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1、第第9章章 模具的热处理及表面强化技术模具的热处理及表面强化技术第第9 9章章 模具的热处理及表面强化技术模具的热处理及表面强化技术模具热处理及表面强化是模具制造中的关键工艺之一，直接关系到模具的制造精度、力学性能、使用寿命以及制造成本，是保证模具质量和使用寿命的重要环节。模具在实际生产使用中表明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起的失效居于首位。在模具设计制造过程中，若能正确选用钢材，选择合理的热处理及表面强化技术工艺，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。9.1模具的热处理模具的热处理模具钢的热处理 模具钢的热处理工艺是指模具钢在加
2、热、冷却过程中，根据组织转变规律制定的具体热处理加热、保温和冷却的工艺参数。根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，热处理工艺可分为常规热处理、表面热处理（表面淬火和化学热处理等）等。热处理可分为预备热处理和最终热处理。模具钢的常规热处理主要包括退火、正火、淬火和回火。1退火工艺退火一般是指将模具钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后使其缓冷至室温，获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。其组织为铁素体基体上分布着碳化物。退火目的：消除钢中的应力，降低模具材料的硬度，使材料成分均匀，改善组织，为后续工序(机加工、冷加工成形、最终热处理等)做准备。退火工艺根据加热温度不同可分为：1）完全退火 2
3、）不完全退火 3）等温退火 4)球化退火 图9.1常用球化退火工艺 图9.2正火工艺1-一次球化退火；2-等温球化退火；3-多次球化退火 2正火工艺正火工艺是将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或Accm(对于过共析钢)以上适当的温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，得到珠光体类型组织的热处理工艺。3淬火与回火将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度进行冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火工艺的关键是要控制加热速度、淬火温度、保温时间以及冷却速度。回火是紧接淬火的一道热处理工艺，大多数淬火模具钢都要进行
4、回火。目的是稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当匹配，以满足不同模具的性能要求。决定模具回火后的组织和性能最重要的因素是回火温度。回火可分为低温、中温和高温回火。4真空热处理在热处理时，被处理模具零件表面发生氧化、脱碳和增碳等效应，都会给模具使用寿命带来严重的影响。为了防止氧化、脱碳和增碳。利用真空作为理想的加热介质，制成真空热处理炉。零件在真空炉中加热后，将中性气体通入炉内的冷却室，在炉内利用气体进行淬火的为气冷真空处理炉，利用油进行淬火的为油冷真空处理炉。模具钢经过真空热处理后具有良好的表面状态，其表面不氧化、不脱碳，淬火变形小。而与大气下的淬
5、火工艺相比，真空淬火后，模具表面硬度比较均匀，而且还略高一点。（1）真空热处理的特点（2）真空热处理设备 1）真空退火炉；2）真空淬火炉；3）真空回火炉（3）真空热处理工艺常用冷作模具钢热处理常用冷作模具钢热处理 1冷作模具的工作条件和对模具材料的性能要求 冷作加工是金属在室温下进行冲压、剪断或形变加工的制造工艺，如冷冲压、冷镦锻、冷挤压和冷轧加工等。由于各种冷作加工的工作条件不完全相同，因此对冷作模具材料的要求也不完全一致。2碳素工具钢的热处理要求不太高的小型简单冷作模具可以采用碳素工具钢。应用较多的为T8A和Tl0A。Tl0A钢热处理后硬而耐磨，但淬火变形收缩明显；T8A钢韧性较好，但耐磨
6、性稍差。除了碳元素以外，碳素工具钢不含有其他合金元素，因此其淬透性较差，常规淬火后硬化层仅有1.53mm。碳素工具钢淬火后得到马氏体组织，使模具具有高硬度和耐磨性。3 3低合金模具钢的热处理低合金模具钢的热处理 冷作模具常用的低合金工具钢有：CrWMn、9Mn2V、9SiCr、GCrl5等。此类钢是在碳素工具钢的基础上，加入了适量的Cr、W、Mo、V、Mn等合金元素。合金元素总含量低于5%为低合金工具钢。合金元素的加入提高了钢的淬透性以及过冷奥氏体的稳定性。图9.3 CrWMn钢球化退火工艺规范 图9.4 9SiCr钢球化退火工艺规范4高合金模具钢的热处理高合金模具钢的热处理高合金模具钢有含高
7、铬和中铬工具钢、高速钢、基体钢等。此类钢含有较多的合金元素，具有淬透性好、耐磨性高及淬火变形小等特点，广泛用作承受负荷大、生产批量大、耐磨性要求高及形状复杂的模具。（1）高碳高铬钢 成分特点是高铬、高碳量，是冷作模具钢中应用范围最广、数量最大的。代表性钢有Crl2、Crl2MoV、Crl2W Crl2MolVl(D2)等。该类钢锻后通常采用球化退火处理，退火后硬度为207255HB。(2)高速钢 铜或铝零件冷挤压时，模具受力不太剧烈，一般可以采用Crl2型模具钢。但黑色金属冷挤压时，受力剧烈，工作条件十分恶劣，对模具提出了更高的要求，因此高速钢来制造模具。高速钢热处理后具有高的硬度和抗压强度、
8、良好的耐磨性，能满足苛刻的冷挤压条件。常用的冷挤压高速钢有W6Mo5Cr4V2钢、Wl8Cr4V钢、6W6Mo5Cr4V钢。热作模具钢热处理热作模具钢热处理 1热作模具的工作条件和对模具材料的性能要求热作模具主要用于热压力加工（包括锤模锻、热挤压、热镦锻、精密锻造、高速锻造等)和压力铸造模具。热锻模，承受着较大的冲击载荷和工作压力，模具的型腔除产生剧烈的摩擦外，还经常被加热到较高的高温与毛坯接触。2锤锻模具的热处理常用作锤锻模的钢种有5CrNiMo,5CrMnMo,5CrMnSiMoV等。5CrNiMo钢具有高的淬透性，良好的综合力学性能，主要用作形状复杂、冲击负荷大的较大型锻模。3热挤压及压
9、铸等模具的热处理热挤压及压铸等模具要求模具钢有较高的高温性能，如热强性、热疲劳、热熔损、回火抗力及热稳定性等。塑料模具钢热处理塑料模具钢热处理 塑料制品已在工业及日常生活中得到广泛应用。塑料模具已向精密化、大型化方向发展，对塑料模具钢的性能要求越来越高。一般要求塑料模具钢有良好的综合性能，对模具材料的强度和韧性要求不如冷作和热作模具高，但对材料的加工工艺性能要求高，如热处理工艺简便、变形小或者不变形、预硬状态的切削加工性能好、镜面抛光性能和图案蚀刻性能优良等。塑料模具钢所要求的基本性能：1)综合力学性能 2)切削加工性能 3)镜面加工性 4)图案蚀刻性能 5)耐蚀性能 同时还应具有良好的预硬化
10、性能、较高的冷压性能和补焊性能等。塑料模具钢根据化学成分和使用性能，可以分为：渗碳型、预硬化型、耐蚀型、时效硬化型和冷挤压成形型等。1 1渗碳型塑料模具钢的热处理渗碳型塑料模具钢的热处理受冲击大的塑料模具零件，要求表面硬而心部韧，通常采用渗碳工艺、碳氮共渗工艺等来达到此目的。常用渗碳型橡塑模具钢有20、20Cr、l2CrNi2、l2CrNi3、l2Cr2Ni4、20Cr2Ni4钢等。2 2预硬化型塑料模具钢的热处理预硬化型塑料模具钢的热处理 预硬化型塑料模具钢是指将热加工的模块，预先调质处理到一定硬度(一般分为10HRC、20HRC、30HRC、40HRC四个等级)供货的钢材，待模具成形后，不
11、需再进行最终热处理就可直接使用，从而避免由于热处理而引起的模具变形和开裂，这种钢称预硬化钢。预硬化钢最适宜制作形状复杂的大、中型精密塑料模具。常用的预硬型橡塑模具钢有3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMo(P4410)、8Cr2MnWMoVS、4Cr5MoSiVl、P20SRe、5NiSCa等。3 3时效硬化型塑料模具钢的热处理时效硬化型塑料模具钢的热处理对于复杂、精密、高寿命的塑料模具，模具材料在使用状态必须有高的综合力学性能，为此，必须采用最终热处理。但是，采用一般的最终热处理工艺，往往导致模具的热处理变形，模具的精度就很难达到要求。而时效硬化型橡塑模具钢在固溶处理后变软(一般为2834
12、HRC)，可进行切削加工，待冷加工成形后进行时效处理，可获得很高的综合力学性能。时效热处理变形很小，而且该类钢一般具有焊接性能好，可以进行渗氮等优点。适合于制造复杂、精密、高寿命的塑料模具。时效硬化型塑料模具钢有马氏体时效硬化钢和析出（沉淀）硬化钢两大类。4 4耐腐蚀型塑料模具钢的热处理耐腐蚀型塑料模具钢的热处理生产对金属有腐蚀作用的塑料制品时，工作零件采用耐蚀钢制造。常用钢种有Crl3型和9Crl8钢等可强化的马氏体型不锈钢。表为常用耐腐蚀塑料模具钢的真空热处理工艺。9.29.2模具的表面化学热处理模具的表面化学热处理化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化性等性能。几
13、乎所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。化学热处理就是利用化学反应和物理冶金相结合的方法改变金属材料表面的化学成分和组织结构，从而使材料表面获得某种性能的工艺过程。渗碳渗碳渗碳是一种历史悠久、应用相当广泛的化学热处理方法。迄今为止，渗碳或碳氮共渗仍然属于应用广泛的表面强化方法，渗碳技术主要用于低碳钢制造模具零部件的表面强化。中高碳的低合金模具钢和高合金钢也可以进行渗碳或碳氮共渗。渗碳是为解决钢件表面要求高硬度、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。渗碳工艺按渗碳介质可以分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳。1固体渗碳固体渗碳是在固体渗碳介质中进行的渗碳过程。渗碳剂由两
14、部分组成：固体炭和催渗剂。固体炭可以是木炭也可以是焦炭，碱金属或碱金属的碳酸盐可用作催渗剂。1 1固体渗碳固体渗碳固体渗碳是在固体渗碳介质中进行的渗碳过程。渗碳剂由两部分组成：固体炭和催渗剂。固体炭可以是木炭也可以是焦炭，碱金属或碱金属的碳酸盐可用作催渗剂。典型的固体渗碳工艺规范见图9.5。a)一般渗碳工艺规范 b)分级渗碳工艺规范图9.5典型的固体渗碳工艺规范 1.1.固体渗碳固体渗碳固体渗碳是在固体渗碳介质中进行的渗碳过程。渗碳剂由两部分组成：固体炭和催渗剂。固体炭可以是木炭也可以是焦炭，碱金属或碱金属的碳酸盐可用作催渗剂。典型的固体渗碳工艺规范见图9.5。2.2.气体渗碳气体渗碳 固体渗
15、碳有很多优点，如可用各种形式的加热炉、不需要任何控制气氛、对小批量和大工件比较经济、不需要特殊缓冷设备等；但有很多不利之处，如工作环境条件差，在要求较浅的渗碳层时不易控制渗碳层深度、碳含量及碳浓度的梯度，需要直接淬火时操作比较困难等。常见的气体渗碳剂有两类：一类是碳氢化合物的有机液体，采用滴入法，将液体渗碳剂（如煤油、苯、甲苯、丙酮等）滴入高温的渗碳炉；另一类是气体，可直接通入渗碳炉中，有天然气、丙烷及吸热式可控气氛。气体渗碳的主要设备是渗碳炉。气体渗碳炉可以分为批装式和连续式两大类。批装式炉是把工件成批装入炉内，渗碳完毕后再成批出炉。连续式炉是把工件依次连续地从炉的一端送入炉中渗碳，而在渗碳
16、完毕后从炉的另一端输出。气体渗碳工艺需要根据工件的钢种、形状、数量、渗碳层深度、渗碳层内碳的浓度及梯度等要求和现有设备条件来选择。图9.6所示为煤油-甲醇滴控气体渗碳工艺规程。图9.6 煤油-甲醇滴控气体渗碳工艺规程渗氮渗氮渗氮也称氮化，是在一定温度下(一般在Ac1以下)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。渗氮工艺有以下特点。1）氮化物层形成温度低，一般为480580，由于扩散速度慢，所以工艺时间长；2）氮化处理温度低，变形很小3）渗氮工件不需再进行热处理
17、，便具有较高表面硬度（850HV）。1气体渗氮 （1）气体渗氮工艺参数 （2）典型渗氮工艺 2离子渗氮图 3碳氮共渗图9.7 45钢碳氮共渗工艺 渗硼渗硼 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。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。1固体渗硼 固体渗硼主要是用粉末或粒状介质进行渗硼的化学热处理工艺。2液体渗硼 液体渗硼包括电解渗硼和
18、盐浴渗硼。电解渗硼是工件浸入到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。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。9.3模具的其他表面处理技术模具的其他表面处理技术 模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、
19、疲劳性能等。这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以提高模具表面质量，延长模具寿命。激光表面处理技术激光表面处理技术 激光表面处理技术是指一定功率密度的激光束以一定的扫描速度照射到工件的工作面上，在很短时间内，使被处理表面由于吸收激光的能量而急剧升温，当激光束移开时，被处理表面由基材自身传导而迅速冷却，使之发生物理、化学变化，形成具有一定性能的表面层，提高材料表面硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等。1 1激光相变硬化激光相变硬化 激光相变硬化也称为激光淬火，它是以高能量的激光束，快速扫描工件，使工件表层迅速加热到奥氏体化温度，内部
20、材料则保持冷态，随后通过热量往基体深部的传导，使加热的表层以很快的速度冷却，得到极细的马氏体组织，达到自身淬火的目的。2 2激光熔凝处理激光熔凝处理 激光熔凝处理是利用比激光淬火更高能量密度(104106W/cm2)的激光束对金属表面进行扫描，使金属表层快速熔化，并造成熔化金属与基体之间很大的温度梯度，激光移开后，熔化金属快速冷却，所得的组织非常细密。又称激光上釉。3 3激光涂覆激光涂覆 激光涂覆，是采用激光加热使材料表面层熔化，同时加入另外的材料成分一起熔化后迅速凝固形成新的合金层，在表面涂覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料。4 4激光合金化激光合金化 激光合金化是在高能束激光作用下，
21、将一种或多种合金元素与基材表面快速熔凝，从而使材料表层具有预定的高合金特性的技术，即利用激光改变金属及合金表面化学成分的技术。电火花表面强化电火花表面强化 电火花加工技术广泛应用于模具制造、复杂表面形状的零件加工和难切削材料的加工。电火花表面强化技术是利用电火花强化金属表面的部位，较其他方法简单，效果好，因而它在实际生产中得到广泛的应用。图电火花表面强化工艺的工作原理 电火花强化也存在强化层薄、表面较粗糙、表层均匀性差等不足。因此，在电火花强化之后，为了得到所要求的精度，可进行适当的磨削加工。气相沉积技术气相沉积技术 气相沉积技术是在模具表面上制备硬质化合物涂层，由于其技术上的优越性及涂层的良
22、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、Ti(C，N)、(Ti，Al)N、(Ti，Si)N等直接沉积于金属工件表面，形成一层超硬覆盖膜，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 1化学气相沉积化学气相沉积 (1)化学气相沉积的概念及特点 化学气相沉积(CVD)是指在一定的温度条件下，混合气体与基体表面相互作用，使混合气体中的某些成
23、分分解，并在基体表面形成金属或化合物等的固态膜或镀层。CVD法是将工件置于有氢气保护的炉内，加热到高温(800以上)，向炉内通入反应气体，使之在炉内热解，化合成新的化合物沉积在工件表面，其覆膜厚度一般为610m。图9.9化学气相沉积TiN的设备原理2 2物理气相沉积物理气相沉积 物理气相沉积(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。（1）物理气相沉积技术的工艺过程）物理气相沉积技术的工艺过程 物理气相沉积技术所有方法的工艺过程均可以分为三步：第一步是成膜材料的汽化，即成膜材料的蒸发、
24、升华、被溅射、分解，也就是成膜材料的源；第二步为成膜原子、分子或离子从源到基片的迁移过程，在这一过程中粒子间可能发生碰撞，产生离化、复合、反应、能量的变化和运动方向的改变等一系列复杂过程；第三步是成膜原子在基片表面的吸附、堆集、形核和长大成膜。（2 2）真空蒸镀）真空蒸镀 真空蒸镀是在真空条件下，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。（3 3）溅射镀膜）溅射镀膜 溅射镀膜是在一定的真空条件下，采用辉光放电技术，将氩气电离产生氩离子，氩离子在电场力的作用下加速轰击阴极，使阴极材料被溅射下来沉积到工件表面形成膜层的方法。.图9.10真空蒸镀设备示意图9.11真空蒸
25、镀基本工艺流程图9.12溅射镀膜基本工艺流程 9.3.4 TD9.3.4 TD处理技术处理技术 TD处理（Toyota Diffusion Coating Process）技术是由日本丰田中央研究所开发的，因此也称为丰田扩散法，是用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行表面强化处理技术的总称。过去有些文献将TD处理称为渗金属处理，而实际应用最为广泛的是熔化浸镀法(或称熔盐浸渍法、盐浴沉积法)在模具表面形成VC,NbC,Cr23C6-Cr7C3等碳化物超硬层的方法。经TD法处理的模具表面形成515m厚的VC等薄膜，可显著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗粘着性和耐蚀性等，从而大大提高了模具的使用寿命。TD处
26、理已在各类冲模、锻模、拉丝模等中得到了应用。但是，由于TD处理的温度高达1000，所以材质受到限制。同时，因变形较大，不适合高精度模具，而且VC薄膜的耐热、耐氧化、耐烧结性都比氮化物差。1设备及盐浴成分 TD处理设备非常简单，即普通外热式坩埚盐浴炉。2TD处理工艺 将硼砂放入一个耐热钢制的坩埚中加热熔化至8001200，然后加入组成盐浴的其他物质，,如碳化物形成粉末，如钛、钡、铌、铬，再将工件浸入盐浴中保温1l0h，加入元素就会扩散至工作表面并与钢中的碳起反应，形成由碳化物构成的表面涂层。3TD涂层的质量控制 （1）基体材料 （2）防止变形 由于TD法处理温度接近于钢的淬火温度，对于精度要求严格的工件，要特别注意防止变形。4TD涂层的性能 TD处理获得碳化物层的硬度明显高于淬火硬度、镀铬或渗氮的硬度。