模具表面強化處理技術(shù)

摘要：模具熱處理不當(dāng)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強化處理的一些新工藝，分析了低溫化學(xué)熱處理、氣相沉積、激光熱處理以及稀土元素表面強化等新工藝的模具表面強化特點，為使用表面強化技術(shù)提高模具使用壽命提供參考。 
關(guān)鍵詞：模具；表面強化處理；工藝；壽命 

模具是各工業(yè)部門的重要工藝裝備，它的使用性能，特別是使用壽命反映了一個國家的工業(yè)水平，并直接影響到產(chǎn)品的更新?lián)Q代和在國際市場上的競爭能力。因此，各國都非常重視模具工業(yè)的發(fā)展和模具壽命的提高工作。目前，我國模具的壽命還不高，模具消耗量很大，因此，提高我國的模具壽命是一個十分迫切的任務(wù)。模具熱處理對使用壽命影響很大。我們經(jīng)常接觸到的模具損壞多半是熱處理不當(dāng)而引起。據(jù)統(tǒng)計，模具由于熱處理不當(dāng)，而造成模具失效的占總失效率的50%以上，所以國外模具的熱處理，愈來愈多地使用真空爐、半真空爐和無氧化保護(hù)氣氛爐。模具熱處理工藝包括基體強韌化和表面強化處理。基體強韌化在于提高基體的強度和韌性，減少斷裂和變形，故它的常規(guī)熱處理必須嚴(yán)格按工藝進(jìn)行。表面強化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。表面強化處理方法很多，主要有滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、氮碳共滲、滲金屬等。采用不同的表面強化處理工藝，可使模具使用壽命提高幾倍甚至于幾十倍，近幾年又出現(xiàn)了一些新的表面強化工藝，本文著重四個方面敘述如下，供同行參考。 

一、低溫化學(xué)熱處理 

1.離子滲氮 

為了提高模具的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞和防粘附性能，可采用離子滲氮。離子滲氮的突出優(yōu)點是顯著地縮短了滲氮時間，可通過不同氣體組份調(diào)節(jié)控制滲層組織，降低了滲氮層的表面脆性，變形小，滲層硬度分布曲線較平穩(wěn)，不易產(chǎn)生剝落和熱疲勞。可滲的基體材料比氣體滲氮廣，無毒，不會爆炸，生產(chǎn)安全，但對形狀復(fù)雜模具，難以獲得均勻的加熱和均勻的滲層，且滲層較淺，過渡層較陡，溫度測定及溫度均勻性仍有待于解決。 

離子滲氮溫度以450～520℃為宜，經(jīng)處理6～9h后，滲氮層深約0.2～0.3mm。溫度過低，滲層太薄；溫度過高，則表層易出現(xiàn)疏松層，降低抗粘模能力。離子滲氮其滲層厚度以0.2～0.3mm為宜。磨損后的離子滲氮模具，經(jīng)修復(fù)和再次離子滲氮后，可重新投入使用，從而可大大地提高模具的總使用壽命。 

2.氮碳共滲 

氮碳共滲工藝溫度較低(560～570℃)，變形量小，經(jīng)處理的模具鋼表面硬度高達(dá)900～1000HV，耐磨性好，耐蝕性強，有較高的高溫硬度，可用于壓鑄模、冷鐓模、冷擠模、熱擠模、高速鍛模及塑料模，分別可提高使用壽命1～9倍。但氣體氮碳共滲后常發(fā)生變形，膨脹量占化合物厚度的25%左右，不宜用于精密模具。處理前必經(jīng)去應(yīng)力退火和消除殘余應(yīng)力。 

例如：Cr12MoV鋼制鋼板彈簧孔沖孔凹模，經(jīng)氣體氮碳共滲和鹽浴滲釩處理后，可使模具壽命提高3倍。又如：60Si2鋼制冷鐓螺釘沖頭，采用預(yù)先滲氮、短時碳氮共滲、直接淬油、低溫淬火及較高溫度回火處理工藝，可改善心部韌性，提高冷鐓沖頭壽命2倍以上。碳氮共滲工藝如圖1所示。

 
 
圖1 60Si2冷鐓模具的氮碳共滲和碳氮共滲工藝

3.碳氮硼三元共滲 

三元共滲可在滲氮爐中進(jìn)行，滲劑為含硼有機滲劑和氨，其比例為1∶7，共滲溫度為600℃，共滲時間4h，共滲層化合物層厚3～4μm，擴散層深度為0.23mm，表面硬度為HV011050。經(jīng)共滲處理后模具的壽命顯著提高。 

例如：3Cr2W8V鋼熱擠壓成形模，按圖2所示工藝處理后，再經(jīng)離子碳、氮、硼三元共滲處理，可使模具的使用壽命提高4倍以上。

 
圖2模具熱處理工藝曲線

二、氣相沉積 

氣相沉積技術(shù)是一種獲得薄膜(膜厚0.1～5μm)的技術(shù)。即在真空中產(chǎn)生待沉積的材料蒸汽，該蒸汽冷凝于基體上形成所需的膜。該項技術(shù)包括物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理化學(xué)氣相沉積(PCVD)。它是在鋼、鎳、鈷基等合金及硬質(zhì)合金表面建立碳化物等覆蓋層的現(xiàn)代方法，覆蓋層有碳化物、氮化物、硼化物和復(fù)合型化合物等。 

1.物理氣相沉積 

物理氣相沉積技術(shù)，由于處理溫度低，熱畸變小，無公害，容易獲得超硬層，涂層均勻等特點，應(yīng)用于精密模具表面強化處理，顯示出良好的應(yīng)用效果。采用PVD處理獲得的TiN層可保證將塑料模的使用壽命提高3～9倍，金屬壓力加工工具壽命提高3～59倍。螺釘頭部凸模采用TiN層壽命不長，易發(fā)生脫落現(xiàn)象。 

2.化學(xué)氣相沉積 

化學(xué)氣相沉積技術(shù)，沉積物由引入高溫沉積區(qū)的氣體離解所產(chǎn)生。CVD處理的模具形狀不受任何限制。CVD可以在含碳量大于0.8%的工具鋼、滲碳鋼、高速鋼、軸承鋼、鑄鐵以及硬質(zhì)合金等表面上進(jìn)行。氣相沉積TiC、TiN能應(yīng)用于擠壓模、落料模和彎曲模，也適用于粉末成型模和塑料模等。在金屬模具上涂覆TiC、TiN覆層的工藝，其覆層硬度高達(dá)3000HV，且耐磨性好、抗摩擦性能提高、沖模的使用壽命可提高1～4倍。 

3.物理化學(xué)氣相沉積 

由于CVD處理溫度較高，氣氛中含氯化氫多，如處理不當(dāng)，易污染大氣。為克服上述缺點，用氬氣作載體，發(fā)展中溫CVD法，處理溫度750～850℃即可。此法在耐磨性、耐蝕性方面不亞于高溫CVD法。PCVD兼具CVD與PVD技術(shù)的特點，但要求*監(jiān)控，保證工藝參數(shù)穩(wěn)定。 

三、激光熱處理 

近幾年來，激光熱處理技術(shù)在汽車工業(yè)、工模具工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它改善金屬材料的耐蝕性，特別是在工模具工業(yè)中，經(jīng)激光熱處理的工模具的組織性能比常規(guī)熱處理有很大的改善。 

1.激光淬火 

由于激光處理時的冷速極快，因而可使奧氏體晶粒內(nèi)部形成的亞結(jié)構(gòu)在冷卻時來不及回復(fù)及再結(jié)晶，從而可獲得超細(xì)的隱針馬氏體結(jié)構(gòu)，可顯著提高強韌性，延長模具使用壽命。現(xiàn)用于激光淬火的模具材料有CrWMn、Cr12MoV、9CrSi、T10A、W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、GCr15等。這些鋼種經(jīng)激光淬火后，其組織性能均得到很大的改善。例如，GCr15沖孔模，把其硬度由HRC58～62降至HRC45～50，并用激光進(jìn)行強化處理，白亮層硬度為HV849，基體硬度為HV490，硬化層深度為0.37mm，模具使用壽命提高2倍以上。又如，CrWMn鋼加熱時易在奧氏體晶界上形成網(wǎng)狀的二次碳化物，顯著增加脆性，降低沖擊韌性，耐磨性也不能滿足要求。采用激光淬火可獲細(xì)馬氏體和彌散分布的碳化物顆粒，消除了網(wǎng)狀。在淬火回火態(tài)下激光淬火可獲得*大硬化層深度及*高硬度HV1017.2。 

2.激光熔凝硬化 

用高能激光照射工件表面，被照射區(qū)將以極高的速率熔化，一旦光源消除，熔區(qū)依靠金屬基體自身冷卻，冷卻速度極快。5CrNiMo滲硼層在激光熔凝處理后，與原始滲硼層相比，強化層深度增加，強化層硬度趨于平緩，滲硼層的脆性得到改善。 

3.激光合金化 

激光表面合金化的合金元素為W、Ti、Ni、Cr等，以Ni、Cr為合金元素時，合金化層組織為以奧氏體為基體的胞狀樹枝晶，以Ti作為激光表面合金化元素時，具有組織變質(zhì)作用，能使合金化層的網(wǎng)狀碳化物變?yōu)槔^續(xù)網(wǎng)狀或離散分布的碳化物。例如，T10A以Cr為激光表面合金化元素時，合金化層硬度可達(dá)HV900～1000。又如，CrWMn復(fù)合粉末激光合金化，可獲得綜合技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良的合金層，經(jīng)測定，體積磨損量為淬火CrWMn的1/10，其使用壽命提高14倍。 

四、稀土元素表面強化 

在模具表面強化中，稀土元素的加入對改善鋼的表層組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)及機械性能都有極大影響。稀土元素具有提高滲速(滲速可提高25%～30%，處理時間可縮短1/3以上)，強化表面(稀土元素具有微合金化作用，能改善表層組織結(jié)構(gòu)，強化模具表面)，凈化表面(稀土元素與鋼中P、S、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點有害雜質(zhì)發(fā)生作用，形成高熔點化合物，同時抑制這些雜質(zhì)元素在晶界上的偏聚，降低滲層的脆性)等多種功能。 

1.稀土碳共滲 

RE-C共滲可使?jié)B碳溫度由920～930℃降低至860～880℃，減少模具變形及防止奧氏體晶粒長大；滲速可提高25～30%(滲碳時間縮短1～2h)；改善滲層脆性，使沖擊斷口裂紋形成能量和裂紋擴展能量提高約30%。 

2.稀土碳氮共滲 

RE-C-N共滲可提高滲速25%～32%，提高滲層顯微硬度及有效硬化層深度；使模具的耐磨性及疲勞極限分別提高1倍及12%以上；模具耐蝕性提高15%以上。RE-C-N共滲處理用于5CrMnMo鋼制熱鍛模，其壽命提高1倍以上。 

3.稀土硼共滲 

RE-B共滲的耐磨性較單一滲硼提高1.5～2倍，與常規(guī)淬火態(tài)相比提高3～4倍，而韌性則較單一滲硼提高6～7倍；可使?jié)B硼溫度降低100℃～150℃，處理時間縮短一半左右。采用RE-B共滲可使Cr12鋼制拉深模壽命提高5～10倍，沖模壽命提高幾倍至數(shù)十倍。 

4.稀土硼鋁共滲 

RE-B-AI共滲所得共滲層，具有滲層較薄、硬度很高的特點，鋁鐵硼化合物具有較高的熱硬性和抗高溫氧化能力。H13鋼稀土硼鋁共滲滲層致密，硬度高(HV011900～2000)，相組成為d值發(fā)生變化(偏離標(biāo)準(zhǔn)值)的FeB和Fe2B相。經(jīng)稀土硼鋁共滲后，鋁擠壓模使用壽命提高2～3倍，鋁材表面質(zhì)量提高1～2級。 

模具表面強化處理的方法還有很多，我們要結(jié)合各種模具的工作條件及其使用的經(jīng)濟性等因素綜合考慮。因為通過擴散、浸滲、涂覆、濺射、硬化等方法，改變表面層的成份和組織，就可使零件具有內(nèi)部韌、表面硬、耐磨、耐熱、耐蝕、抗疲勞、抗粘結(jié)的優(yōu)異性能，可幾倍乃至幾十倍地提高模具使用壽命。 

參考文獻(xiàn) 
［1］王德文，朱雅年.模具實用技術(shù)200例.北京：冶金工業(yè)出版社，1990. 
［2］楊裕雄.國

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