第六章__模具表面处理技术

1、第六章第六章 模具表面处理技术模具表面处理技术Page 2表表6-1 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

2、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

3、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

4、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Page 36.1 表面化学热处理技术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。表面化学热处理的作用主要有以下两个方面。(1) 强化工件表面强化工件表面(2) 保护工件表面保护工件表面Page 46.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术一、渗碳

5、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气体渗碳是将工件置于密闭的渗碳炉中加热到到900950(常用常用930)，通入渗碳气体，通入渗碳气体(如如煤气、石油液化气和丙烷等煤气、石油液化气和丙烷等)或易分解的有机或易分解的有机液体液体(如煤油、甲苯和甲醇等如煤油、甲苯和甲醇等)，在高温下通过，在高温下通过反应分解出活性碳原子，活性碳原子渗入工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。定厚度的渗碳层。Page 56.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术一、渗碳一、渗碳(二二)固

6、体渗碳固体渗碳图图6-1 滴注式气体渗碳炉工作示意滴注式气体渗碳炉工作示意图图6-2 固体渗碳装箱示意固体渗碳装箱示意Page 66.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术二、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活性氮原子渗入工件表面的表面化学热处理工艺。处理工艺。Page 76.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术二、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Page 86.1 表面化学热处理技术表面

7、化学热处理技术二、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的合金氮化物，渗氮层的硬度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一般可达到6872HRC，不需要再经过淬火便具有很高的表面硬，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%。这是由于渗氮层的体。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。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

8、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。Page 96.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术二、渗氮二、渗氮(氮化氮化)(一一)气体渗氮气体渗氮表表6-2 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/%30CrMnSiA一段一段500 05253020300.20.358HRCCr12MoV 二段二段48053018251427

9、36600.2720860HV40Cr一段一段4902415350.20.3600HV二段二段4801050010201520203050600.30.5600HV4Cr5MoV1Si一段一段5305501230600.150.2760800HVPage 106.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术二、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。Page 116.1 表面化学热

10、处理技术表面化学热处理技术二、渗氮二、渗氮(氮化氮化)(二二)离子渗氮离子渗氮表表6-3 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Page 126.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术三、渗硫三、渗硫气体渗硫气体渗硫熔

11、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Page 136.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术四、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Page 146.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术四、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(700880)低温低温(500600)(一一)碳氮共渗碳氮共渗Page 156.1 表面化学热处理技术表面化学热处理

12、技术四、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，渗层的淬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。低合金钢制造某些模具。

13、(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。Page 166.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术四、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23h。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：(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、工具钢及不锈钢不受钢种限制，碳钢、低碳合金钢、工具钢及不锈

14、钢等材料均可进行低温气体氮碳共渗。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。Page 176.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术五、渗硼五、渗硼渗硼的特点如下：渗硼的特点如下：(1) 渗硼层的硬度渗硼层的硬度很高。很高。(3) 热硬性高。热硬性高。(2) 耐蚀性高。耐蚀性高。(4) 耐热性高。耐热性高。Page 186.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术五、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

15、体渗硼液体渗硼气体渗硼气体渗硼固体渗硼固体渗硼Page 196.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术五、渗硼五、渗硼表表6-4 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5CrMnMo2万件万件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

16、模冷轧顶头凸模65Mn0.4万件万件2万件万件Page 206.1 表面化学热处理技术表面化学热处理技术六、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渗铝渗铝Page 216.2 涂涂 镀镀 技技 术术一、电镀一、电镀图图6-3 电镀装置示意图电镀装置示意图Page 226.2 涂涂 镀镀 技技 术术一、电镀一、电镀电镀基本工艺可以用流程表示为：电镀基本工艺可以用流程表示为：磨光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洗碱洗清清洗洗出槽。出槽。Page 236.2 涂涂 镀镀 技技 术术二、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

17、意图Page 246.2 涂涂 镀镀 技技 术术二、电刷镀二、电刷镀电刷镀具有以下特点：电刷镀具有以下特点：(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，设备简不受镀件、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。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。Page 256.2 涂涂 镀镀 技技 术术三、化学镀三、化学镀化学镀是利用合适的还原剂，使化学镀是利用合适

18、的还原剂，使溶液中的金属离子在经催化的表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。面上还原出金属镀层化学方法。Page 266.2 涂涂 镀镀 技技 术术四、热浸镀四、热浸镀热浸镀简称热镀，是将基体金属热浸镀简称热镀，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，形成一层保护物理和化学反应，形成一层保护膜的方法。膜的方法。Page 276.2 涂涂 镀镀 技技 术术四、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Page 286.2 涂

19、涂 镀镀 技技 术术四、热浸镀四、热浸镀热浸镀工艺分镀前表面处理、助镀处理、热浸镀工艺分镀前表面处理、助镀处理、热浸镀和镀后处理热浸镀和镀后处理4个基本工艺阶段，主要个基本工艺阶段，主要工艺流程为：预镀件碱洗工艺流程为：预镀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处理溶剂处理烘干烘干热热浸镀浸镀镀后处理。其中，溶剂处理是该工镀后处理。其中，溶剂处理是该工艺的重要环节，是提高镀层质量、防止漏艺的重要环节，是提高镀层质量、防止漏镀的关键。镀的关键。Page 296.3 其他表面处理技术其他表面处理技术一、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

20、喷涂前预处理利用热源将金属或非金属材料熔化、半熔化或软化，并以一定速度喷射到基体表面，形成涂层的方法Page 306.3 其他表面处理技术其他表面处理技术一、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Page 316.3 其他表面处理技术其他表面处理技术一、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：2134方法多样。方法多样。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。Page 326.3 其他表面处理技术其他表面处理技术一、热喷涂一、热喷涂热

21、喷涂技术具有如下特点：热喷涂技术具有如下特点：65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。Page 336.3 其他表面处理技术其他表面处理技术二、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，加热极为能量利用率高，加热极为迅速并靠自激冷冷却。迅速并靠自激冷冷却。(1) 能量集中，可对工件表面能量集中，可对工件表面实行选择性处理。实行选择性处理。Page 346.3 其他表面处理技术其他表面处理技术二、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) 利用高能束可以对材料的

22、表面实现相变硬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、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、组加热处理淬火强化难以达到的表面成分、组织、性能的改变。织、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。Page 356.3 其他表面处理技术其他表面处理技术二、激光表面处理二、激光表面处理图图6-5 激光表面处理装置示意图激光表面处理装置示意图Page 366.3 其他表面处理技术其他表面处理技术三、离子注入三、离

23、子注入图图6-6 离子注入装置示意图离子注入装置示意图Page 376.3 其他表面处理技术其他表面处理技术三、离子注入三、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：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，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可以高出热平衡能量的23个数量级。原则上，元素周个数量级。原则上，元素周期表上的任何元素都可注入任何基体材料。期表上的任何元素都可注入任何基体材料。(2) 注入元素

24、的种类、能量、剂量均可选择，用这种方法注入元素的种类、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。的限制，即可得到用其他方法得不到的新合金。Page 386.3 其他表面处理技术其他表面处理技术三、离子注入三、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：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，因离子注入层相对于基体材料

25、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。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。度分布，浓度分布可以通过改变注入能量加以控制。Page 396.3 其他表面处理技术其他表面处理技术三、离子注入三、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：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

26、真空中进行，加工后的工件表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，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，并在表面内形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。成压应力。Page 406.3 其他表面处理技术其他表面处理技术四、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Page 416.3 其他表面处理技术其他表面处理技术四、气相沉积四、气相

27、沉积(1) 涂层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，所以抗磨损性、低的摩擦系数和自润滑性能，所以抗磨损性能良好。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力，发生冷焊化学稳定性好，具有很好的抗粘着磨损能力，发生冷焊和咬合的倾向很小。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。Page 426.3 其他表面

28、处理技术其他表面处理技术四、气相沉积四、气相沉积(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吸附于工件表面的各种物质发生表面化学反应。质发生表面化学反应。(1) 反应气体向工件表面扩散反应气体向工件表面扩散并被吸附。并被吸附。(3) 生成物质点聚集成晶核并生成物质点聚集成晶核并增大。增大。Page 436.3 其他表面处理技术其他表面处理技术四、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沉积层与基体的界面发生元素的互扩散，形成镀层。元素的互扩散，形成镀层。(4) 表面化学反应中产生的气表面化学反应中产生的气体产物脱离工件表面返回气相。体产物脱离工件表面返回气相。Page 446.3 其他表面处理技术其他表面处理技术四、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、合金是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发或化合物放在真空室中蒸发(或称溅射或称溅射)，使这些气相原子或分子在一定条件下沉积使这些