09 第十章 模具表面强化技术

1、第十章第十章 模具表面强化技术模具表面强化技术 目的目的：通过对模具表面进行处理，改变表层化学成分和组通过对模具表面进行处理，改变表层化学成分和组 织，以提高模具表面的耐磨性、抗粘附性、疲劳抗力和耐蚀性织，以提高模具表面的耐磨性、抗粘附性、疲劳抗力和耐蚀性 等。等。常用的是化学热处理和表面覆层技术。常用的是化学热处理和表面覆层技术。 表表1 模具表面处理技术的作用及应用模具表面处理技术的作用及应用 处理工艺处理工艺作用作用应用应用 渗碳渗碳提高硬度提高硬度(5256HRC)、耐磨性、耐疲劳性、耐磨性、耐疲劳性挤压模、穿孔工具等挤压模、穿孔工具等 渗氮渗氮 提高硬度、耐磨性、抗粘附性、热硬性、耐

2、疲劳性、提高硬度、耐磨性、抗粘附性、热硬性、耐疲劳性、 抗蚀性抗蚀性(但周期长，表面有白色脆化层但周期长，表面有白色脆化层) 挤压模、冷挤模等挤压模、冷挤模等 离子渗碳离子渗碳 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 均优于氮化均优于氮化 挤压模、挤压工具等挤压模、挤压工具等 碳氮共渗碳氮共渗 相比渗碳和渗氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲劳相比渗碳和渗氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲劳 性、热硬性、热强性，生产周期短性、热硬性、热强性，生产周期短 成型模、冷挤模、热挤模和模成型模、冷挤模、热挤模和模 架等架等 氮碳共渗氮碳共渗提高硬度、耐磨

3、性、抗粘附性、抗蚀性、耐热疲劳性提高硬度、耐磨性、抗粘附性、抗蚀性、耐热疲劳性 冷挤模、拉深模、挤压模穿孔冷挤模、拉深模、挤压模穿孔 针针 渗硼渗硼 具有极好的表面硬度、耐磨性、抗粘附性、抗氧化性、具有极好的表面硬度、耐磨性、抗粘附性、抗氧化性、 热硬性、良好的抗蚀性热硬性、良好的抗蚀性 挤压模、拉深模挤压模、拉深模 碳氮硼三元共渗碳氮硼三元共渗提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性挤压模、冲头针尖挤压模、冲头针尖 盐浴覆层盐浴覆层 (TD处理处理) 提高硬度、耐磨性、耐热疲劳性、抗蚀性、抗粘附性、提高硬度、耐磨性、耐热疲劳性、抗蚀性、抗粘附性、 抗氧

4、化性抗氧化性 挤压模挤压模 渗铬渗铬提高硬度、耐磨性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性提高硬度、耐磨性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性挤压模、拉深模挤压模、拉深模 镀硬铬镀硬铬降低表面粗糙度，提高表面硬度、耐疲劳性、抗蚀性降低表面粗糙度，提高表面硬度、耐疲劳性、抗蚀性挤压模、拉深模等挤压模、拉深模等 钴基合金堆焊钴基合金堆焊提高硬度、耐磨性、热硬性提高硬度、耐磨性、热硬性挤压模冲头、芯杆针尖挤压模冲头、芯杆针尖 电火花表面强化电火花表面强化提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性冷、热挤压模等冷、热挤压模等 喷丸处理喷丸处理提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性

5、提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性热挤压模、冲头针尖热挤压模、冲头针尖 一、渗碳一、渗碳 (一一)气体渗碳气体渗碳 气体渗碳是将工件置于密闭的渗碳炉中加热到气体渗碳是将工件置于密闭的渗碳炉中加热到 900950(常用常用930)，通入渗碳气体，通入渗碳气体(如煤如煤 气、石油液化气和丙烷等气、石油液化气和丙烷等)或易分解的有机液体或易分解的有机液体(如如 煤油、甲苯和甲醇等煤油、甲苯和甲醇等)，在高温下通过反应分解出活，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。中，并通过扩散形成

6、一定厚度的渗碳层。 一、渗碳一、渗碳 (二二)固体渗碳固体渗碳 滴注式气体渗碳炉工作示意滴注式气体渗碳炉工作示意 固体渗碳装箱示意固体渗碳装箱示意 二、渗氮二、渗氮(氮化氮化) 渗氮也称为氮化，是指在一定温度下使活性氮原渗氮也称为氮化，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。子渗入工件表面的表面化学热处理工艺。 二、渗氮二、渗氮(氮化氮化) 气体渗氮气体渗氮 离子渗氮离子渗氮 真空渗氮真空渗氮 氮碳共渗氮碳共渗 电解催渗渗氮电解催渗渗氮 常常 用用 的的 渗渗 氮氮 方方 法法 二、渗氮二、渗氮(氮化氮化) (一一)气体渗氮气体渗氮 (1) 经过渗氮后钢表面形成一层极硬

7、的合金氮化物，渗氮层的硬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 度一般可达到度一般可达到6872HRC，不需要再经过淬火便具有很高的表，不需要再经过淬火便具有很高的表 面硬度和耐磨层，而且还可以保持到面硬度和耐磨层，而且还可以保持到600650而不明显下降而不明显下降 。 (2) 渗氮后钢的疲劳极限可提高渗氮后钢的疲劳极限可提高15%35%。这是由于渗氮。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。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。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

8、强化。渗氮处理后，工件的变形很小，适合精密模具的表面强化。 二、渗氮二、渗氮(氮化氮化) (一一)气体渗氮气体渗氮 表表2 部分模具钢的气体渗氮工艺规范部分模具钢的气体渗氮工艺规范 牌号牌号 处理处理 方法方法 渗氮工艺规范渗氮工艺规范 渗氮层渗氮层 深度深度/mm 表面硬度表面硬度 阶段阶段渗氮温度渗氮温度/时间时间/h 氨分解率氨分解率 /% 30CrMnSi A 一段一段500 05253020300.20.358HRC Cr12MoV 二段二段 480 530 18 25 1427 3660 0.2 720 860HV 40Cr 一段一段4902415350.20.3600HV 二段二

9、段 48010 50010 20 1520 2030 5060 0.30.5600HV 4Cr5MoV1 Si 一段一段5305501230600.150.2 760 800HV 二、渗氮二、渗氮(氮化氮化) (二二)离子渗氮离子渗氮 离子渗氮有如下特点：离子渗氮有如下特点： (1) 渗氮速度快，生产周期短。渗氮速度快，生产周期短。 (2) 渗氮层质量高。渗氮层质量高。 (3) 工件的变形小。工件的变形小。 (4) 对材料的适应性强。对材料的适应性强。 二、渗氮二、渗氮(氮化氮化) (二二)离子渗氮离子渗氮 表表3 部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果 模具名称

10、模具名称模具材料模具材料离子渗氮工艺离子渗氮工艺使用效果使用效果 冲头冲头W18Cr4V500，6h提高提高24倍倍 铝压铸模铝压铸模3Cr2W8V500，6h提高提高13倍倍 热锻模热锻模5CrMnMo480，6h提高提高3倍倍 冷挤压模冷挤压模W6Mo5Cr4V2500，2h提高提高1.5倍倍 压延模压延模Cr12MoV500，2h提高提高5倍倍 三、渗硫三、渗硫 气体渗硫气体渗硫 熔盐渗硫熔盐渗硫 渗硫渗硫 方法方法 可按可按 介质介质 的物的物 理状理状 态态 四、碳氮共渗与氮碳共渗四、碳氮共渗与氮碳共渗 根据使用介质根据使用介质 物理状况不同物理状况不同 固体碳氮共渗固体碳氮共渗 气

11、体碳氮共渗气体碳氮共渗 液体碳氮共渗液体碳氮共渗 (一一)碳氮共渗碳氮共渗 四、碳氮共渗与氮碳共渗四、碳氮共渗与氮碳共渗 根据共渗温度根据共渗温度 的不同的不同 高温高温(900950) 中温中温(700 880) 低温低温(500 600) (一一)碳氮共渗碳氮共渗 四、碳氮共渗与氮碳共渗四、碳氮共渗与氮碳共渗 气体碳氮共渗的特点如下：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。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。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，渗层的氮的渗入使

12、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。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，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。缩短了生产周期。 四、碳氮共渗与氮碳共渗四、碳氮共渗与氮碳共渗 (二二)氮碳共渗氮碳共渗 (1) 渗入温度低，时间短，工件变形小。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、

13、工具钢及不锈不受钢种限制，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。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。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。共渗层硬而具有一定的韧性，不易剥落。 气体氮碳共渗所用的温度常采用气体氮碳共渗所用的温度常采用560570，时间为，时间为2 3h。与气体渗氮相比，低温气体氮碳共渗的特点有：。与气体渗氮相比，低温气体氮碳共渗的特点有： 五、渗硼五、渗硼 渗硼的特点如下：渗硼的特点如下： (1) 渗硼层的硬渗硼层的硬 度很高。度很高。 (3) 热硬性

14、高。热硬性高。 (2) 耐蚀性高。耐蚀性高。(4) 耐热性高。耐热性高。 五、渗硼五、渗硼 渗硼的特点如下：渗硼的特点如下： 渗硼的方法渗硼的方法 液体渗硼液体渗硼 气体渗硼气体渗硼 固体渗硼固体渗硼 五、渗硼五、渗硼 表表4 部分模具渗硼的强化效果部分模具渗硼的强化效果 模具名称模具名称钢号钢号淬火、回火态寿命淬火、回火态寿命渗硼态寿命渗硼态寿命 冷冲裁模冷冲裁模CrWMn0.5万件万件1万件万件 热挤压模热挤压模30Cr3W5V100h261h 热锻模热锻模5CrNiMo0.5万件万件1万件万件 热锻用冲头热锻用冲头55 Ni2CrMnMo 100h240h 连杆热成型模连杆热成型模5Cr

15、MnMo2万件万件6万件万件 冷镦六方螺母凹模冷镦六方螺母凹模Cr12MoV0.5万件万件6万件万件 冷轧顶头凸模冷轧顶头凸模65Mn0.4万件万件2万件万件 六、渗金属六、渗金属 渗铬渗铬 渗钒及渗钒及TD法渗钒法渗钒 渗铌渗铌 一、电镀一、电镀 图图6-3 电镀装置示意图电镀装置示意图 一、电镀一、电镀 电镀基本工艺可以用流程表示为：磨光电镀基本工艺可以用流程表示为：磨光抛光抛光 脱脂脱脂水洗水洗去锈去锈水洗水洗电镀电镀酸洗酸洗碱碱 洗洗清洗清洗出槽。出槽。 二、电刷镀二、电刷镀 图图6-4 电刷镀工作原理示意图电刷镀工作原理示意图 二、电刷镀二、电刷镀 电刷镀具有以下特点：电刷镀具有以下

16、特点： (1) 镀层质量高。镀层质量高。 (2) 不受镀件、模具形状和大小的限制，设备不受镀件、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。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。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。操作安全，对环境污染小。 (4) 沉积速度快，生产率高。沉积速度快，生产率高。 三、化学镀三、化学镀 化学镀是利用合适的还原剂，使溶液中的金属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。离子在经催化的表面上还原出金属镀层化学方法。 四

17、、热浸镀四、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，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。形成一层保护膜的方法。 四、热浸镀四、热浸镀 保护气法保护气法 溶剂法溶剂法 根据根据 热浸热浸 镀前镀前 处理处理 的方的方 法不法不 同同 四、热浸镀四、热浸镀 热浸镀工艺分镀前表面处理、助镀处理、热浸热浸镀工艺分镀前表面处理、助镀处理、热浸 镀和镀后处理镀和镀后处理4个基本工艺阶段，主要工艺流程为：个基本工艺阶段，主要工艺流程为： 预镀件碱洗预镀

18、件碱洗酸洗酸洗水洗水洗稀盐酸处理稀盐酸处理水洗水洗溶剂溶剂 处理处理烘干烘干热浸镀热浸镀镀后处理。其中，溶剂处理是镀后处理。其中，溶剂处理是 该工艺的重要环节，是提高镀层质量、防止漏镀的关该工艺的重要环节，是提高镀层质量、防止漏镀的关 键。键。 一、热喷涂一、热喷涂 热喷涂工艺过程热喷涂工艺过程 喷后处理喷后处理 喷涂喷涂 喷涂前预处理喷涂前预处理 一、热喷涂一、热喷涂 电热法电热法 燃气法燃气法 根据根据 所用所用 热源热源 的不的不 同来同来 分类分类 激光热源法激光热源法 气体放电法气体放电法 一、热喷涂一、热喷涂 热喷涂技术具有如下特点：热喷涂技术具有如下特点： 方法多样。方法多样。

19、可喷涂材料极为广泛。可喷涂材料极为广泛。 涂层广泛。涂层广泛。 工件不受限制。工件不受限制。 一、热喷涂一、热喷涂 热喷涂技术具有如下特点：热喷涂技术具有如下特点： 涂层厚度可以控制。涂层厚度可以控制。 工艺简便且不受工件限制。工艺简便且不受工件限制。 二、激光表面处理二、激光表面处理 激光表面处理的特点有：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。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。能量集中，可对工件表面实行选择性处理。 二、激光表面处理二、激光表面处理 激光表面处理的特点有：激光表面处理的特点有： (4)

20、 利用高能束可以对材料的表面实现相变硬化、微晶化、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、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。性能的改变。 (3) 畸变极小，可大大减少后续加工工时。畸变极小，可大大减少后续加工工时。 二、激光表面处理二、激光表面处理 图图6-5 6-5 激光表面处理装置示意图激光表面处理装置示意图 三、离子注入三、离子注入 图图6-6 6-6 离子注入装置示意图离子注入装置示意

21、图 三、离子注入三、离子注入 (1) 离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很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高，可以高出热平衡能量的23个数量级。原则上，元个数量级。原则上，元 素周期表上的任何元素都可注入任何基体材料。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。数的限制，即可得到用其他方法得不到的新合金。 离子注

22、入技术与气相沉积、等离子喷涂、电子束和激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：光束热处理等表面处理工艺不同，其主要特点是： 三、离子注入三、离子注入 (3) 离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面，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，与基体结合牢因此表面不存在粘附破裂或剥落的问题，与基体结合牢 固。固。 (4) 离子注入控制电参量，故易于精确控制注入离子的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。密度分布，浓度分布可以通过改变注入能量加以控

23、制。 三、离子注入三、离子注入 (5) 离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件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，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。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。形成压应力。 四、气相沉积四、气相沉积 物理气相沉积物理气相沉积(PVD) 化学气相沉积化学气相沉积(CVD) 按按 照照 过过 程程 的的 本本 质质 四、气相沉积四、气相沉积 (1) 涂层

24、具有很高的硬度涂层具有很高的硬度(TiC为为3 2004 100HV， TiN为为2 450HV)、低的摩擦系数和自润滑性能，所以、低的摩擦系数和自润滑性能，所以 抗磨损性能良好。抗磨损性能良好。 (2) 涂层具有很高的熔点涂层具有很高的熔点(TiC为为3160，TiN为为 2 950)，化学稳定性好，具有很好的抗粘着磨损能，化学稳定性好，具有很好的抗粘着磨损能 力，发生冷焊和咬合的倾向很小。力，发生冷焊和咬合的倾向很小。 (3) 涂层具有较强的抗腐蚀能力。涂层具有较强的抗腐蚀能力。 (4) 涂层在高温下也具有良好的抗氧化能力。涂层在高温下也具有良好的抗氧化能力。 四、气相沉积四、气相沉积 (

25、一一)化学气相沉积化学气相沉积 (2) 吸附于工件表面的各种物质发生表面化学反应。吸附于工件表面的各种物质发生表面化学反应。 (1) 反应气体向工件表面扩散并被吸附。反应气体向工件表面扩散并被吸附。 (3) 生成物质点聚集成晶核并增大。生成物质点聚集成晶核并增大。 四、气相沉积四、气相沉积 (一一)化学气相沉积化学气相沉积 (5) 沉积层与基体的界面发生元素的互扩散，形成镀层。沉积层与基体的界面发生元素的互扩散，形成镀层。 (4) 表面化学反应中产生的气体产物脱离工件表面返回气相表面化学反应中产生的气体产物脱离工件表面返回气相。 四、气相沉积四、气相沉积 (二二)物理气相沉积物理气相沉积 物理气相沉积物理气相沉积(简称简称PVD)是将金属、合金或化合是将金属、合金或化合 物放在真空室中蒸发物放在真空室中蒸发(或称溅射或称溅射)，使这些气相原，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。子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺。 四、气相