模具表面的化学热处理技术概述

碳氮共渗的分类〔1〕碳氮共渗以渗碳为主，共渗温度820-870℃，渗剂为煤油、苯、甲苯、丙酮等，同时通入氨气，或使用尿素、甲酰胺等。材料一般为中、低碳钢及合金钢。〔2〕氮碳共渗以渗氮为主，共渗温度550-570℃，渗剂为尿素、甲酰胺、三乙醇胺等。材料不受限制。碳氮共渗已应用于压铸模、挤压模、塑料模等。第二节模具外表的化学热处理技术四、渗硼渗硼是将钢的外表渗入硼元素以获得铁的硼化物的热处理工艺方法。通过渗硼能显著提高钢件外表硬度(l400—2000HV)和耐磨性，以及具有良好的红硬性及耐蚀性。

钢的外表渗入硼后，由于硼在α-Fe中的溶解度很小，因此会形成硼化物Fe2B(硬度为l400—1600HV)，或FeB(硬度为l800—2000HV)。Fe2B脆性较小，一般呈梳齿状楔入基体；FeB脆性较大，易剥落。第二节模具外表的化学热处理技术渗硼方法

渗硼法有固体渗硼、液体渗硼及气体渗硼。但由于气体渗硼采用乙硼烷或三氯化硼气体，前者不稳定易爆炸，后者有毒，又容易分解，因此较少采用。现在生产上采用的是粉末渗硼和盐浴渗硼。1、固体渗硼法

目前最常用的是用以下配方的粉末渗硼法：5％KBF4+5％B4C+90％SiC+Mn-Fe。把这些物质的粉末和匀装入耐热钢板焊成的箱内，工件以一定的间隔(20一30mm)埋入渗剂内，盖上箱盖，在900—1000℃的温度保温1—5小时后，出炉随箱冷却即可。第二节模具外表的化学热处理技术渗剂中各局部的作用B4C为硼的来源，KBF4是催渗剂，SiC是填充剂，Mn-Fe那么起到使渗剂渗后松散而不结块的作用。一般渗硼后冷至室温开箱时，渗剂松散，工件外表无结垢等现象，无需特殊清理。由于固体渗硼法无需特殊设备，操作简单，工件外表清洁，已逐渐成为最有前途的渗硼方法。第二节模具外表的化学热处理技术2、盐浴渗硼

常用盐浴成分有以下三种：

(1)60％硼砂十40％碳化硼或硼铁；，

(2)50—60％硼砂+40—50％S1C；

(3)45％BaCI+45％NaCI+10％B4C或硼铁。

盐浴渗硼同样具有设备简单，渗层结构易于控制等优点。但有盐浴流动性差，工件粘盐难以清理等缺点。一般盐浴渗硼温度采用950—1000℃，渗硼时间根据渗层深度要求而定，一般不超过6小时。因为时间过长，不仅渗层增深缓慢，而且使渗硼层脆性增加。第二节模具外表的化学热处理技术渗硼后的热处理

对心部强度要求较高的零件，渗硼后还需进行热处理。由于FeB相、Fe2B相和基体的膨胀系数差异很大,加热淬火时，硼化物不发生相变，但基体发生相变。因此渗硼层容易出现裂纹和崩落。这就要求尽可能采用缓和的冷却方法，淬火后应及时进行回火。第二节模具外表的化学热处理技术五、渗金属

渗金属方法和渗硼法相类似，根据所用渗剂聚集状态不同，可分固体法、液体法及气体法。

1、固体法渗金属

最常用的是粉末包装法，把工件、粉末状的渗剂、催渗剂和防烧结剂共同装箱、密封、加热扩散而得。这种方法的优点是操作简单，无需特殊设备，小批生产应用较多，如渗铬、渗钒等。缺点是产量低，劳动条件差，渗层有时不均匀，质量不易控制等。第二节模具外表的化学热处理技术如固体渗铬，渗剂为100～200目铬铁粉(含Cr65％)(40—60)％+NH4Cl(12—3)％，其余为Al2O3,渗铬过程当加热至1050℃的渗铬温度时，氯化铵分解形成HCl，HCl与铬铁粉作用形成CrCl2，在CrCl2迁移到工件外表时，分解出活性铬原子[Cr]渗入工件外表。与此同时，氯与氢结合成HCI，HCI再至铬铁粉外表形成CrCl2，并重复前述过程而到达渗铬目的。第二节模具外表的化学热处理技术2、液体法渗金属

分为两种，一种是盐浴法，一种是热浸法。目前最常用的盐浴法渗金属是TD法。它是在熔融的硼砂浴中参加被渗金属粉末，工件在盐浴中被加热，同时还进行渗金属的过程。以渗钒为例：把欲渗工件放人(80—85)％Na2B407＋20～15)％钒铁粉盐浴中，在950℃保温3—5小时，即可得到一定厚度(几个微米到20微米)的渗钒层。第二节模具外表的化学热处理技术TD覆层的主要特点〔1〕具有很高的外表硬度，可达HV2800～3200，远高于氮化和镀硬铬等外表处理方法，因而具有极高的外表耐磨、抗拉伤和耐腐蚀等性能。〔2〕由于外表覆层是通过金属原子的扩散作用形成的，因此覆层与基体具有冶金结合，结合力较镀硬铬、PVD或PCVD的镀层高得多，这一点对于成形类模具的应用极其重要。〔3〕TD覆层厚度可达4～20mm，覆层致密光滑。〔4〕具有极高的耐腐蚀性能。〔5〕可以实现重复处理。第二节模具外表的化学热处理技术缺点是盐浴有比重偏析，必须在渗入过程中不断搅动盐浴。另外，硼砂的PH值为9，有腐蚀作用，必须及时清洗工件。适用材料只要材料含有一定量的碳元素，如含碳量大于0.3%的各类钢铁材料、硬质合金等，都可以在工件外表形成VC覆层。第二节模具外表的化学热处理技术TD法可以解决的问题〔1〕由粘着磨损所引起的模具与工件或工件与工件之间的拉伤、粘附问题，如各类钢板或有色金属的拉延、弯曲、翻边、滚压成形和压铸成形等模具或其他相互接触并有相对运动的工件外表，采用TD覆层处理是目前解决此类问题最好的方法之一，并可以提高其使用寿命数倍至数十倍。〔2〕由磨粒磨损、粘着磨损、摩擦氧化或其共同作用而引起的工件尺寸超差等问题，如冲裁、冷镦、粉末冶金等模具或其他零配件，通过TD覆层处理后，可提高使用寿命数倍至数十倍。第二节模具外表的化学热处理技术TD法的应用〔1〕汽车冲压件成形模具在高强度钢板和厚料板的冲压成形过程中，未经过外表处理的工件外表拉伤严重，有些甚至无法正常生产。经TD覆层处理后，一方面根本上解决了工件外表的拉伤问题，无须经常停机修磨模具，提高了生产效率，改善了产品的外观。另一方面，模具寿命一般可以达数十万件，并能确保冲压件尺寸的一致性，有效提升产品质量。〔2〕粉末冶金模具被加工材料为磁铁粉，原来模具材料Cr12，寿命2～4万次，后改用Cr12MoV，并进行TD覆层处理，寿命到达20～40万次，寿命提高10倍以上。第二节模具外表的化学热处理技术模具外表处理--TD覆层组织模具外表处理--TD覆层图第二节模具外表的化学热处理技术热浸法渗金属是较早应用的渗金属工艺，典型的例子是渗铝。其方法是：把渗铝零件经过除油去锈后，浸入780土10℃熔融的铝淬中经15—60分钟后取出，此时在零件外表附着一层高浓度铝覆盖层，然后在950～1050℃温度下保温4—5小时进行扩散处理。为了防止零件在渗铝时铁的溶解，在铝液中应参加10％左右的铁。铝液温度之所以如此选择，主要考虑温度过低时，铝液流动性不好，且带走铝液过多。温度过高，铝液外表氧化剧烈。第二节模具外表的化学热处理技术3、气体法渗金属

一般在密封的罐中进行，把坩埚加热至渗金属温度，被渗金属的卤化物气体掠过工件外表时发生置换、复原、热分解等反响，分解出的活性金属原子渗入工件外表。

以气体渗铬为例，其过程是：把枯燥氢气通过浓盐酸得到HCl气体后引入渗铬罐，在罐的进气口处放置铬铁粉。当HCl气体通过高温的铬铁粉时，制得了氯化亚铬气体。当生成的氯化亚铬气体掠过零件外表时，通过置换、复原、热分解等反响，在零件外表沉积铬，从而获得渗铬层。第二节模具外表的化学热处理技术气体渗铬速度较快，但氢气容易爆炸，氯化氢具有腐蚀性，故应注意平安。

渗金属法的进一步开展是多元共渗，即在金属外表同时渗入两种或两种以上的金属元素，如铬铝共渗，铝硅共渗等等。与此同时，还出现金属元素与非金属元素的两种元素的共渗，如硼钒共渗，硼铝共渗等。进行多元共渗的目的是兼取单一渗的长处，克服单一渗的缺乏。例如硼钒共渗，可以兼取单一渗钒层的硬度高、韧性好和单一渗硼层层深较厚的优点，克服了渗钒层较薄及渗硼层较脆的缺点，获得了较好的综合性能。第二节模具外表的化学热处理技术几种化学热处理工艺的比较处理方法渗碳氮化碳氮共渗处理工艺渗碳+淬火+低温回火氮化碳氮共渗+淬火+低温回火生产周期，约3-9h约20-50h约1-2h表层深度0.5-20.3-0.50.2-0.5硬度58-6365-70HRC(1000HV-1100HV)58-63耐磨性良好最好良好疲劳强度较好最好良好耐蚀性一般最好较好热处理后变形较大最小较小第二节模具外表的化学热处理技术第三节模具外表的涂镀技术一、电镀电镀是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子复原沉积在零件的外表而形成一定性能的金属镀层的工艺过程。电镀的根本工艺流程：磨光→抛光→脱脂〔去油〕→水洗→除锈→水洗→电镀→酸洗→碱洗→清洗→吹干→除氢→入库。常用的电镀方法

镀硬铬、硬镍是模具外表处理技术中的传统技术，通过利用电化学的方法在模具工作面上沉积薄层金属或合金的一种湿式镀覆。电镀操作温度低，模具发生变形较小，模具本身的性能几乎不受影响，镀层的摩擦系数低，显微硬度可达800HV，可以大大提高模具的耐磨性。但是，镀层的孔隙较大，耐腐蚀性能不高，不适用于耐腐蚀性要求高的模具。同时，由于电镀具有尖端效应，对于多孔、形状复杂的模具也不适用。

钢件镀铬工艺流程

除蜡→热浸除油→电解除油→弱酸浸蚀→镀铜→镀镍→镀铬。

镀铬的种类

装饰性镀铬、镀硬铬、松孔镀铬。二、电刷镀电刷镀是在导电工件〔或模具〕外表需要镀覆的外表快速沉积金属层的工艺。电刷镀又称为选择电镀、无槽镀、涂镀、笔镀、擦镀等。它是电镀的一种特殊方式，不用镀槽，只需在不断供电解液的条件下，用一支镀笔在工件外表上进行擦拭，即可获得电镀层。刷镀工艺简单，沉积速度快，操作方便，镀层质量和性能较好。易于现场操作，不受模具大小和形状的限制，用在报废模具和大模具的修复上经济效益明显。电刷镀的原理电刷镀的原理示意图镀笔结构图

不同形状的阳极

镀笔镀笔是电刷镀的重要工具，主要由阳极、绝缘手柄和散热装置组成。

电刷镀的特点1、设备简单，携带方便，不需要大的镀槽设备。2、工艺简单，操作方便，凡镀笔能触及到的地方均可电镀，特别适用于不解体机件的现场维修和野外抢修。3、镀层种类多，与基体材料的结合力强，力学性能好，能保证满足各种维修性能的要求。4、沉积速度快，生产效率高。5、刷镀液不含氰化物和剧毒药品，故操作平安，对环境污染小。6、但电刷镀劳动强度大，阳极包缠材料消耗大。电刷镀的应用电刷镀应用于热作模具，可提高模具寿命50％－200％，主要原因是刷镀层有良好的红硬性、耐磨性和抗氧化能力。材料为3Cr2w8V的热冲模刷镀处理后外表硬度达750HV，模具寿命提高1－3倍。电刷镀也可以大幅度提高冷作模具的寿命，这是因为刷镀层有高的硬度和良好的抗粘着性能。如连杆盖模3Cr2W8V经刷镀处理后提高寿命54．5％。三、化学镀化学镀是利用复原剂把电解质溶液中的金属离子化学复原在呈活性催化的工件外表沉积出能与基体外表牢固结合的涂镀层。化学镀不需外加电流。因此，化学镀没有电镀中因为电力分布不均而造成的深镀和分散能力差的问题。化学镀对于形状复杂、多孔洞、有棱边夹角的模具的处理最为有效，克服了电镀的缺点与缺乏。化学镀可在工件外表形成单一金属层〔如镀镍〕、合金镀层〔如Ni-P化学镀〕、复合镀层和非晶态镀层等。化学镀的应用在汽车用铸模、铝模具上化学镀镍，不仅可以提高脱模效果，还可使模具的使用寿命提高50％以上，且零部件的光洁度高。如用45钢加外表Ni-P化学镀代替不锈钢制作塑料型材挤出模，不但降低模具制造本钱，而且可以提高模具寿命，由于镀层改善了脱模性能，塑料成形周期缩短，型材外表质量显著改善。在生产应用中对模具外表性能要求是多元的，因此单金属的镀层往往不能满足质量要求，这些促使了复合镀技术的开展。现在复合镀技术的实施主要借助于电镀、刷镀、化学镀。复合镀后膜层质量和性能提高显著，模具寿命更长。如在模具外表上复合电镀Ni－w－P、NI－Fe—P、Co—W—P合金显著提高了汽车模具的耐磨性和使用寿命。如Ni—PTFE、Al2O3；镀层可提高抗蚀性能；Ni－WC、SiC、SiO2、SiO2镀层可提高耐磨及抗蠕变性能；Ni－Mo2镀层可提高减磨自润性能；Ni－Cr镀层可提高高温强度。第四节模具外表的气相沉积技术气相沉积技术是将含有沉积元素的气相物质输送到工件外表，在工件外表形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层的工艺方法。

气相沉积在工件外表覆盖一层厚度为0.5-10um的过渡族元素〔Ti,V,Cr,W,Nb等)的碳、氧、氮、硼化合物或单一的金属及非金属涂层。按沉积的主要属性可分为化学气相沉积〔CVD〕和物理气相沉积〔PVD〕，等离子体被引入化学气体沉积技术后，便形成等离子化学气相沉积〔PCVD〕。气相沉积的特点1、工件外表具有较高的硬度〔如TiC的硬度为3200-4100HV，TiN的硬度为2450HV〕，低的摩擦系数和自润滑性；2、高的熔点〔TiC的熔点为3160℃，TiN的熔点为2950℃〕，高的化学稳定性及抗粘结能力；3、高的耐腐蚀能力和抗高温氧化能力。

一、化学气相沉积化学气相沉积是利用气态物质在一定温度在工件外表上进行化学反响，生成固态物质沉积在加热的固态基体外表，形成固体沉积膜的的工艺技术。化学气相沉积通常称为CVD〔Chemicalvapordeposition的简称〕。CVD技术是一种热化学反响过程，是在特定的温度下，对经过特别处理的零件〔包括硬质合金和工具钢〕所进行的气态化学反响，即利用含有膜层中各元素的挥发性化合物或单质蒸汽，在热基体外表发生气相化学反响，反响产物沉积形成涂层的一种外表处理技术。CVD技术可用于各种金属成形模具和挤压模具。一般情况下，经过处理的零件具有很好的耐磨性能、抗高温氧化性能和耐腐蚀性能。CVD技术也被广泛应用于各种硬质合金刀片和冲头。但是，由于CVD是一个高温过程，对于大多数的钢质零件，在CVD涂层后要进行再次热处理。CVD技术的分类按照沉积化学反响能量激活分，可分为热CVD技术、等离子化学气相沉积技术〔PCVD〕、激光辅助化学气相沉积技术〔LCVD〕和金属有机化合物沉积〔MOCVD〕等。CVD技术特点〔1〕涂层材料具有极高的韧性，硬度可高达HV2500～3800，抗氧化温度可达900℃以上。〔2〕可同时进行技术处理的工件数量大，可大幅提高模具制造效率。〔3〕绕镀性好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件及带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。在高温处理反响器内无需旋转零件。〔4〕无论是具有复杂几何形状或者有内孔的零件，都可以实现高度均匀的涂层厚度。CVD技术的缺点处理温度较高，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，开展中温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。模具外表处理--CVD技术化学气相沉积的应用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外表上进行。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。其中CVD涂层技术具有更卓越的抗高温氧化性能和强大的涂层结合力，在高速钢切边模、挤压模上应用效果良好。美国将CVD用于紧固件模具，提高寿命3一5倍；用CVD技术来沉积TiC和TiN于拉深凹模，提高寿命8倍。目前模具外表处理中应用较多的是铝型材挤压模具和精密叶片热锻模具，经过处理后，有较好的耐磨性和抗疲劳性，使用寿命提高一倍，由原来2.5t的通料量提高到5t。现在CVD技术开展是以等离子体、电子束、激光束、离子束、微波等先进科学技术的成就为根底，向着高效、节能、控制高度自动化、精确化的方向开展。二、物理气相沉积物理气相沉积是用物理方法把欲涂覆的物质沉积在工件外表形成膜的过程。是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反响产物沉积在工件上。物理气相沉积通常称为PVD〔Physicalvapordeposition的简称〕。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，应用于精密模具外表强化处理，显示出良好的应用效果。

物理气相沉积适用范围广泛，几乎所有材料的薄膜都可以用物理气相沉积来制备，但是薄膜厚度的均匀性是物理气相沉积中的一个问题。物理气相沉积常用的方法

真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀。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。PVD技术的开展PVD技术出现于二十世纪七十年代末，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视，人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也在硬质合金、陶瓷类刀具中进行了更加深入的涂层应用研究。PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的TiN开展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN等多元复合涂层。与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的开展方向。目前PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具、塑料模等的涂层处理。模具外表处理--PVD技术第五节模具外表的其他处理技术一、热喷涂将熔融或半熔融态喷涂材料,喷射并沉积到基体上,形成覆盖层的一种外表防护技术。喷涂材料可以是金属、合金、塑料、陶瓷、金属陶瓷及它们的复合物,其形态有粉末、棒材和丝材3种。被喷涂的基材可以是金属、合金、陶瓷、塑料、石膏、木材甚至纸、布等。热喷涂大致可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、激光喷涂、电热热源喷涂以及“冷喷〞。在生产中应用的主要是等离子喷涂〔48％〕和高速火焰喷涂〔25％〕。在模具上采用热喷涂金属陶瓷涂层对其外表进行强化，可提高其硬度、抗黏