐磨性、耐疲勞性擠壓模、穿孔工具等擠壓模、穿孔工具等滲氮滲氮提高硬度、耐磨性、抗粘附性、熱硬性、耐疲勞性、提高硬

2、度、耐磨性、抗粘附性、熱硬性、耐疲勞性、抗蝕性抗蝕性(但周期長，表面有白色脆化層但周期長，表面有白色脆化層)擠壓模、冷擠模等擠壓模、冷擠模等離子滲碳離子滲碳可消除表面白色的脆化層，耐磨性、耐疲勞性和變形可消除表面白色的脆化層，耐磨性、耐疲勞性和變形均優(yōu)于氮化均優(yōu)于氮化擠壓模、擠壓工具等擠壓模、擠壓工具等碳氮共滲碳氮共滲相比滲碳和滲氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲勞相比滲碳和滲氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲勞性、熱硬性、熱強性，生產(chǎn)周期短性、熱硬性、熱強性，生產(chǎn)周期短成型模、冷擠模、熱擠模和模成型模、冷擠模、熱擠模和模架等架等氮碳共滲氮碳共滲提高硬度、耐磨性、抗粘附性、抗蝕性、耐熱疲勞性提高硬

3、度、耐磨性、抗粘附性、抗蝕性、耐熱疲勞性冷擠模、拉深模、擠壓模穿孔冷擠模、拉深模、擠壓模穿孔針針滲硼滲硼具有極好的表面硬度、耐磨性、抗粘附性、抗氧化性、具有極好的表面硬度、耐磨性、抗粘附性、抗氧化性、熱硬性、良好的抗蝕性熱硬性、良好的抗蝕性擠壓模、拉深模擠壓模、拉深模碳氮硼三元共滲碳氮硼三元共滲提高硬度、強度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性提高硬度、強度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性擠壓模、沖頭針尖擠壓模、沖頭針尖鹽浴覆層鹽浴覆層(TD處理處理)提高硬度、耐磨性、耐熱疲勞性、抗蝕性、抗粘附性、提高硬度、耐磨性、耐熱疲勞性、抗蝕性、抗粘附性、抗氧化性抗氧化性擠壓模擠壓模滲鉻滲鉻提高硬度、耐磨性、抗蝕性、抗

4、粘附性、抗氧化性提高硬度、耐磨性、抗蝕性、抗粘附性、抗氧化性擠壓模、拉深模擠壓模、拉深模鍍硬鉻鍍硬鉻降低表面粗糙度，提高表面硬度、耐疲勞性、抗蝕性降低表面粗糙度，提高表面硬度、耐疲勞性、抗蝕性擠壓模、拉深模等擠壓模、拉深模等鈷基合金堆焊鈷基合金堆焊提高硬度、耐磨性、熱硬性提高硬度、耐磨性、熱硬性擠壓模沖頭、芯桿針尖擠壓模沖頭、芯桿針尖電火花表面強化電火花表面強化提高硬度、強度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性提高硬度、強度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性冷、熱擠壓模等冷、熱擠壓模等噴丸處理噴丸處理提高硬度、強度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性提高硬度、強度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性熱擠壓模、沖頭針尖熱擠壓模、沖頭

5、針尖一、滲碳一、滲碳(一一)氣體滲碳?xì)怏w滲碳 氣體滲碳是將工件置于密閉的滲碳爐中加熱到氣體滲碳是將工件置于密閉的滲碳爐中加熱到900950(常用常用930)，通入滲碳?xì)怏w，通入滲碳?xì)怏w(如煤如煤氣、石油液化氣和丙烷等氣、石油液化氣和丙烷等)或易分解的有機液體或易分解的有機液體(如如煤油、甲苯和甲醇等煤油、甲苯和甲醇等)，在高溫下通過反應(yīng)分解出活，在高溫下通過反應(yīng)分解出活性碳原子，活性碳原子滲入工件表面的高溫奧氏體性碳原子，活性碳原子滲入工件表面的高溫奧氏體中，并通過擴散形成一定厚度的滲碳層。中，并通過擴散形成一定厚度的滲碳層。一、滲碳一、滲碳(二二)固體滲碳固體滲碳滴注式氣體滲碳爐工作示意滴注

6、式氣體滲碳爐工作示意固體滲碳裝箱示意固體滲碳裝箱示意二、滲氮二、滲氮(氮化氮化) 滲氮也稱為氮化，是指在一定溫度下使活性氮原滲氮也稱為氮化，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的表面化學(xué)熱處理工藝。子滲入工件表面的表面化學(xué)熱處理工藝。二、滲氮二、滲氮(氮化氮化)氣體滲氮氣體滲氮離子滲氮離子滲氮真空滲氮真空滲氮氮碳共滲氮碳共滲電解催滲滲氮電解催滲滲氮常常用用的的滲滲氮氮方方法法二、滲氮二、滲氮(氮化氮化)(一一)氣體滲氮氣體滲氮(1) 經(jīng)過滲氮后鋼表面形成一層極硬的合金氮化物，滲氮層的硬經(jīng)過滲氮后鋼表面形成一層極硬的合金氮化物，滲氮層的硬度一般可達到度一般可達到6872HRC，不需要再經(jīng)過淬

7、火便具有很高的表，不需要再經(jīng)過淬火便具有很高的表面硬度和耐磨層，而且還可以保持到面硬度和耐磨層，而且還可以保持到600650而不明顯下降而不明顯下降。(2) 滲氮后鋼的疲勞極限可提高滲氮后鋼的疲勞極限可提高15%35%。這是由于滲氮。這是由于滲氮層的體積增大，使工件表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。層的體積增大，使工件表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。(3) 滲氮后的鋼具有很高的抗腐蝕能力。滲氮后的鋼具有很高的抗腐蝕能力。(4) 滲氮處理后，工件的變形很小，適合精密模具的表面強化。滲氮處理后，工件的變形很小，適合精密模具的表面強化。二、滲氮二、滲氮(氮化氮化)(一一)氣體滲氮氣體滲氮表表2 部分模具鋼的氣體滲氮工藝規(guī)

8、范部分模具鋼的氣體滲氮工藝規(guī)范牌號牌號處理處理方法方法滲氮工藝規(guī)范滲氮工藝規(guī)范滲氮層滲氮層深度深度/mm表面硬度表面硬度階段階段滲氮溫度滲氮溫度/時間時間/h氨分解率氨分解率/%30CrMnSiA一段一段500 05253020300.20.358HRCCr12MoV 二段二段4805301825142736600.2720860HV40Cr一段一段4902415350.20.3600HV二段二段4801050010201520203050600.30.5600HV4Cr5MoV1Si一段一段5305501230600.150.2760800HV二、滲氮二、滲氮(氮化氮化)(二二)離子滲氮離子

9、滲氮離子滲氮有如下特點：離子滲氮有如下特點：(1) 滲氮速度快，生產(chǎn)周期短。滲氮速度快，生產(chǎn)周期短。(2) 滲氮層質(zhì)量高。滲氮層質(zhì)量高。(3) 工件的變形小。工件的變形小。(4) 對材料的適應(yīng)性強。對材料的適應(yīng)性強。二、滲氮二、滲氮(氮化氮化)(二二)離子滲氮離子滲氮表表3 部分模具鋼的離子滲氮工藝與使用效果部分模具鋼的離子滲氮工藝與使用效果模具名稱模具名稱模具材料模具材料離子滲氮工藝離子滲氮工藝使用效果使用效果沖頭沖頭W18Cr4V500，6h提高提高24倍倍鋁壓鑄模鋁壓鑄模3Cr2W8V500，6h提高提高13倍倍熱鍛模熱鍛模5CrMnMo480，6h提高提高3倍倍冷擠壓模冷擠壓模W6Mo

10、5Cr4V2500，2h提高提高1.5倍倍壓延模壓延模Cr12MoV500，2h提高提高5倍倍三、滲硫三、滲硫氣體滲硫氣體滲硫熔鹽滲硫熔鹽滲硫滲硫滲硫方法方法可按可按介質(zhì)介質(zhì)的物的物理狀理狀態(tài)態(tài)四、碳氮共滲與氮碳共滲四、碳氮共滲與氮碳共滲根據(jù)使用介質(zhì)根據(jù)使用介質(zhì)物理狀況不同物理狀況不同固體碳氮共滲固體碳氮共滲氣體碳氮共滲氣體碳氮共滲液體碳氮共滲液體碳氮共滲(一一)碳氮共滲碳氮共滲四、碳氮共滲與氮碳共滲四、碳氮共滲與氮碳共滲根據(jù)共滲溫度根據(jù)共滲溫度的不同的不同高溫高溫(900950)中溫中溫(700880)低溫低溫(500600)(一一)碳氮共滲碳氮共滲四、碳氮共滲與氮碳共滲四、碳氮共滲與氮碳共

11、滲氣體碳氮共滲的特點如下：氣體碳氮共滲的特點如下：(1) 共滲層的力學(xué)性能綜合了滲碳和滲氮的優(yōu)點。共滲層的力學(xué)性能綜合了滲碳和滲氮的優(yōu)點。(2) 碳氮共滲使共滲層的奧氏體相溫度降低。碳氮共滲使共滲層的奧氏體相溫度降低。(3) 氮的滲入使共滲層的奧氏體的穩(wěn)定性提高，滲層的氮的滲入使共滲層的奧氏體的穩(wěn)定性提高，滲層的淬火性提高，這樣共滲后除可以用冷卻速度較緩慢的介淬火性提高，這樣共滲后除可以用冷卻速度較緩慢的介質(zhì)進行淬火而減少變形外，還可以用較便宜的碳素鋼代質(zhì)進行淬火而減少變形外，還可以用較便宜的碳素鋼代替低合金鋼制造某些模具。替低合金鋼制造某些模具。(4) 氣體碳氮共滲的速度大于單獨滲碳或滲氮的

12、速度，氣體碳氮共滲的速度大于單獨滲碳或滲氮的速度，縮短了生產(chǎn)周期?？s短了生產(chǎn)周期。四、碳氮共滲與氮碳共滲四、碳氮共滲與氮碳共滲(二二)氮碳共滲氮碳共滲(1) 滲入溫度低，時間短，工件變形小。滲入溫度低，時間短，工件變形小。(2) 不受鋼種限制，碳鋼、低碳合金鋼、工具鋼及不銹不受鋼種限制，碳鋼、低碳合金鋼、工具鋼及不銹鋼等材料均可進行低溫氣體氮碳共滲。鋼等材料均可進行低溫氣體氮碳共滲。(3) 能顯著提高工件的疲勞極限、耐磨性和耐蝕性。能顯著提高工件的疲勞極限、耐磨性和耐蝕性。(4) 共滲層硬而具有一定的韌性，不易剝落。共滲層硬而具有一定的韌性，不易剝落。氣體氮碳共滲所用的溫度常采用氣體氮碳共滲所

13、用的溫度常采用560570，時間為，時間為23h。與氣體滲氮相比，低溫氣體氮碳共滲的特點有：。與氣體滲氮相比，低溫氣體氮碳共滲的特點有：五、滲硼五、滲硼滲硼的特點如下：滲硼的特點如下：(1) 滲硼層的硬滲硼層的硬度很高。度很高。(3) 熱硬性高。熱硬性高。(2) 耐蝕性高。耐蝕性高。(4) 耐熱性高。耐熱性高。五、滲硼五、滲硼滲硼的特點如下：滲硼的特點如下：滲硼的方法滲硼的方法液體滲硼液體滲硼氣體滲硼氣體滲硼固體滲硼固體滲硼五、滲硼五、滲硼表表4 部分模具滲硼的強化效果部分模具滲硼的強化效果模具名稱模具名稱鋼號鋼號淬火、回火態(tài)壽命淬火、回火態(tài)壽命滲硼態(tài)壽命滲硼態(tài)壽命冷沖裁模冷沖裁模CrWMn0

14、.5萬件萬件1萬件萬件熱擠壓模熱擠壓模30Cr3W5V100h261h熱鍛模熱鍛模5CrNiMo0.5萬件萬件1萬件萬件熱鍛用沖頭熱鍛用沖頭55 Ni2CrMnMo 100h240h連桿熱成型模連桿熱成型模5CrMnMo2萬件萬件6萬件萬件冷鐓六方螺母凹模冷鐓六方螺母凹模Cr12MoV0.5萬件萬件6萬件萬件冷軋頂頭凸模冷軋頂頭凸模65Mn0.4萬件萬件2萬件萬件六、滲金屬六、滲金屬滲鉻滲鉻滲釩及滲釩及TD法滲釩法滲釩滲鈮滲鈮一、電鍍一、電鍍圖圖6-3 電鍍裝置示意圖電鍍裝置示意圖一、電鍍一、電鍍電鍍基本工藝可以用流程表示為：磨光電鍍基本工藝可以用流程表示為：磨光拋光拋光脫脂脫脂水洗水洗去銹去

15、銹水洗水洗電鍍電鍍酸洗酸洗堿堿洗洗清洗清洗出槽。出槽。二、電刷鍍二、電刷鍍圖圖6-4 電刷鍍工作原理示意圖電刷鍍工作原理示意圖二、電刷鍍二、電刷鍍電刷鍍具有以下特點：電刷鍍具有以下特點：(1) 鍍層質(zhì)量高。鍍層質(zhì)量高。(2) 不受鍍件、模具形狀和大小的限制，設(shè)備不受鍍件、模具形狀和大小的限制，設(shè)備簡單，工藝靈活，操作方便，可在現(xiàn)場作業(yè)。簡單，工藝靈活，操作方便，可在現(xiàn)場作業(yè)。(3) 可以進行槽鍍困難或?qū)崿F(xiàn)不了的局部電鍍。可以進行槽鍍困難或?qū)崿F(xiàn)不了的局部電鍍。(5) 操作安全，對環(huán)境污染小。操作安全，對環(huán)境污染小。(4) 沉積速度快，生產(chǎn)率高。沉積速度快，生產(chǎn)率高。三、化學(xué)鍍?nèi)?、化學(xué)鍍 化學(xué)鍍是

16、利用合適的還原劑，使溶液中的金屬化學(xué)鍍是利用合適的還原劑，使溶液中的金屬離子在經(jīng)催化的表面上還原出金屬鍍層化學(xué)方法。離子在經(jīng)催化的表面上還原出金屬鍍層化學(xué)方法。四、熱浸鍍四、熱浸鍍 熱浸鍍簡稱熱鍍，是將基體金屬浸在熔融狀態(tài)的另一種熱浸鍍簡稱熱鍍，是將基體金屬浸在熔融狀態(tài)的另一種低熔點金屬中，在其金屬表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，低熔點金屬中，在其金屬表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，形成一層保護膜的方法。形成一層保護膜的方法。四、熱浸鍍四、熱浸鍍保護氣法保護氣法溶劑法溶劑法根據(jù)根據(jù)熱浸熱浸鍍前鍍前處理處理的方的方法不法不同同四、熱浸鍍四、熱浸鍍 熱浸鍍工藝分鍍前表面處理、助鍍處理、熱浸熱浸鍍工藝分

17、鍍前表面處理、助鍍處理、熱浸鍍和鍍后處理鍍和鍍后處理4個基本工藝階段，主要工藝流程為：個基本工藝階段，主要工藝流程為：預(yù)鍍件堿洗預(yù)鍍件堿洗酸洗酸洗水洗水洗稀鹽酸處理稀鹽酸處理水洗水洗溶劑溶劑處理處理烘干烘干熱浸鍍熱浸鍍鍍后處理。其中，溶劑處理是鍍后處理。其中，溶劑處理是該工藝的重要環(huán)節(jié)，是提高鍍層質(zhì)量、防止漏鍍的關(guān)該工藝的重要環(huán)節(jié)，是提高鍍層質(zhì)量、防止漏鍍的關(guān)鍵。鍵。一、熱噴涂一、熱噴涂熱噴涂工藝過程熱噴涂工藝過程噴后處理噴后處理噴涂噴涂噴涂前預(yù)處理噴涂前預(yù)處理一、熱噴涂一、熱噴涂電熱法電熱法燃?xì)夥ㄈ細(xì)夥ǜ鶕?jù)根據(jù)所用所用熱源熱源的不的不同來同來分類分類激光熱源法激光熱源法氣體放電法氣體放電法一

18、、熱噴涂一、熱噴涂熱噴涂技術(shù)具有如下特點：熱噴涂技術(shù)具有如下特點：方法多樣。方法多樣。可噴涂材料極為廣泛。可噴涂材料極為廣泛。涂層廣泛。涂層廣泛。工件不受限制。工件不受限制。一、熱噴涂一、熱噴涂熱噴涂技術(shù)具有如下特點：熱噴涂技術(shù)具有如下特點：涂層厚度可以控制。涂層厚度可以控制。工藝簡便且不受工件限制。工藝簡便且不受工件限制。二、激光表面處理二、激光表面處理激光表面處理的特點有：激光表面處理的特點有：(2) 能量利用率高，加熱極為迅速并靠自激冷冷卻。能量利用率高，加熱極為迅速并靠自激冷冷卻。(1) 能量集中，可對工件表面實行選擇性處理。能量集中，可對工件表面實行選擇性處理。二、激光表面處理二、激

19、光表面處理激光表面處理的特點有：激光表面處理的特點有：(4) 利用高能束可以對材料的表面實現(xiàn)相變硬化、微晶化、利用高能束可以對材料的表面實現(xiàn)相變硬化、微晶化、沖擊加熱硬化、覆層鍍層合金化等多種表面改性處理，可產(chǎn)沖擊加熱硬化、覆層鍍層合金化等多種表面改性處理，可產(chǎn)生用其他表面加熱處理淬火強化難以達到的表面成分、組織、生用其他表面加熱處理淬火強化難以達到的表面成分、組織、性能的改變。性能的改變。(3) 畸變極小，可大大減少后續(xù)加工工時?；儤O小，可大大減少后續(xù)加工工時。二、激光表面處理二、激光表面處理圖圖6-5 6-5 激光表面處理裝置示意圖激光表面處理裝置示意圖三、離子注入三、離子注入圖圖6-6

20、 6-6 離子注入裝置示意圖離子注入裝置示意圖三、離子注入三、離子注入(1) 離子注入是一個非熱平衡過程，注入離子的能量很離子注入是一個非熱平衡過程，注入離子的能量很高，可以高出熱平衡能量的高，可以高出熱平衡能量的23個數(shù)量級。原則上，元個數(shù)量級。原則上，元素周期表上的任何元素都可注入任何基體材料。素周期表上的任何元素都可注入任何基體材料。(2) 注入元素的種類、能量、劑量均可選擇，用這種方注入元素的種類、能量、劑量均可選擇，用這種方法形成的表面合金，不受擴散和溶解度的經(jīng)典熱力學(xué)參法形成的表面合金，不受擴散和溶解度的經(jīng)典熱力學(xué)參數(shù)的限制，即可得到用其他方法得不到的新合金。數(shù)的限制，即可得到用其

21、他方法得不到的新合金。離子注入技術(shù)與氣相沉積、等離子噴涂、電子束和激離子注入技術(shù)與氣相沉積、等離子噴涂、電子束和激光束熱處理等表面處理工藝不同，其主要特點是：光束熱處理等表面處理工藝不同，其主要特點是：三、離子注入三、離子注入(3) 離子注入層相對于基體材料沒有邊緣清晰的界面，離子注入層相對于基體材料沒有邊緣清晰的界面，因此表面不存在粘附破裂或剝落的問題，與基體結(jié)合牢因此表面不存在粘附破裂或剝落的問題，與基體結(jié)合牢固。固。(4) 離子注入控制電參量，故易于精確控制注入離子的離子注入控制電參量，故易于精確控制注入離子的密度分布，濃度分布可以通過改變注入能量加以控制。密度分布，濃度分布可以通過改變

22、注入能量加以控制。三、離子注入三、離子注入(5) 離子注入一般是在常溫真空中進行，加工后的工件離子注入一般是在常溫真空中進行，加工后的工件表面無形變，無氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，表面無形變，無氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特別適于高精密部件的最后工序。特別適于高精密部件的最后工序。(6) 可有選擇地改變基體材料的表面能量，并在表面內(nèi)可有選擇地改變基體材料的表面能量，并在表面內(nèi)形成壓應(yīng)力。形成壓應(yīng)力。四、氣相沉積四、氣相沉積物理氣相沉積物理氣相沉積(PVD)化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD)按按照照過過程程的的本本質(zhì)質(zhì)四、氣相沉積四、氣相沉積(1) 涂層具有很高的硬度涂層具有

23、很高的硬度(TiC為為3 2004 100HV，TiN為為2 450HV)、低的摩擦系數(shù)和自潤滑性能，所以、低的摩擦系數(shù)和自潤滑性能，所以抗磨損性能良好。抗磨損性能良好。(2) 涂層具有很高的熔點涂層具有很高的熔點(TiC為為3160，TiN為為2 950)，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有很好的抗粘著磨損能，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有很好的抗粘著磨損能力，發(fā)生冷焊和咬合的傾向很小。力，發(fā)生冷焊和咬合的傾向很小。(3) 涂層具有較強的抗腐蝕能力。涂層具有較強的抗腐蝕能力。(4) 涂層在高溫下也具有良好的抗氧化能力。涂層在高溫下也具有良好的抗氧化能力。四、氣相沉積四、氣相沉積(一一)化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(2) 吸

24、附于工件表面的各種物質(zhì)發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)。吸附于工件表面的各種物質(zhì)發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)。(1) 反應(yīng)氣體向工件表面擴散并被吸附。反應(yīng)氣體向工件表面擴散并被吸附。(3) 生成物質(zhì)點聚集成晶核并增大。生成物質(zhì)點聚集成晶核并增大。四、氣相沉積四、氣相沉積(一一)化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(5) 沉積層與基體的界面發(fā)生元素的互擴散，形成鍍層。沉積層與基體的界面發(fā)生元素的互擴散，形成鍍層。(4) 表面化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物脫離工件表面返回氣相表面化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物脫離工件表面返回氣相。四、氣相沉積四、氣相沉積(二二)物理氣相沉積物理氣相沉積物理氣相沉積物理氣相沉積(簡稱簡稱PVD)是將金屬、合金或化合是將金屬、合金或化合物放在真空室中蒸發(fā)物放在真空室中蒸發(fā)(或稱濺射或稱濺射)，使這些氣相原，使這些氣相原子或分子在一定條件下沉積在工件表面上的工藝。子或分子在一定條件下沉積在工件表面上的工藝。四、氣相沉積四、氣相沉積(二二