（材料加工工程专业论文）低温盐浴氮碳钒共渗工艺研究.pdf

摘要 模具表面强化技术主要通过改变模具表层成分、组织，从而显著提高模具的 硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、抗熔性、抗咬合性，达到提高模具极限寿命 的目的。目前常用的表面强化方法，如表面淬火、表面扩散化学热处理、气相沉 积、表面涂镀技术等已经闩益的发展成熟，而随着激光、稀土元素以及纳米技术 应用的不断扩大，一些新型表面工程技术也逐浙应用到模具的表面强化领域，进 一步推动了模具表面技术的不断发展。 本文结合湖南长沙振升铝材公司h 1 3 钢挤压模具实际生产情况以及模具在使 用中的工作环境，对模具的制造工序进行了改进，有效降低了模其的各类失效。 此外工序改进后，发现模具失效主要集中在磨损和裂纹两个方面，裂纹失效的主 要原因是模具设计不合理造成；而磨损失效则在于所使用的h 13 模具钢中，c r 、v 等合金元素的含量大都处于国家标准的下限。 本文在系统了解国内外模具表面强化技术的前提下，提出低温盐浴氮碳钒共 渗工艺。采用氮碳共渗基盐作为盐浴豹主要部分，辅以v 2 啦和还原剂，对4 5 、t 1 0 及c r l 2 m o v 钢在不同工艺条件下的共渗试验进行了分析，结果发现：控制盐浴中 c n o 一的浓度在区域为3 2 3 6 之间可以获得较为理想的渗层深度；共渗过程中， c n 一浓度一直保持较低的水平，其浓度对渗层深度影响不大；随着盐浴中v 的增 大，钢经共渗后的硬度也随之增大，v 控制在1 o 1 2 适宜；随着共渗温度的 升高，渗层化合物深度也随之增高，但是超过5 9 0 后反而有所下降，5 7 0 为最 佳共渗温度；随着共渗时间的增长。渗层化合物深度也随之增加，但超过4 h 后表 面疏松有所增加，共渗时间在2 4 h 为宜；随着含碳量的增加，渗层深度也随之 增加，而合金钢中碳化物形成元素增加，渗层深度随之降低。 对h 1 3 钢经低温盐浴氮碳钒共渗的渗层组织、元素分布、渗层硬度以及渗层 中的物相等进行了系统研究。结果发现：h 13 钢经氮碳钒共渗处理后，渗层组织 与经盐浴氮碳共渗处理后的渗层组织相类似，但氮碳化合物尺寸相对细小，分布 更加弥散，渗层硬度远高于盐浴氮碳共渗和渗氮处理的渗层硬度，从表层到心部 的硬度分布状态较氮碳共渗处理的更为平缓：对渗层化合物不同深度进行能谱分 析，发现有大量的钒渗入到基体中，而且渗入深度达到1 2 0um 以上：对经不同共 渗时间处理的h 13 钢渗层相组成进行分析，发现存在大量v c 、v n 等合金碳、氮 化合物相。 关键词： 氮碳钒共渗；失效；低温盐浴；3 模具钢 蜜塑堡垦童蜜垒些墼! l 鎏苎塑墼些墼董鎏三圣墼蜜 a b s t r a c t t h es u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g i e so ft h ed i ea n dm o u l di st oi m p r o v et h e r i g i d i t y ，w e a rr e s i s t a n c e ，h e a tr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，n o n f u s i b i l i t y ，s e i z u r e r e s i s t a n c er e m a r k a b l ya n di m p l e m e n tt h eh i g h p o i n tl i f eo ft h ed i ea n dm o u l db y a l t e r i n gt h es u r f a c ec o m p o n e n t ，t h es t r u c t u r eo ft h es u r f a c el a y e ra n dd e p o s i tc l a d d i n g o nt h es u r f a c e p r e s e n t l y , t h et e c h n o l o g i e si nc o m m o nu s e ，s u c ha s , t h es u r f a c e h a r d e n i n g ，t h ec h e m i c a lh e a tt r e a t m e n to fs u r f a c ed i f f u s i o n ，t h ev a p o u rd e p o s i t i o n p r o c e s s ，t h es u r f a c ew a s h i n ga n dp l a t i n ga r em a t u r e l yd e v e l o p e d a n da l o n gw i t ht h e t e c h n o l o g i e so fl a s e r ，l a n t h a n o na n dn a n o m e t e ra r em o r ea n dm o r ew i d e s p r e a du s e d ， s o m eo fn e ws u r f a c ep r o j e c tt e c h n o l o g i e sa r ea p p l i e dt o t h ef i e l do ft h es u r f a c e s t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g i e s o ft h e d i ea n dm o u l dg r a d u a l l y ，w h i c hp r o m o t et h e d e v e l o p m e n to ft h es u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g i e so ft h ed i ea n dm o u l d i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o c e s s i n ga n dw o r k i n gc o n d i t i o no fs t e e l h 1 3 ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r ee x t r u s i o nm o u l d sw a sm o d i f i e d ，w h i c hr e d u c e dt h e i n e f f e c t u a l p r o b l e m se f f e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，a f t e r t h em o d i f i c a t i o n ，2m a i n i n e f f e c t u a lf o r m sw a sf o u n d w h i c hw e r ed e h i s c e n c ea n da t t r i t i o nw e a r d e h i s c e n c e w a sm a i n l yc a u s e db yt h e i n c o n s e q u e n td e s i g no fm o u l d s ，a n da t t r i t i o nw e a rw a s m a i n l yc a u s e db yt h em a t e r i a li t s e l f , t h es t e e lh 13w h i c hh a dj u s tm i n i m u mc o n t e n to f e l e m e n t ss u c ha sc r 、va c c o r d i n gt ot h es t a t es t a n d a r d b a c i n go ni n v e s t i g a t i n gt h es u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g i e so ft h ed i ea n d m o u l da r o u n dt h e w o r l d ，t h et h e s i sa d v a n c e d t h el o w t e m p e r a t u r e s a l t - b a t h v a n a d i u m n i t r o c a r b u r i z i n gt e c h n o l o g y t h ee x p e r i m e n t si nd i f f e r e n tp r o c e s s e so f4 5 ， t10a n dc r l2 m o vw e r ec a r r i e do u t ，i nw h i c ht h es a l t b a t hw a sc o m p o s e db yt h e n i t r o c a r b u r i z i n gs a l t b a t h ，v z 0 5a n dr e d u c i n gm a t t e r ，a n dt h er e s u l ts h o w e da sf o l l o w ： i d e a l d e p t ho fs e e pl a y e rc a nb ea t t a i n e db yc o n t r o l l i n gt h ec n o c o n c e n t r a t i o n a r o u n d 3 2 3 6 ；d u r i n gt h ep r o c e s s o fv a n a d i u m n i t r o c a r b u r i z i n g ，l o w c o n c e n t r a t i o no fc n h a v em a i n t a i n e d ，a n di th a r d l yi n o u e a c e st h ed e p t ho fs e e pl a y e r ； a st h e v i n c r e a s i n g t h e h a r d n e s s o fc a r b o ns t e e lh a v e g r o w n a f t e r v a n a d i u m n i t r o c a r b u r i z i n g ， 1 0 1 2 o fvc o n t e n ti s a p p r o p r i a t e ；a s t h e t e m p e r a t u r eo fv a n a d i u m n i t r o c a r b u r i z i n gi n c r e a s i n g ，t h ed e p t ho fs e e pl a y e ri n c r e a s e s ， w h e ne x c e e d i n g5 9 0 ，t h e d e p t hd e c r e a s e s ，t h eo p t i m i z e dt e m p e r a t u r eo f v a n a d i u m - n i t r o c a r b u r i z i n g i s5 7 0 ：a st h et i m e o f v a n a d i u m n i t r o c a r b u r i z i n g i n c r e a s i n g ，t h ed e p t ho fs e e pl a y e ri n c r e a s e s ，b u ts u r f a c er a r e f a c t i o ng r o w sa f t e r4 h o u r s ，t h ev a n a d i u m n i t r o c a r b u r i z i n gs h o u l db ec o n t r o l l e di n2 - 4h o u r s ；a st h ec a r b o n i l 确| 学位论文 c o n t e n ti n c r e a s i n g ，t h ed e p t ho fs e e pl a y e ri n c r e a s e s ，w h i l et h ed e p t hd e c r e a s e sw i t ht h e c a r b o n i z e de l e m e n t si nt h ea l l o yg r e w t h es t r u c t u r eo ft h es e e pl a y e r ，t h ee l e m e n td i s t r i b u t i o n ，t h eh a r d n e s so fs e e pl a y e r a n dt h ep h a s eo fs e e p l a y e r o fs t e e lh13t r e a t e db yl o wt e m p e r a t u r es a l t - b a t h v a n a d i u m n i t r o c a r b u r i z i n gt e c h n o l o g yw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ： t h es t r u c t u r eo fs e e pl a y e ro fs t e e lh 1 3t r e a t e db yt h et e c h n o l o g yi ss i m i l a rt ot h eo n e t r e a t e db yt h el o ws a l t - b a t hn i t r o c a r b u r i z i n g t e c h n o l o g y , b u tt h en i t r i d e sa n dt h e c a r b o n i d e so ft h ef o r m e ra r es m a l l e ra n dd i s t r i b u t e dm o r ed i s p e r s e ，t h eh a r d n e s so f s e e pl a y e rt r e a t e db y t h el o wt e m p e r a t u r es a l t - b a t hv a n a d i u m - n i t r o c a r b u r i z i n g t e c h n o l o g y i sb e t t e rt h a nt h eo n et r e a t e db yt h el o ws a l t b a t h n i t r o c a r b u r i z i n g t e c h n o l o g yo rt h en i t r i d a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dh a r d n e s sd i s t r i b u t i o nf r o ms u r f a c et oc o r e i sg e n t l e r e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s ef o rd i f f e r e n td e p t ho fs e e pl a y e ri sc a r r i e do u t ，i t s h o w e dt h a tam a s so fv a n a d i u mh a v ep e n e t r a t e dt h em a t r i x ，t h ep e n e t r a t i n gd e p t h r e a c ha b o v e1 2 0 9 m a c c o r d i n gt ot h ep h a s ea n a l y s eo fs e e pl a y e ra td i f f e r e n tt r e a t m e n t t i m e ，l a r g en u m b e r so fn i t r i d e sa n dc a r b o n i d e ss u c ha sv ca n dv na r ef o u n d k e yw o r d s ：v a n a d i u m n i t r o c a r b u r i z i n gi n e f f e c t u a l ；l o wt e m p e r a t u r es a l t - b a t h ；d i e s t e e ! h 1 3 1 1 引言 第1 章绪论 模具是工业生产中的主要工艺装备，在电子，汽车，电机，仪表，家电，通 讯器材以及日用品等产品中，6 0 8 0 的零部件都需要靠模具成形，模具工业的发 展如何，特别是模具的使用寿命如何，已经成为衡量一个国家制造产业水平高低 的重要标志，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。月前，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。 随着工业技术的不断发展，要求模具在更高速、更恶劣的工作条件下，具有更高 精度，更长的使用寿命。为了满足上述要求，国内外都在模具新材料的研究和开 发上进行了深入的研究。但是新的模具材料往往只能满足部分要求，其通用性和 适应性还存在许多不足，而且往往价格昂贵，影响了推广，所以，传统的p 2 0 ， h 2 0 ，d 2 等牌号，仍然占据着塑料模、热作模和冷作模的重要市场。在传统的模 具材料的基础上，要满足或适应上述高要求的另一个重要途径，就是对模具进行 表面强化，国内外在模具表面处理技术上都有很成功和广泛的应用。 模具的表面强化是指通过物理，化学，机械以及其他复合的方法改变模具表 层成分、组织或在表面沉积镀层，从而显著提高模具的耐磨性、耐热性、耐腐蚀 性，抗熔性，抗咬合性，以达到每副模具与心部性能的最佳匹配，实现模具极限 寿命。常用的表面强化方法，如表面淬火、表面扩散化学热处理、气相沉积、表 面涂镀技术等已经曰益的发展成熟，而随着激光、稀土元素以及纳米技术应用的 不断扩大，一些新型表面工程技术也逐渐应用到模具的表面强化领域，进一步推 动了模具表面技术的不断发展。 1 2 模具表面强化技术现状 1 2 1 表面相变强化 1 2 1 1 常规热处理 这是保证模具是否具有良好使用性能的最基本措旌，一般先进行预先热处理 一一退火，消除应力，降低硬度，使毛坯易于冷加工变形，并能细化晶粒，组织 均匀化；然后再进行最终热处理，一般为高温淬火和高温回火。淬火温度高，是 合会渗碳体尽可能多的溶解，回火时合会元素阻碍碳原子扩散和渗碳体聚集长大， 过饱和马氏体析出细小弥散、均匀分布的碳化物，达到所需的性能及耐磨性。如 3 c r 2 w 8 v 钢，从常规淬火温度1 0 5 0 提高到1 15 0 甚至1 2 0 0 ，则模具的寿命 大大提高。具体实例见表1 1 。 表11 高温淬火和高温回火工艺在3 0 r 2 w 8 v 模具上的应用 1 2 1 2 表面淬火 加热速度快，模具表面a c l 、a c 2 、a c 3 相变温度提高，而心部材料仍在相变 点以下。冷却后外硬内韧，形成梯度性能。加热速度越快，相变点越高。感应加 热淬火、光表面加热淬火的加热温度等可比普通淬火高1 0 0 。c 以上，达到a c 3 + 1 2 0 1 8 0 。大众汽车模具经感应加热淬火后硬度在4 7 5 5 h r c 之间，完全能满 足汽车模具的生产需求 z l 。 1 2 2 机械表面强化 机械表面强化包括喷丸、滚压、滚轧等，通过对模具表面进行加工硬化，改 善模具的表面粗糙度有效去除表面变质层，提高模具的疲劳强度，抗冲击磨损， 达到提高模具寿命的目的。喷丸强化是最常用的方法，其强化机理是：大量高速 运动的弹丸喷射到模具表面，使表面产生极为强烈的塑性变形。这种变形使模具 表面产生了一个应力状态和组织结构与基体完全不同的加工硬化层和残余压应力 层。在压力层上有相当高的表面压应力，能够大大推迟其疲劳破坏，即使在很高 的外部应力作用下，也不产生表面失效。其特点如下：( 1 ) 材料强度越高，效果越 显著。( 2 ) 钢铁材料效果优于其它合金。( 3 ) 有缺l | 件的效果高于光滑工件。所 以，强化层会显著地提高模具在室温和高温工作下的疲劳强度，达到提高模具寿 命的目的，见表1 2 。 表12 喷丸模具寿命表p 1 2 3 表面扩散化学热处理 表面扩散化学热处理是将制件放在活性介质中加热，使非金属或金属元素扩 散到制件表面的方法。这是一种改变表层化学成分的热处理过程，主要有渗碳、 渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗硼、渗金属等热处理工艺。表面扩散化学热处理 是目前提高模具寿命应用最多、最广的表面处理技术。 1 2 3 1 渗碳和碳氮共渗 渗碳的目的是在模具的表面得到高的含碳量，其具有渗速快、渗层深、渗层 硬度梯度与成分梯度可方便控制、成本低等特点，能有效地提高材料的室温表面 硬度、耐磨性和疲劳强度等。渗碳工艺应用于模具表面强化的第一个方面是低、 中碳钢的渗碳。渗碳应用于冷作、热作和塑料模具上，都能提高模具寿命。对于 注塑模，可采用2 0 钢粗加工成模，进行型腔表面渗碳，再经过精加工抛光后投 入使用，除了可以降低表面粗糙度外，模具的耐磨性也会相应提高。又如3 c r 2 w 8 v 钢制压铸模具，先渗碳再经1 1 4 0 1 1 5 0 淬火，5 5 0 回火两次，表面硬度可达 5 8 6 1h r c ，使压铸有色金属及其合金的模具寿命提高1 8 3 0 倍【4 1 。 渗碳工艺应用于模具表面强化的第二个方面是“碳化物弥散析出渗碳”，简称 c d 渗碳法。它是采用含有大量强碳化物形成元素( 如c r 、t i 、m o 、v ) 的模具钢 在渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时，渗层中会沉淀出大量弥 散合金碳化物，如( c r f e ) 7 c 3 、( f e c r ) 3 c 、v 4 c 3 、t i c 。c d 法渗碳层中，渗 层表面含碳量( 质量分数，下同) 高达2 3 ，弥散碳化物含量达5 0 以上，且 碳化物呈细小均匀分布。c d 渗碳件直接淬火或重新淬火回火后可获得很高的硬度 和优异的耐磨性。经c d 渗碳的模具心部没有出现象c r l 2 型模具钢和高速钢中的 粗大共晶碳化物和严重碳化物偏析，因而其心部韧性比c r l 2 m o v 钢提高3 5 倍。 实践表明，c d 渗碳模具的使用寿命大大超过消耗量占冷作模具钢首位的c r l 2 型 冷作模具钢和高速钢。 按照渗碳介质的状态，一般渗碳工艺分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三 类，当前大量应用的是气体渗碳。 模具碳氮共渗是将模具置于含碳、氮活性原子介质内加热，其表面吸收碳、 低温特浴氦城钒廷涝i 艺圳 氮原子，并以吸收碳原子为主，形成碳氮共渗层的热处理l ：艺。r 艺方法和设备 以及零件共渗后的热处理与渗碳工艺基本相i 二 ，但是由 其共渗速度高，共渗温 度低以及共渗层良好的组织和力学性能而优于渗碳工艺。 1 2 3 2 渗氮及有关的低温热扩渗技术 这一类型中包括渗氮、软氮化f 铁素体氮碳共渗) 、氧氮共渗、硫氮共渗乃至硫 氮碳、氧氮硫三元共渗等方法。 模具的渗氮工艺是将模具在一定温度的含有活性氮的介质中保温定时间， 使其表面渗入氮原子的过程。由于渗氮温度低( 一般为4 8 0 6 0 0 。c ) ，工件变形很 小，尤其适应一些精密模具的表面强化，而且氮化层硬度高、耐磨性好，有较好 的抗粘模性能。例如，3 c r 2 w s v 钢压铸模、挤压模等经调质并在5 2 0 5 4 0 。c 氮 化后，使用寿命较不氮化的模具提高2 3 倍i 5 1 。 氮化工艺是较常用的表面强化技术，但当氮化层出现薄而脆的白亮层时，无 法抵抗交变热应力的作用，极易产生微裂纹，降低热疲劳抗力。因此，在氮化过 程中，要严格控制工艺，避免脆性层的产生1 6 “8 l 。国外提出采用二次和多次渗氮 工艺【9 l 。采用反复渗氮的办法可以分解容易在服役过程中产生微裂纹的氮化物白亮 层，增加渗氮层厚度，并同时使模具表面存在很厚的残余应力层【l 们，使模具的寿 命得以明显提高。 氮碳共渗工艺主要以渗氮为主，碳的渗入较少，其共渗机理与渗氮相似随着 处理时间的延长，表面氮浓度不断增加，发生反应扩散，形成白亮层以及扩散层。 氮碳共渗工艺温度较低( 5 6 0 5 7 0 ) ，变形量小，经处理的模具钢表面硬度高达 9 0 0 1 0 0 0 h v ，耐磨性好，耐蚀性强，有较高的高温硬度，应用在压铸模、冷挤模、 冷镦模、热挤模、高速锻模和塑料模上，分别提高寿命l 9 倍1 6 川。 此外还有采用盐浴氧氮碳共渗、碳氮氧硫硼五元共渗等多元共渗方法，这些 工艺在国外应用较为广泛，在国内较少见。如t i f + a b l 工艺，是在盐浴氮碳共渗 后再于碱性氧化性盐浴中浸渍。工件表面发生氧化，呈黑色，其耐磨性、耐蚀性、 耐热性均得到了改善。经此方法处理的铝合会压铸模具寿命提高数百小时。再如 法国丌发的硫氮碳共渗后进行氮化处理的o x y n i t 工艺，应用于有色金属压铸模具 则更具特点1 1 2 。 1 2 3 3 渗硼 渗硼是近代发展起来的一种新型表面强化技术，模具经过渗硼处理后，表面 形成的硼化物( f e b 、f e 2 b 、t i b 2 、z r b 2 、v b 2 、c r b 2 等) 及碳化硼等化合物的硬度 极高，渗硼钢在硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性上均比渗碳和渗氮高【1 3 】。因此， 在模具表面强化中起着重要的作用。渗硼的方法很多，常规方法有气体、液体、 固体、电解渗硼等。目前还有许多改进的方法，如涂剂粉末渗硼，是将硼化合物 4 坝l 学位论义 和其他渗剂混合后涂覆在压铸模具表面，待液体挥发后，再按照一般粉末渗硼的 方法装箱密封，9 2 0 。c 加热并保温8 h ，随之空冷。这种方法可以获得致密、均匀的 渗层，模具表面渗层硬度、耐磨性和弯曲强度都得到提高，模具使用寿命平均提 高2 倍以上1 ”j 。 1 2 3 4 渗金属 模具表面渗金属技术是在一定的温度和真空度条件下，被还原出的活性金属 原子或电离、溅射出的金属元素原子扩散进入模具钢基体表层形成台金渗层，从 而改变表层化学成分、组织和性能的方法。模具表面渗金属技术属于钢的化学热 处理范畴，实质上是通过高温扩散，铬、钒、钛、钨、钼、铌、钻、镍、铝等活 性原子在模具表面形成固溶体或碳化物渗层组织，它们的硬度高，耐磨损性好， 还具有相当好的抗氧化性和耐腐蚀性，大大提高了模具表面的机械和物化性能， 从而有效地提高了模具使用寿命1 4 15 1 。 目前粉末渗金属技术、涂敷剂渗金属技术、盐浴渗金属技术已经进入工业化 生产阶段，取得了很好的经济效益。采用表面渗金属技术对模具进行表面强化与 其它模具表面强化技术相比，具有以下一些特点：( 1 ) 设备简单，易于操作。( 2 ) 能够实现铬、钒、钛、钨、钼、铌、钴、镍等高熔点金属元素的单元渗及多元共 渗。( 3 ) 渗层与基体结合牢靠，不存在渗层剥落的问题。( 4 ) 渗层的金相组织主 要是渗入金属的碳化物及金属间化合物。( 5 ) 处理温度较高，时间较长，工件内 部组织中晶粒长大，力学性能降低，因此模具渗金属处理后，还需进行淬火+ 回火 热处理。表2 3 为渗钒后提高模具使用寿命的结果。 表2 3 渗钒模具的使用寿命” 1 2 4 气相沉积 气相沉积技术是一种利用气态物质中发生的某些物理、化学过程，在基体表 面形成具有某些特殊性能的金属或化合物涂层的技术。根据涂层形成的机理不同， 气相沉积可分为化学气相沉积( c v d ) 、物理气相沉积( p v d ) 和等离子体化学气 相沉积( p c v d ) 2 大类。它们的共同特点是将具有特殊性能的稳定化合物，如t i c 、 t i n 、t i c n 、s i n 、( t i ，a i ) n 、( t i ，s i ) n 等直接沉积于金属工件表面，形成一 低温盐浴氯碳钒共渗丁艺州 层超硬覆盖膜，从而使工件具有高硬度、高耐磨性、高抗蚀性等一系列优异性能。 1 2 4 1 化学气相沉积( c v d ) c v d 法是将工件置于有氢气保护的炉内，加热到高温( 8 0 0 。c 以上) ，向炉内通 入反应气，使之在炉内热解，化合成新的化合物沉积在工件表面。在模具的应用 中其覆膜厚度一般为6 1 0um 。由于c v d 法沉积温度高，涂层结合牢固而且对 形状复杂或带有槽沟及孔的工件可进行均匀涂覆，加之t i c 等涂层硬度相当高( 可 达3 0 0 0 h v ) ，耐磨性极好，而且摩擦因数小，具有很好的减摩性和抗咬合性，可 大大提高模具的使用寿命。如用于汽车零件加工的深孔模和精压模，经过c v d 法 沉积t i c 后使用寿命比镀硬铬分别提高2 0 倍和1 4 倍【l “。 但是，由于c v d 处理的温度高，基体硬度降低，同时处理后还需进行淬火处 理，会产生较大变形，因此，不适用于高精度的模具。 1 2 4 2 物理气相沉积( p v d ) p v d 法是利用热蒸发、溅射或辉光放电、弧光放电等物理过程，在基材表面 沉积所需涂层的技术，其主要包括有真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等3 种基本技 术。目前，在模具的强化方面，阴极溅射法和离子镀方法应用较多。p v d 法可以 更为方便的沉积c v d 法所能沉积的各种涂层，而且p v d 比c v d 具有更为适用的 两个突出特点：( 1 ) p v d 可以在更低的温度( 2 0 0 4 0 0 ) 沉积涂层( c v d 为8 0 0 1 2 0 0 ) ；( 2 ) p v d 沉积速度高达4 5l am h ( 依沉积工艺及涂层材料而异) ( c v d 为l 2hm h ) 。有人对一3 c r 2 w 8 v 钢模具的处理后寿命提高了3 4 倍。c r l 2 m o v 精冲模经p v d 处理获得3 5um 涂层，其寿命从1 3 万次提高到1 0 万次以上【”】。 但是较之c v d 法，p v d 法的绕镀性差，不适合于有小孔、凹槽等复杂形状的模具， 此外，不能对有氧化腐蚀、变质层的零件进行沉积涂层。 1 2 5 表面涂镀技术 涂镀技术作为模具强化技术的一种，主要应用在塑料模、玻璃模、橡胶模、 冲压模等工作环境相对简单的模具表面处理。 1 2 5 1 电镀 电镀是在电镀液中利用电极反应，在制件表面形成镀覆层。电镀又分为普通 电镀、电刷镀、复合镀、电铸和阳极氧化。在模具表面强化中，一般采用镀铬层。 它具有耐磨、减摩、耐热、耐腐蚀、摩擦系数低、防咬合等特点能改善模具表面 性能，提高模具寿命功能。主要用于塑料模、橡胶模、玻璃模等型腔模的表面硬 化。镀硬铬层既可以作为模具表面的耐磨层，也可以对旧模具进行修复。例如塑 料膜型腔镀硬铬或通过镀硬铬进行修复后，不仅模具使用寿命延长，而且压缩过 程中有利于塑料流动充满型腔，便于脱模，塑料件表面光亮。但电镀层与钢的结 6 坝1 学位论文 合强度有限，以及热膨胀系数差异大等问题，不能用于经受急冷急热作用的热作 模。电刷镀c o n 、c o m o 镀层等也都在模具表面得到了应用，提高了模具的使用 寿命。 1 2 5 2 化学镀 化学镀是在化学溶液中，一种自催化的金属离子还原沉积，也叫无电源电镀。 目前研究和应用最为广泛的是化学镀镍磷合金工艺。由于镍磷合金镀层具有较高 的硬度，在常温下n i p 层的硬度大约为3 0 0 6 0 0 h v ，经过2 0 0 4 0 0 的热处理 后，硬度可达6 0 0 1 1 0 0 h v ，可使镀件具有相当高的耐磨能力。同时据研究表明【l 别： 对于n i p 合金镀层，低磷状态时以镍为綦体的固溶体具有较强的耐蚀性能，当磷 含量超过8 时，其组织由结晶态向非晶态转化，最终形成均一的单相非晶组织， 不存在晶界、位错和化学成分偏析等缺陷，具有较强的抗电化学腐蚀作用，效果 明显优于电镀硬铬层。而且，化学镀不存在尖端效应，对于盲孔、沟槽、螺纹等 均可获得均匀的镀层，具有良好的仿型性，非常适合于形状复杂的模具表面处理。 据文献报道，采用化学镀n i p 层处理c r l 2 m o v 拉伸模可提高模具寿命4 倍以上， 具有良好的经济效益。 目前，化学镀技术的基础上发展了一种新型的复合镀技术，就是在化学镀液 中加入氧化物( 如a 1 2 0 3 ，s i 0 2 ，t i 0 2 等) 、碳化物( s i c ，c r 3 c 2 ，b c 等) 、氮化物( b n ， s i 3 n 4 ) 、金刚石等的微粒，在镀镍或镀镍磷镀层中沉积，不仅大大提高模具的耐蚀 性，而且模具表面的硬度，耐磨性及表面粗糙度都有明显改善20 1 。因此化学镀以 及以其为基础的复合镀在模具表面强化中有着极为广阔的应用前景。 1 2 5 3 热喷涂 热喷涂是将材料经热源加热至熔化或半熔化状态，用高压气流令其雾化并喷 射于工件上，从而形成涂层的一种表面加工方法。根据热源的不同，可分为火焰 喷涂，电弧喷涂，爆炸喷涂以及等离子喷涂。由于热喷涂几乎可以将所有的金属 或非金属( 包括金属、合金、氧化物、碳化物、塑料、尼龙、石墨等) 喷涂于金 属或非金属基材料上，硬度可以视需要通过选材及工艺处理达到。所以是提高模 具使用寿命、修补模具的主要技术之一。 1 2 6 模具表面强化技术的发展与展望 近年来，随着等离子体、激光、稀土材料和纳米工程的广泛应用以及复合表 面强化技术的逐渐发展，赋予了模具表面强化新的内容。 1 2 6 1 等离子体技术的应用 所谓等离子体可理解为气体放电过程中所形成的有关粒子的集合体，它是物 质能量较高的一种聚集状态。等离子体技术具体主要应用于等离子体表面扩散化 低温盐浴氮麒钒j l 渗i 岂i | 究 学热处理、等离子喷涂、等离了体气相沉积、离子注入等。 ( 1 ) 等离子体表面扩散化学热处理 等离子化学热处理利用辉光放电来激活各种特殊工艺所需的气体源，激活气 体源产生一系列熏要的结果：a 堵够较好地控制工件表面最终的成分结构，凶此渗 层质量好。例如，辉光离了渗氮可以不形成混合相和化合物区，从而使渗氮层脆 性减小。b 可以在较低的温度下进行扩渗，并且有较快的沉积速率。例如，等离了 渗碳是通过增加碳的扩散速度来缩短渗碳时间，而不是仅仅依靠提高处理温度， 这样不仅提高了生产效率，也减少了工件变形。有证据表明，能够较快地在首先 被辉光放电溅射清洗的工件表面上沉积高碳的表面层。辉光放电可靠地形成高的 碳浓度梯度，而不产生炭黑，并在每个特定的工件表面温度下，都能促进碳元素 的快速扩散【2 1 1 。c 节约能源、气源，无公害。 等离子化学热处理是当前金属化学热处理研究中的热点，人量的研究工作已 全面展开。目前美、英、巾、德、日、法和前苏联的研究工作处于领先地位，特 别是美、英在渗碳、钛合金离子渗氮研究方面一路领先，我国在离予多元渗、离 子渗金属研究方面处于领先地位。但从总体上看，技术上最为成熟的还是离子渗 氮，它是工业上广泛采用的生产工艺，能在工件表面形成硬度高、抗腐蚀、耐磨 损和抗疲劳的渗氮层1 2 ”】。其它等离子化学热处理工艺，虽然具有更大的工业应 用前景( 如等离子渗碳) ，但大多还处于试验研究。 ( 2 ) 等离子喷涂 等离子喷涂和其它热喷涂技术相比，具有如下特点：a 等离子弧温度高，可 达1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 k ，并且能量集中。这就使得等离子喷涂能够喷制更多种类材料 的涂层，尤其是其它热喷涂工艺难以实现的高熔点材料的喷涂。b 电离度高，弧 柱挺拔，稳定性好。这对于保证喷涂质量有重要的意义。c 可控性好。通过气体 的选择和改变压缩效应的外因条件，容易获得所需的气氛和电弧参数。 等离子喷涂技术可以按照模具的服役条件和性能要求，制备各种类型的涂层， 既可用于新模具制造，又可作为维修手段用于旧模具的修复。例如：第二汽车厂用 c r l 2 m o v 钢制造汽车风扇皮带轮模具，用常规热处理工艺，副模具只能生产约 4 0 0 0 5 0 0 0 个零件，模具表面磨损严重。用1 0 2 铁合金粉木，成分w 为：0 8 c 、 1 6 c r 、4 5 s i 、3 5 b 、15 f e ，余为n i 。对模具进行等离子喷涂，制备耐磨涂层，结果 生产5 万件后仍未严重磨损，模具使用寿命提高1 0 倍以上。生产的皮带轮盖，表 面光洁，几乎无拉毛现象1 2 5 1 。 ( 3 ) 等离子体化学气相沉积( p c v d ) 等离子体化学气相沉积是介于c v d 和p v d 之问的一种处理方法，它是借助 于气体辉光放电产生的低温等离子体，来增强反应物质的化学活性，促进气体问 的化学反应，从而能在较低的温度下沉积出所需的涂层。由于其兼有c v d 的良好 坝j 学位论史 绕镀性和p v d 的低温成膜的优点1 2 “”l ，而且采用直流脉冲电源时，零件上的小孔、 凹槽也可均匀沉积上优质镀层，因此p c v d 法十分适用于形状复杂的精密模具( 如 密纹盘、激光盘等镜面模具) 1 2 8 j 。实践证明，在模具上用p c v d 法涂覆n i c n 、t i c n 、 t i c 、t i n 等涂层结合力高，模具使用性能良好，寿命能得到显著的提高，且模具 的材料不会劣化，经济效益十分显著。如由p c v d 法得到的t i c n 涂层的模具寿命 比无涂层处理的提高约3 倍，比普通碳氮共渗处理的提高1 倍1 2 9 l 。 ( 4 ) 离子注入 离子注入表面强化技术是把某种元素的原子电离成离子，并使其在几万至几 十万的电压下进行加速，在获得较高速度后射入放在真空靶室的中工件表面的一 种离子柬加工技术。离子注入形成的表层合金不受相平衡、固溶度等传统合金化 规则的限制，原则上任何元素都可以注入到任何基体会属之中，由于注入是在高 真空和较低温度下进行的，基体不受污染，也不会引起热变形、退火和尺寸的变 化，注入原子与基体金属间没有截面，注入层不存在剥落问题。大量离子( 如氮、 碳、硼、钼等) 的注入可使模具基体表面产生明显的硬化效果，大大降低了摩擦因 数，显著地提高了模具表面的耐磨性、耐腐蚀性以及抗疲劳性等多种性能。因此 近年来离子注入技术在模具领域中如w 1 8 c r 4 v 钢牙科钻头注入t i + c 可提高寿命 3 倍f 3 0 】，y g 8 硬质合金轮胎钢丝拉丝模注入n 可提高寿命2 4 倍【3 。 1 2 6 2 激光技术的应用 激光具有能量高、加热迅速、加热层薄、自激冷却、变形小、便于实现自动 化等优点，成为当今新型、高效表面强化技术的发展趋势和重要标志之一。激光 用于表面处理有激光相变硬化( l t h ) 、激光表面熔化处理( l s m ) 、激光表面涂覆及 合金化( l s c l s a ) 、激光表面化学气相沉积( l c v d ) 、激光物理气相沉积( l p v d ) 、 激光冲击( l s h ) 和激光非晶化等，其中已被研究用于提高模具寿命的方法有激光相 变硬化以及激光表面熔覆和合金化( 32 1 。 ( 1 ) 激光相变硬化 激光相变硬化又称激光淬火，它是通过具有足够功率密度的激光束快速加热 金属表面，使其达到相变温度以上，金属材料内部则保持冷态。在停止加热后， 内部金属迅速传热，使表层金属急剧冷却，从而达到淬火的目的。由于激光淬火 时冷却速度高达1 0 6 c s ，远远超过常规淬火冷却速度， 与常规淬火方法相比， 温度梯度高，从而在表面形成了一层硬度极高的特殊淬火组织，如晶粒细化、高 位错密度等。 激光相变硬化处理具有如下的特点：a 可得到优质的硬化层。b 热处理变形小。 c 堵自冷淬火，不需要淬火介质，热源洁净，无环境污染。d 可实现表面薄层的局 部淬火，不影晌基材的力学性能。e 可硬化极小部位，如深孔壁、深沟底及侧面等 部位。激光相变硬化技术可以改善模具表面硬度、耐磨性、热稳定性、抗疲劳性、 9 低温盐浴氮城钒j k 渗i 艺t 0 1 t 韧性等力学性能，同时又能保证复杂模具的精度要求，对提高模具的使用寿命具 有独特优势。如对t 8 a 铡制造的冲头和c r l 2 m o v 钢制造的凹模进行激光硬化处理， 激光硬化层为0 1 5 m m ，硬度为1 2 0 0 h v ，使用寿命明显增加，由冲碰2 5 月件提 高到1 0 ) j - 件，即寿命提高3 4 倍”。 ( 2 ) 激光表面熔覆和台金化 激光涂覆工艺是激光表面改性中一个重要的组成部分，其实质是将具有特殊 性能的粉末( 如耐磨、耐蚀、抗氧化等) 预涂或喷涂在金属表面，使其在激光束作用 下迅速熔化、扩展及快速凝固，与基体得到冶金结合，从而形成与常规组织性能 不同的优异合余层的工艺技术”4 1 。据研究表明，采用激光表面合会化和涂覆技术 可获得深度为1 0 1 0 0 0 um 高性能的硬化层且与基体的结合强度远高于c v d 和 p v d ，并可通过表面合金化替代合金而节省大量贵重稀有元素，因此在经济上和 技术上都有着十分重要意义。目前，国内激光热处理已经应用于生产实践。g c r l 5 钢制冲孔模激光强化处理，寿命提高2 倍，硅钢片模其经处理后，寿命提高了1 0 倍。 目前，激光表面强化处理技术的主要不足之处是强化面积小，相邻两个强化 带之间存在回火软化现象，因此对于需要大面积强化的模具还受到一定的限制。 随着今后更大功率的激光器研制成功，必将使模具的激光强化技术得到进一步发 展和应用。 1 2 6 3 稀土元素表面强化技术 稀土