第6章模具表面加工与处理技术.ppt

第6章模具表面加工与强化技术,模具表面光整加工,模具表面强化技术,第6章模具表面加工与强化技术,模具表面光整加工,模具表面强化技术,光整加工的目的及分类,目的（主要是提高表面质量）降低工件表面Ra值改善工件表面物理力学性能去除毛刺飞边、棱边倒圆角分类按加工时能量的提供方法：机械法、化学和电化学法及热能法按加工工具的特性：研磨与抛光,6.1模具表面光整加工,机械研磨与抛光,借助研具与研磨剂（游离的磨料），在工件的被加工表面和研具之间产生相对运动，并施以一定的压力，从工件上去除微小的表面凸起层，以获得很低的表面粗糙度和很高的尺寸精度、几何形状精度等,6.1模具表面光整加工,机械研磨与抛光,拋光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的。习惯上把使用硬质研具的加工称为研磨，而使用软质研具的加工称为抛光,6.1模具表面光整加工,物理作用：微量切削和微挤压塑性变形,化学作用采用氧化铬、硬脂酸等研磨剂时，生成一层极薄的易磨掉的氧化膜,1）表面粗糙度低2）尺寸精度高3）形状精度高4）表面力学性能好（耐磨性、抗疲劳强度）5）研具与设备简单,6.1模具表面光整加工,机械研磨与抛光,1）按操作方式手动研磨手动操作，对操作者技能要求高，劳动强度大，工作效率低。模具成形零件上的局部窄缝、狭槽、深孔、盲孔和死角等部位，以手工为主机械研磨工件、研具的运动均为机械运动。加工质量靠机械设备保证，工作效率比较高。但只能适用于表面形状不太复杂等零件的研磨,6.1模具表面光整加工,机械研磨与抛光,2）按研磨抛光剂湿研将磨料和研磨液组成的研磨抛光剂连续加入或涂抹于研具表面，磨料在研具和工件间滚动或滑动，形成对工件表面的切削作用。加工效率较高，但加工表面形状和尺寸精度及光泽度不如干研磨，多用于粗研和半精研干研将磨料均匀地压嵌入研具工作表面一定深度（嵌砂）。施以一定压力进行研磨。可获得很高的尺寸精度和低的表面粗糙度。但生产效率不高，一般用于精研半干研类似湿研，使用糊状研磨膏，用于粗、精研均可,6.1模具表面光整加工,机械研磨与抛光,1）磨料种类（如氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铬等）粒度2）研磨抛光膏由磨料和研磨液组成的硬磨料（氧化铝、碳化硅、碳化硼和金刚石等）软磨料（氧化铁、氧化铬等，含油质活性物质，使用时可用煤油或汽油稀释）3）研磨抛光液研磨液在研磨抛光过程中起调和磨料、使磨料均匀颁布和冷却润滑作用研磨液有矿物油（10#机油、煤油）、动物油（猪油）、植物油多用于外观要求极高的产品模具的抛光，如光学镜片模具,6.1模具表面光整加工,机械研磨与抛光,第6章模具表面加工与强化技术,模具表面光整加工,模具表面强化技术,概述,目的只改变模具表层的成分、组织、性能，与适宜的心部性能相配合，就可使零件具有高硬度、耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能，同时心部具有一定的韧性，从而数倍、数十倍地提高模具使用寿命。这对于提高模具质量，充分发挥模具材料的潜力，大幅度降低成本，都具有重要意义方法物理表面处理法（高频感应加热淬火、火焰淬火、激光淬火、喷丸硬化）化学表面处理法（热扩渗技术）表面覆层处理法（电镀、气相沉积技术）,6.2模具表面强化技术,电镀,原理在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其他惰性导体为阳极，通过电化学反应，在基体表面上获得结合牢固的金属膜目的改善外观满足表面特殊性能（耐磨性、耐蚀性、导电性等）,6.2模具表面强化技术,电镀,1）镀铜仅能对基体金属起机械保护作用通常作为底层或中间层，不单独作为防护装饰性镀层对需要局部渗碳的零件，可用铜镀层覆盖不需渗碳的部位,6.2模具表面强化技术,电镀,2）镀镍表面易氧化形成钝化层，化学稳定性好通常作为底层或中间层，不单独作为防护装饰性镀层只对基体起机械保护作用,6.2模具表面强化技术,电镀,3）镀铬具有良好的耐磨性和耐蚀性硬镀铬硬度高，耐磨性和耐蚀性好，镀层光亮，与基体结合紧密用于冷作模具和塑料模具的表面防护层用于尺寸超差模具的修复松孔镀铬表面具有许多微细沟槽和小孔有减摩性和抗黏着能力,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,原理将工件放在特殊介质中加热至一定温度，保持一定时间，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层或掺杂层，从而极大提高工件表面一定深度的耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性、抗高温氧化性等特点渗层与基体之间是冶金结合，结合强度很高，不易脱落或剥落,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,原理渗碳是为解决钢件（常用于中、低碳钢）表面要求高硬度、高耐磨性而心部又要求较高的韧性这一矛盾而发展起来的工艺方法。渗碳就是将低碳钢工件放在增碳的活性介质中，加热(900950)、保温，使碳原子渗入钢件表面，并向内部扩散形成一定碳浓度梯度的渗层。渗碳并不是最终目的，为了获得高硬度、高耐磨的表面及强韧的心部，渗碳后必须进行淬火加低温回火,6.2模具表面强化技术,1）固体渗碳在固体渗碳介质中进行的渗碳过程渗碳剂的组成固体炭：木炭或焦炭催渗剂：碱金属或碱金属的碳酸盐可用作催渗剂，其醋酸盐有更好的催渗作用和活性特点在密封钢制箱中进行，一般采用箱式电炉加热渗碳箱优点：无需专用设备，工艺简单，特别适用于批量小、尺寸大的零件缺点：渗碳过程控制困难，渗碳加热效率低，能源浪费大,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,2）气体渗碳将气体渗碳剂通入或滴入高温的渗碳炉中，进行裂化分解，产生活性原子，然后渗入模具表面渗碳剂的类型液体：碳氢化合物有机液体（煤油、苯、甲苯、丙酮等），采用滴入法气体：有天然气、丙烷及吸热式可控气氛，直接通入渗碳炉中特点优点：渗碳质量容易控制，渗碳效率高，可直接淬火缺点：需专门的设备（渗碳炉）,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,3）液体渗碳在能提供活性碳原子的熔融盐浴中进行的渗碳渗碳用盐浴通常由渗碳剂和中性盐组成渗碳剂：主要起渗碳作用，提供活性碳原子中性盐：主要起调节盐的相对密度、熔点和流动性的作用最初的液体渗碳都是采用氰盐作为渗碳剂，后代之以无毒盐配方，如木炭粉(60100目)70%，NaCl30%特点设备简单，渗碳速度快，碳量容易控制等。它适合于无专门的渗碳专用设备、中小零件的小批量生产,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,渗氮又称氮化，是在一定温度下将活性氮原子渗入模具表面的化学热处理工艺。渗氮后模具的变形小，具有比渗碳更高的硬度，可以增加其耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗蚀性及抗高温软化性等。渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮。特点1）氮化物层形成温度低，一般为480580，所以变形很小，但由于扩散速度慢，所以工艺时间较长2）不需再进行热处理，便具有较高的表面硬度（8501200HV）,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,1）气体渗氮把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件的表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能气体参氮可采用一般渗氮法（等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法等温渗氮：在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变，这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长（80h）多段渗氮：在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,2）离子渗氮又称辉光离子渗氮。把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击，高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度，同时获得电子，变成氮原子被模具表面吸收，并向内扩散形成氮化层，离子氮化可提高模具耐磨性和疲劳强度,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,2）离子渗氮特点1）加速了渗氮过程，仅相当于气体渗氮周期的1/21/32）渗氮温度低，可在350500下进行，工件变形小3）由于渗氮时气体稀薄，过程可控，使得渗层脆性小4）局部防渗简单易行，只要采取机械屏蔽即可5）经济性好，热利用率高，省电，省氨,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,碳氮共渗/氮碳共渗是在渗碳和渗氮的基础上发展起来的二元共渗工艺520580：氮碳共渗，以渗氮为主（又称软氮化）780930：碳氮共渗，以渗碳为主（又称氰化）特点氮碳共渗：与渗氮相比，工艺时间大大缩短，是一种表面硬度高、耐磨性好，耐疲劳性好、尺寸变形小的热扩渗工艺碳氮共渗：与渗碳相比，处理温度低，晶粒不易长大，渗后可直接淬火，变形开裂倾向小，耐疲劳性、耐磨性、耐蚀性和抗回火稳定性更好；与渗氮相比，生产周期大大缩短，对材料适用广,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,渗硼是继渗碳、氮之后发展起来的一项重要、实用的化学热处理工艺技术，是提高钢件表面耐磨性的有效方法。将工件置于能产生活性硼的介质中，经过加热、保温，使硼原子渗入工件表面形成硼化物层的过程称为渗硼。金属零件渗硼后，表面形成的硼化物（FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2、VB2、CrB2）及碳化硼等硬度极高（13002000HV）的化合物，热稳定好。其耐磨性、耐腐蚀性、耐热性均比渗碳和渗氮高，可广泛用于模具表面强化，尤其适合在磨粒磨损条件下的模具,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,1）固体渗硼用粉末或粒状介质进行渗硼的化学热处理工艺。固体渗硼时将工件埋入含硼的介质中或在工件表面涂以含硼膏剂，装箱密封，加热保温常用的渗硼剂有：碳化硼、硼铁合金、硼砂渗硼工艺主要是控制温度与保温时间，其中温度是影响渗硼层质量的主要因素。渗硼温度一般在8501000之间选择。渗硼保温时间一般为35h，最长不超过6h。最有实用价值的渗硼层厚度为70l50m。过长的渗硼保温时间不仅渗层深度增加不明显，而且使基体晶粒长大，渗层脆性增加，渗层与基体的结合力减弱,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,2）液体渗硼液体渗硼包括电解渗硼和盐浴渗硼电解渗硼：将工件浸入熔融状态的硼砂浴中，用石墨或不锈钢作阳极，以工件为阴级，以0.10.5A/cm2的直流电在熔融的硼砂浴中进行电解渗硼。在电解渗硼过程中，在阳极上将有氧气放出，在阴极上所电解出的钠将与工件表面附近的氧化硼发生置换反应，替出其中的硼，使之沉积在工件表面，达到渗硼的目的。电解渗硼的效率高，可在较低温度下渗硼，渗硼剂便宜，渗层深度易于控制。电解渗硼只适用于形状简单的零件，对于形状复杂的零件，由于各部分电流密度不同，会使渗硼层厚度不均匀。,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,2）液体渗硼液体渗硼包括电解渗硼和盐浴渗硼盐浴渗硼：是国内应用较多的一种渗硼法，渗硼剂的主要组成是以硼砂或碱金属的氯化物为主，加入碳化硅、铝、硅铁、锰铁等还原剂。一般情况下，渗硼温度为850950，时间为36h，熔融硼砂中加人氯化钠、氯化钡或碳酸盐等助熔盐类，可使渗硼温度降至700800。盐浴渗硼设备简单，操作方便，渗层组织容易控制，而且能处理形状较复杂的零件。但盐浴的活性差，工件清洗困难，坩埚寿命短，在大量生产中盐浴温度的均匀性、盐浴成分的均匀性均难保证,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,3）气体渗硼气体渗硼法是将工件密封在渗硼罐内，加热至渗硼温度(可低至750，但渗层极薄；以在950为宜)，并以氢气为载流和稀释气体将三氯化硼(BCl3)渗硼剂通入罐内。在通入三氯化硼的渗硼剂之前应先通入氢气10l5min，以驱除渗硼罐内的空气。,6.2模具表面强化技术,热扩渗技术,除渗入碳、氮、硼等非金属元素，还可以渗入铬、铝、锌等金属元素。在钢的表面渗入金属元素后，使钢的表面形成渗入金属的合金，从而可提高抗氧化、抗腐蚀等性能。各种合金钢的化学成分中，含有多种元素，因而可以兼有多种性能。同样在化学热处理中若向同一金属表面渗入多种元素，则在钢的表面可以具有多种优良的性能。将工件表层渗入多于一种元素的化学热处理工艺就称为多元共渗。由于各种模具的工作条件差异很大，只能根据模具工作零件的工作条件，经过分析和实验，找出最适宜的表面强化方法。当渗入单一元素的化学热处理不能满足模具寿命的要求时，可考虑多元共渗的方法。实践证明，适当的多元共渗方法对提高模具具有显著的效果。,6.2模具表面强化技术,高能束技术,新型热源如激光束、电子束、离子束的出现，为表面处理技术的发展另辟蹊径，由于这些热源具有能量高、加热迅速、加热层薄、变形很小、便于实现自动化等优点，大大促进了其在表面强化方面的开发和应用。,6.2模具表面强化技术,高能束技术,离子注入技术将注入元素的原子电离成离子，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件表面的一种表面处理技术。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等多种性能。因此近年来离子注入技术在模具领域中如冲裁模、拉丝模、挤压模、拉伸模、塑料模等得到了广泛应用，其平均寿命可提高210倍。但是目前离子注入技术在运用中还存在一些不足如离子注入层较薄、小孔处理困难、设备复杂昂贵等，其应用也受到一定的限制。,6.2模具表面强化技术,气相沉积技术,采用气相沉积技术在模具表面上制备硬质化合物涂层的方法，由于其技术上的优越性及涂层的良好特性，因此，他在各种模具、切削工具和精密机械零件等进行表面强化的主要技术，有着广阔的应用前景。根据沉积的机理不同，气相沉积可分为化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和等离子体化学气相沉积（PCVD）等。它们的共同特点是将具有特殊性能的稳定化合物TiC、TiN、SiN、Cr7C3等直接沉积于金属表面，形成一层超硬覆盖膜，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,6.2模具表面强化技术,气相沉积技术,PVD技术是指在真空条件下，用物理的方法，将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜技术PVD法的特点沉积温度低于600，它可在工具钢和模具钢的高温回火温度以下进行表面处理，故变形小，适合高精度的模具PVD法的主要问题涂层与基体间的结合强度较低，有沉积层发生早期剥离而失效的情况绕镀性较差，对深孔、窄槽的模具难以进行,6.2模具表面强化技术,气相沉积技术,1）真空蒸镀在真空条件下，加热成膜材料，使其蒸发汽化成原子或分子，并沉积到工件表面形成薄膜的方法。真空蒸发镀膜技术，相对于后来发展