五模具表面钢的热处理.docx

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五模具表面钢的热处理

五、模具表面强化技术

现代模具的要求：

“三高”

——高精度、高效率、高寿命。

模具主要的失效形式：

磨损和疲劳。

提高寿命的根本措施：

①提高模具的冲击韧性；

②提高模具表面的耐磨性。

（一）模具表面的耐磨技术

-----表面强化技术

1、表面改性技术分类

1）表面喷丸强化。

2）表面相变强化：

（1）表面淬火；

（2）表面溶扩处理：

①渗C、N、B；

②渗V、Cr、Ti；

③复合渗技术。

3）离子注入：

N+、N++Ag+。

2．涂镀技术

1）电火花强化覆层。

2）电镀层：

①镀硬质合金或合金；

②化学镀层（Ni+P合金）；

③弥散镀层（如镀Ni+SiC）。

3）热喷涂层：

火焰、电弧、等离子、气体爆炸等。

4）涂覆层：

防锈剂，润滑济。

3、薄膜技术

1）化学气相沉积

（1）TiC化学气相沉积装置组成：

（2）TiC沉积工艺过程：

A、将模具7置于氢气保护下，加热至1000～1500℃；

B、然后以氢气1作载流气体把四氯化钛5和甲烷10气体带入炉内反应室9中；

C、使TiCl4中钛与甲烷中的碳（以及钢件表面的碳）化合，形成碳化钛TiC；

D、反应的副产物则被气流带出室外。

其沉积反应如下：

（3）CVD特点与应用范围：

●基本与涂层结合力强，但变形大和需作热处理。

●作为表面保护，它可用于制取多种耐磨、耐蚀、耐热、耐火及装饰镀层。

（4）应用效果

2）物理气相沉积（PVD）

（1）定义

将金属、合金或化合物放在真空空中蒸发（或称溅射），使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺。

（2）分类：

真空蒸镀、阴极溅射和离子镀三类。

（3）特点（与CVD法相比）

A、优点：

处理温度较低，无需热处理；沉积速度较快、无公害等，因而有很高的实用价值。

B、不足：

沉积层与工件的结合力较小，镀层的均匀性稍差。

此外它的设备造价高，操作维护的技术要求也较高。

（4）真空蒸镀

A、定义

在高真空中使金属、合金或化合物蒸发，然后凝聚在基体表面上的方法。

B、应用

目前，真空蒸镀的方法和设备已有多种，不仅用于电气、电子设备，还广泛用于无公害的表面处理。

C、真空蒸镀原理

蒸发用热源：

电阻加热源、电子束加热源、高频感应加热源、激光、离子。

蒸镀过程：

①首先对真空装置及被镀零件（如模具）进行处理，去掉污物、尘埃、油迹等；

②把清洗过的零件装入镀槽支架上；

③补足蒸发物质（如TiC）；

④抽真空，先用回转泵油至13．3Pa，再用扩散泵抽至133×10-6Pa；

⑤在高真空下对零件加热，加热的目的是去除水分（150-200℃）和增加结合力（300～400℃）；

⑥对蒸镀物通电加热。

先输入较低的功率使蒸发物脱水、脱气之后，增大到蒸镀所需要的功率，打开蒸发源上部的盖板，蒸镀即开始，膜厚可根据蒸发源的功率大小及时间长短确定，但多用膜厚监测器控制。

达到厚度后，关闭盖板并停电；

⑦停镀后不要马上放入空气，需在真空条件下放置15～30min，使之冷却到100℃左右，以防镀层的蒸发源氧化损坏；

⑧关闭真空阀，导入空气，取出锻件。

D、真空蒸镀的主要缺点

（1）膜-基结合力弱，镀膜不耐磨，并有方向性；

（2）但设备简单工艺操作容易，可镀材料广，镀膜纯洁，广泛用于光学、电子器件和塑料制品的表面处理。

（5）阴极溅射

A、定义

用离子轰击某一靶材（阴极），使靶材表面原子以一定能量逸出，然后在工件（模具）表面沉积的过程。

B、阴极溅射系统

C、过程

（1）用沉积的材料（如TiC）作阴极靶，并接1～3kV的直流负高压；

（2）在真空室内通入压力为13.3-0.133Pa的氩气作为工作气体；

（3）在电场的作用下，氩气电离后产生的氩离子轰击阴极靶面;

（4）溅射出的靶材原子或分子以一定的速度落在工件表面产生沉积;

（5）使工件受热,工件的温度可达500℃左右。

D、特点

溅射下来的材料原子具有10～35eV的动能，比蒸镀时的原子动能大得多，因而溅射膜的附着力也比蒸镀膜大。

E、应用

离子轰击所产生的投射作用可用于任何类型的材料，难熔材料W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能像那些低熔点材料一样容易被沉积。

（二）表面处理的目的

----在模具表面形成一层强化层或润滑层

1、强化层

应具有比基体更高的强度，并与基体牢固结合，不易脱落。

2、润滑层

使模具材料与炽热工件相互隔开，减小摩擦系数。

（三）表面强化技术与模具寿命

1、喷丸强化

1）作用：

（1）冷作强化；

（2）改善表面粗糙度；

（3）去除电火花加工后的变质层（白亮层）；

（4）表面产生高的压应力，细晶强化。

2）应用：

落料模、冷冲模、冷镦模、热锻模等以疲劳失效形成为主的模具。

3）喷丸模具的寿命

例1、电动机定、转子模（Cr12）：

①喷丸前：

1.2～3.3万次；

②φ0.5mm铸钢丸喷丸：

11万次（一次刃磨使用寿命）。

例2、定子单槽冲模（Cr12）：

①喷前：

52万次；

②φ0.25～0.35玻璃丸喷后：

70万次/刃。

例3、活动板热精压模（3Cr2W8V）：

①喷丸前：

0.175万次；

②φ0.5铸钢丸喷后：

0.263万次；

③φ0.25～0.35玻璃丸喷后：

0.517万次。

2．表面扩渗处理

1）目的

提高表面的耐磨性，抗咬合性，疲劳强度等。

2）工艺

C、N、C+N、C+N+B、S+N+C、Cr、V、Ti等扩渗。

例如、稀土表面强化：

①提高渗速（催渗作用）；

②强化表面；

③净化表面。

3）对模具寿命的影响

（1）渗硼模具

例1、冷镦M16六方螺母凹模（Cr12MoV）

①淬火+低温回火：

0.3～0.5万件；

②渗硼+淬火+低温回火：

5.0～6.0万件。

例2、汽车轮胎热压冲模（3Cr2W8V）

①淬火+高温回火：

0.1万件；

②渗硼+淬火+高温回火：

0.42万件。

例3、釉油砖模板（Cr12MoV）

①淬火+低温回火：

6～7个班；

②45：

渗硼：

28个班。

例4、运输机连接环锤锻模（5CrMnMo）

①淬火+高温回火：

400～1200件；

②固体渗硼+淬火：

2500～4000件。

（2）渗金属

例1、螺母拉深模（Cr12MoV）

①淬火+低温回火：

0.1～0.2万件；

②淬火+低温回火+渗矾：

1.0万件。

例2、纪念币（Cr12MoV）

①淬火+低温回火：

3.0万件；

②淬火+低温回火+渗矾：

7.0万件。

例3、65Nb孔用档圈凸凹模：

常规：

1.0万件；

盐溶渗矾：

8.0万件。

例4、拉深凹模（Cr12MoV）：

常规：

20～30件/刃磨；

渗矾：

7130件/刃磨。

3．离子注入

1）目的

①形成多种极其弥散的硬质化合物；

②细晶强化；

③固溶强化；

④保证模具精度。

①②③可有效提高模具表面硬度和耐磨性。

2）对寿命的影响

例1、铜拉丝模（WC-6%Co）

注入N离子后，延寿4～6倍。

例2、环形冲压模（工具钢）:

注入N离子，寿命提高10倍。

例3、注塑模（WC-6%Co）:

注入N离子，延寿5～8倍。

例4、硅钢片冲头（WC-6%Co）:

注入N离子，延寿6倍。

例5、塑料挤压模（P-20工具钢）：

注向N离子，延寿2倍。

4．电火花强化覆层

1）目的

①将硬质导电材料溶渗到工件表面，构成合金化表面强化层。

②大大提高了模具表面的耐热性，耐蚀性，红硬性，耐磨性；

③但强化层薄，表面较粗糙，涂层均匀性差等缺点。

2）对模具寿命的影响

例1、冲压硅钢片（0.35～4mm厚）的落料模，电火花强化后，延寿2～3倍。

例2、电火花溶渗处理后的前轮壳锻模，寿命提高20%左右。

5．电镀层（镀铬层）

1）特性

耐磨、减摩、耐热、耐腐蚀、摩擦系数低、防咬合、便于脱模、表面光亮等特点；但与钢的结合强度有限，热膨胀系数差异大。

2）应用

非金属材料成形型腔模的表面硬化，不适合用于受急冷急热的热作模。

6．热喷涂层

1）特点：

耐磨，耐蚀，减摩，抗咬合等。

2）应用

适合大型模具，严重磨损条件的模具，具广泛修补模具。

例1、冷拨无缝钢管内模：

①原工艺：

45渗碳+镀铬，寿命为冷拨20～40根；

②现工艺：

火焰的喷涂镍基耐磨涂层，可冷拨250根。

例2、玻璃模具（灰口铸铁）

经热喷涂镍基自熔合金，寿命提高5倍以上。

7．薄膜技术

1）化学气相沉积（CVD）特点：

①可沉积各种材料；

②有较好的覆盖性；

③但沉积温度高800～1200℃。

2）物理气相沉积（PVD）特点：

①沉积温度低（200～400℃）；

②沉积速度高达4～50m/h（CVD为1～2m/h）。

3）对模具寿命的影响（TiC、TiN）

例1、Cr12MoV钢落料模，拉沉模，弯曲模，冲孔模等：

采用PVDorCVD沉积TiC，模具寿命提高3倍以上。

例2、高速钢冷作模具：

沉积TiC和TiN后，使用寿命提高6～10倍。

例3、65Nb和LM2钢制电池冲模：

采用PVD沉积TiN，模具寿命由6～10万件提高到22万件以上。

总之，采用表面强化处理的方法合理，模具使用寿命可提高几倍甚至数十倍。