模具材料及表面强化技术：第六章 模具表面处理技术

第六章模具表面处理技术讲授的主要内容6.1表面化学热处理技术6.2涂镀技术6.3其他表面处理技术模具表面强化的目的

(1)提高模具表面的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能，大幅度提高模具的使用寿命。

(2)提高模具表面抗擦伤能力和脱模能力，提高生产率。

(3)采用碳素工具钢或低合金钢．经表面涂层或合金化处理后，可达到或超过高合金化模具材料甚至硬质合金的性能指标，不仅可大幅度降低材料成本，而且可以简化模具制造的加工工艺和热处理工艺，降低生产成本。

(4)可用于模具的修复，尤其是电刷镀技术可在不拆卸模具的前提下完成对模具表面的修复。

(5)可用于模具表面的纹饰，以提高其塑料制品的档次和附加值。常用的表面处理技术化学热处理渗碳、渗氮、碳氮共渗渗硼、渗金属热喷涂电镀与化学镀→电刷镀高能束改性激光淬火、激光熔覆电子束淬火、电子束熔覆离子注入－浸没式等离子注入技术气相沉积PVDCVDPage5表6-1模具表面处理技术的作用及应用处理工艺作用应用渗碳提高硬度(52～56HRC)、耐磨性、耐疲劳性挤压模、穿孔工具等渗氮提高硬度、耐磨性、抗粘附性、热硬性、耐疲劳性、抗蚀性(但周期长，表面有白色脆化层)挤压模、冷挤模等离子渗碳可消除表面白色的脆化层，耐磨性、耐疲劳性和变形均优于氮化挤压模、挤压工具等碳氮共渗相比渗碳和渗氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲劳性、热硬性、热强性，生产周期短成型模、冷挤模、热挤模和模架等氮碳共渗提高硬度、耐磨性、抗粘附性、抗蚀性、耐热疲劳性冷挤模、拉深模、挤压模穿孔针渗硼具有极好的表面硬度、耐磨性、抗粘附性、抗氧化性、热硬性、良好的抗蚀性挤压模、拉深模碳氮硼三元共渗提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性挤压模、冲头针尖盐浴覆层(TD处理)提高硬度、耐磨性、耐热疲劳性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性挤压模渗铬提高硬度、耐磨性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性挤压模、拉深模镀硬铬降低表面粗糙度，提高表面硬度、耐疲劳性、抗蚀性挤压模、拉深模等钴基合金堆焊提高硬度、耐磨性、热硬性挤压模冲头、芯杆针尖电火花表面强化提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性冷、热挤压模等喷丸处理提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性热挤压模、冲头针尖Page66.1表面化学热处理技术表面化学热处理的作用主要有以下两个方面。(1)强化工件表面(2)保护工件表面Page76.1表面化学热处理技术一、渗碳(一)气体渗碳气体渗碳是将工件置于密闭的渗碳炉中加热到900～950℃(常用930℃)，通入渗碳气体(如煤气、石油液化气和丙烷等)或易分解的有机液体(如煤油、甲苯和甲醇等)，在高温下通过反应分解出活性碳原子，活性碳原子渗入工件表面的高温奥氏体中，并通过扩散形成一定厚度的渗碳层。Page86.1表面化学热处理技术一、渗碳(二)固体渗碳图6-1滴注式气体渗碳炉工作示意

图6-2固体渗碳装箱示意Page96.1表面化学热处理技术二、渗氮(氮化)渗氮也称为氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的表面化学热处理工艺。Page106.1表面化学热处理技术二、渗氮(氮化)气体渗氮离子渗氮真空渗氮氮碳共渗电解催渗渗氮常用的渗氮方法Page116.1表面化学热处理技术二、渗氮(氮化)(一)气体渗氮(1)经过渗氮后钢表面形成一层极硬的合金氮化物，渗氮层的硬度一般可达到68～72HRC，不需要再经过淬火便具有很高的表面硬度和耐磨层，而且还可以保持到600～650℃而不明显下降。(2)渗氮后钢的疲劳极限可提高15%～35%。这是由于渗氮层的体积增大，使工件表面产生了残余压应力。(3)渗氮后的钢具有很高的抗腐蚀能力。(4)渗氮处理后，工件的变形很小，适合精密模具的表面强化。Page126.1表面化学热处理技术二、渗氮(氮化)(一)气体渗氮表6-2部分模具钢的气体渗氮工艺规范牌号处理方法渗氮工艺规范渗氮层深度/mm表面硬度阶段渗氮温度/℃时间/h氨分解率/%30CrMnSiA一段—500±525～3020～300.2～0.3>58HRCCr12MoV二段ⅠⅡ480530182514～2736～60≤0.2720～860HV40Cr一段4902415～350.2～0.3≥600HV二段ⅠⅡ480±10500±102015～2020～3050～600.3～0.5≥600HV4Cr5MoV1Si一段—530～5501230～600.15～0.2760～800HVPage136.1表面化学热处理技术二、渗氮(氮化)(二)离子渗氮离子渗氮有如下特点：(1)渗氮速度快，生产周期短。(2)渗氮层质量高。(3)工件的变形小。(4)对材料的适应性强。Page146.1表面化学热处理技术二、渗氮(氮化)(二)离子渗氮表6-3部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果模具名称模具材料离子渗氮工艺使用效果冲头W18Cr4V500～，6h提高2～4倍铝压铸模3Cr2W8V500～，6h提高1～3倍热锻模5CrMnMo480～，6h提高3倍冷挤压模W6Mo5Cr4V2500～，2h提高1.5倍压延模Cr12MoV500～，2h提高5倍Page156.1表面化学热处理技术三、渗硫气体渗硫熔盐渗硫渗硫方法可按介质的物理状态Page166.1表面化学热处理技术四、碳氮共渗与氮碳共渗根据使用介质物理状况不同固体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗(一)碳氮共渗Page176.1表面化学热处理技术四、碳氮共渗与氮碳共渗根据共渗温度的不同高温(900～950℃)中温(700～880℃)低温(500～600℃)(一)碳氮共渗Page186.1表面化学热处理技术四、碳氮共渗与氮碳共渗气体碳氮共渗的特点如下：(1)共渗层的力学性能综合了渗碳和渗氮的优点。(2)碳氮共渗使共渗层的奥氏体相温度降低。(3)氮的渗入使共渗层的奥氏体的稳定性提高，渗层的淬火性提高，这样共渗后除可以用冷却速度较缓慢的介质进行淬火而减少变形外，还可以用较便宜的碳素钢代替低合金钢制造某些模具。(4)气体碳氮共渗的速度大于单独渗碳或渗氮的速度，缩短了生产周期。Page196.1表面化学热处理技术四、碳氮共渗与氮碳共渗(二)氮碳共渗气体氮碳共渗所用的温度常采用560～570℃，时间为2～3h。与气体渗氮相比，低温气体氮碳共渗的特点有：(1)渗入温度低，时间短，工件变形小。(2)不受钢种限制，碳钢、低碳合金钢、工具钢及不锈钢等材料均可进行低温气体氮碳共渗。(3)能显著提高工件的疲劳极限、耐磨性和耐蚀性。(4)共渗层硬而具有一定的韧性，不易剥落。Page206.1表面化学热处理技术五、渗硼渗硼的特点如下：(1)渗硼层的硬度很高。(3)热硬性高。(2)耐蚀性高。(4)耐热性高。Page216.1表面化学热处理技术五、渗硼渗硼的特点如下：渗硼的方法液体渗硼气体渗硼固体渗硼Page226.1表面化学热处理技术五、渗硼表6-4部分模具渗硼的强化效果模具名称钢号淬火、回火态寿命渗硼态寿命冷冲裁模CrWMn0.5万件1万件热挤压模30Cr3W5V100h261h热锻模5CrNiMo0.5万件1万件热锻用冲头55Ni2CrMnMo100h240h连杆热成型模5CrMnMo2万件6万件冷镦六方螺母凹模Cr12MoV0.5万件6万件冷轧顶头凸模65Mn0.4万件2万件Page236.1表面化学热处理技术六、渗金属渗铬渗钒及TD法渗钒渗铌渗铬Page246.2涂镀技术一、电镀图6-3电镀装置示意图Page256.2涂镀技术一、电镀电镀基本工艺可以用流程表示为：磨光→抛光→脱脂→水洗→去锈→水洗→电镀→酸洗→碱洗→清洗→出槽。Page266.2涂镀技术二、电刷镀图6-4电刷镀工作原理示意图Page276.2涂镀技术二、电刷镀电刷镀具有以下特点：(1)镀层质量高。(2)不受镀件、模具形状和大小的限制，设备简单，工艺灵活，操作方便，可在现场作业。(3)可以进行槽镀困难或实现不了的局部电镀。(5)操作安全，对环境污染小。(4)沉积速度快，生产率高。Page286.2涂镀技术三、化学镀化学镀是利用合适的还原剂，使溶液中的金属离子在经催化的表面上还原出金属镀层化学方法。Page296.2涂镀技术四、热浸镀热浸镀简称热镀，是将基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其金属表面发生一系列物理和化学反应，形成一层保护膜的方法。Page306.2涂镀技术四、热浸镀保护气法溶剂法根据热浸镀前处理的方法不同Page316.2涂镀技术四、热浸镀热浸镀工艺分镀前表面处理、助镀处理、热浸镀和镀后处理4个基本工艺阶段，主要工艺流程为：预镀件碱洗→酸洗→水洗→稀盐酸处理→水洗→溶剂处理→烘干→热浸镀→镀后处理。其中，溶剂处理是该工艺的重要环节，是提高镀层质量、防止漏镀的关键。Page326.3其他表面处理技术一、热喷涂热喷涂工艺过程喷后处理喷涂喷涂前预处理Page336.3其他表面处理技术一、热喷涂电热法燃气法根据所用热源的不同来分类激光热源法气体放电法Page346.3其他表面处理技术一、热喷涂热喷涂技术具有如下特点：2134方法多样。可喷涂材料极为广泛。涂层广泛。工件不受限制。Page356.3其他表面处理技术一、热喷涂热喷涂技术具有如下特点：65涂层厚度可以控制。工艺简便且不受工件限制。Page366.3其他表面处理技术二、激光表面处理激光表面处理的特点有：(2)能量利用率高，加热极为迅速并靠自激冷冷却。(1)能量集中，可对工件表面实行选择性处理。Page376.3其他表面处理技术二、激光表面处理激光表面处理的特点有：(4)利用高能束可以对材料的表面实现相变硬化、微晶化、冲击加热硬化、覆层镀层合金化等多种表面改性处理，可产生用其他表面加热处理淬火强化难以达到的表面成分、组织、性能的改变。(3)畸变极小，可大大减少后续加工工时。Page386.3其他表面处理技术二、激光表面处理图6-5激光表面处理装置示意图Page396.3其他表面处理技术三、离子注入图6-6离子注入装置示意图Page406.3其他表面处理技术三、离子注入离子注入技术与气相沉积、等离子喷涂、电子束和激光束热处理等表面处理工艺不同，其主要特点是：(1)离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的2～3个数量级。原则上，元素周期表上的任何元素都可注入任何基体材料。(2)注入元素的种类、能量、剂量均可选择，用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法得不到的新合金。Page416.3其他表面处理技术三、离子注入离子注入技术与气相沉积、等离子喷涂、电子束和激光束热处理等表面处理工艺不同，其主要特点是：(3)离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面，因此表面不存在粘附破裂或剥落的问题，与基体结合牢固。(4)离子注入控制电参量，故易于精确控制注入离子的密度分布，浓度分布可以通过改变注入能量加以控制。Page426.3其他表面处理技术三、离子注入离子注入技术与气相沉积、等离子喷涂、电子束和激光束热处理等表面处理工艺不同，其主要特点是：(5)离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无形变，无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适于高精密部件的最后工序。(6)可有选择地改变基体材料的表面能量，并在表面内形成压应力。Page436.3其他表面处理技术四、气相沉积物理气相沉积(PVD)化学气相沉积(CVD)按照过程的本质Page446.3其他表面处理技术四、气相沉积(1)涂层具有很高的硬度(TiC为3

200～4

100HV，TiN