模具材料与热处理教学课件ppt作者吴光明第五章

1、5Q 主编第一节模具表面强化处理概述 对模具表面进行处理，可以提高其表面硬度，改变表层化学成分和组织，进而提高其耐磨性、抗粘附性、疲劳抗力和耐蚀性等。模具表面使用性能的提高，不仅可以有效地延长模具的使用寿命，降低生产成本，而且还能提高被加工件的表面质量。表5-1表面强化处理的作用及应用第一节模具表面强化处理概述表5-1表面强化处理的作用及应用 对模具表面进行处理，可以提高其表面硬度，改变表层化学成分和组织，进而提高其耐磨性、抗粘附性、疲劳抗力和耐蚀性等。模具表面使用性能的提高，不仅可以有效地延长模具的使用寿命，降低生产成本，而且还能提高被加工件的表面质量。第一节模具表面强化处理概述表5-2表面

2、强化处理的具体分类第二节模具表面化学强化处理 化学热处理是指将金属或合金工件置于一定的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的种类很多，一般都以渗入的元素来命名。常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硫、硫氮共渗、渗硼、硼氮共渗、渗铝、渗铬、渗硅、渗锌和盐浴渗金属等。一、渗碳、渗氮、渗硫、渗硼处理1.渗碳 模具在渗碳介质中加热，使钢的表面渗入碳元素的热处理过程称为渗碳。(1)渗碳的特点碳原子的渗入可以使模具工作表面获得高的硬度、耐磨性与疲劳强度，而心部仍具有一定的强度和良好的韧性。渗层的碳的质量分数一般为0.851.05，经淬

3、火后，硬度为6062HRC。(2)渗碳的方法根据渗碳介质的物理状态，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳、离子渗碳和真空渗碳等。1.渗碳图5-1固体渗碳装箱示意图1泥封2盖3试样4零件5渗碳剂6渗碳箱1)工作原理。固体渗碳是将工件置于填满木炭和碳酸钡的密封箱内进行(图5-1)，渗碳剂是木炭和碳酸钡的混合物，其中木炭起渗碳作用，碳酸钡起催渗作用。在高温下，木炭与空隙中的氧气渗碳采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂。国内应用最广的气体渗碳方法是滴注式气体渗碳，其方法是将工件置于密封的加热炉中(图5-2)，图5-2滴注式气体渗碳炉示意图1风扇电动机2废气火焰3炉盖4砂封5电阻丝6耐热罐7工件8炉

4、体1.渗碳(3)渗碳在模具中的应用渗碳主要用于承受冲击很大、要求高强度和良好抗裂性能的小型模具及冷挤压成型的塑料模具，其应用效果见表5-3。表5-3模具渗碳的应用效果2.渗氮 渗氮也称氮化，它是在一定温度下，使活性氮原子渗入模具工作表面并向内扩散，形成氮化物层的工艺过程。渗氮是模具上应用最广的一种表面处理方法，几乎适用于所有类型的模具。(1)渗氮的特点1)具有高的表面硬度及耐磨性，并能保持到600左右而不明显下降。2)具有高的疲劳抗力和耐蚀性。3)渗氮处理温度低，渗后不再进行其他热处理，所以工件变形小，适合精密模具的表面强化。4)渗氮层浅(0.7mm)，脆性较大，只适合于含铬、钼等的合金钢。(

5、2)渗氮的方法目前，常用的渗氮方法主要是气体渗氮和离子渗氮。2.渗氮表5-4部分模具钢的渗氮工艺规范2.渗氮图5-3钟罩式离子渗氮炉1进水管2进氨管3阴极托盘装置4进水管5电阻真空规管6真空泵7抽气系统8底盘9阳极接线座10屏蔽帽11瓷绝缘子12观察孔13内炉壁阳极14双层炉体2)离子渗氮。离子渗氮是在离子渗氮炉中进行的。它是在一定的真空度下利用工件(阴极)和阳极间产生的辉光放电现象进行的，所以又称辉光离子渗氮。将工件置于离子渗氮炉(图5-3)中的托盘上2.渗氮2)离子渗氮。 真空度一般为1.3313.3Pa。 气体压力常用为266798Pa。 电流密度为0.55mAcm2。 辉光电压：加热电

6、压为550750V，保温阶段电压应适当比加热电压低，通常为550650V，形状简单时取650V，形状复杂时取550V。 渗氮温度：一般取450600，但即使在400以下也能进行渗氮处理。 极间距离：一般以3070mm为合适。 渗氮时间：根据渗氮模具材料、渗氮层厚度和硬度选择合适时间。2.渗氮(3)渗氮在模具中的应用气体渗氮现已逐渐由离子渗氮、氮碳共渗、真空渗氮取代，所以离子渗氮在模具上的应用更广，使用效果也更好，部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果见表5-5。表5 5部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果表5-5部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果(4)几种典型材料制成的模具的渗氮工艺规范30CrMn

7、SiA钢采用一段表面处理法，渗氮温度为5005，保温时间为2530h，氨分解率为2030，渗氮层厚度为0.20.3mm，表面硬度大于58HRC。3.渗硫 拉深模具、挤压模具等常在干摩擦条件下工作，因此要求模具工作表面具有较小的摩擦因数。渗硫可在钢铁材料表面生成很薄的FeS薄膜，以降低摩擦因数而提高抗咬合性能.4.渗硼 渗硼是将工件置于含硼的介质中，经过加热与保温使硼元素渗入工件表面，形成FeB和Fe2B化合层的工艺过程。渗硼后的模具具有硬度高、耐磨性好、耐热、热硬性及耐蚀性高等特点;在600高温下材料表层可不发生氧化，该温度以下可正常工作；在600800工作时硬度不降低。但渗硼层的脆性大，工件

8、在承受强大的冲击载荷时，很容易发生渗层剥落与开裂。4.渗硼 处理时基体发生相变，而硼化层不发生相变，因此渗层易开裂，故要尽量使用缓和的淬火介质并及时回火。渗硼适用于各种成分的钢，用于多种冷作、热作模具。但由于渗硼温度高，零件变形大，因此限制了其在高精度模具上的应用。模具各种零件渗硼前后的效果比较见表5-6。表5-6模具各种零件渗硼前后的效果比较二、多元共渗及复合渗处理 多元共渗是将工件表层渗入多于一种元素的化学热处理工艺。实际生产中应用较多的多元共渗有碳氮共渗、氮碳共渗、硼硫复合渗和硫氮碳共渗等。1.碳氮共渗 在一定温度下，向工件表层同时渗入碳和氮，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。根

9、据共渗介质的不同，碳氮共渗可分为固体法、气体法和液体法，实际生产中常用的是气体碳氮共渗法。气体碳氮共渗的特点是：共渗层力学性能兼顾了渗碳层和渗氮层的优点,工件变形小,共渗速度明显大于单独渗氮或单独渗碳的速度。气体氮碳共渗具有以下特点。1)处理温度低(一般为530570)，时间短(一般为16h)，工件变形小。2)不受钢种限制，碳钢、低合金钢、工具钢、铸铁及铁基粉末冶金材料等均可进行处理。3)工件经处理后可获得较高的表面硬度、疲劳抗力、耐磨性和耐蚀性，在干摩擦条件下，还具有抗擦伤和抗咬合等性能。4)渗层脆性小，不易剥落。但因渗层较薄，不适合重载工作的零件。2.氮碳共渗 该种工艺是向钢件表面同时渗入

10、氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理。由于处理后的渗层脆性小，硬度较渗氮层低，故又称为软氮化。氮碳共渗方法主要有液体法和气体法两种，实际生产中常应用的是气体氮碳共渗法。2.氮碳共渗1)处理温度低(一般为530570)，时间短(一般为16h)，工件变形小。2)不受钢种限制，碳钢、低合金钢、工具钢、铸铁及铁基粉末冶金材料等均可进行处理。3)工件经处理后可获得较高的表面硬度、疲劳抗力、耐磨性和耐蚀性，在干摩擦条件下，还具有抗擦伤和抗咬合等性能。4)渗层脆性小，不易剥落。表5-7典型模具气体氮碳共渗工艺与寿命3.硼硫复合渗 为了使渗硼模具不仅表面硬度高，而且具有减摩润滑性能，可在渗硼后再渗硫，即在高硬度渗

11、硼层的基础上再覆盖十层减摩性、润滑性良好的渗硫层。 硼硫复合渗的渗硫工艺为低温液体渗硫，在渗硼、淬回火和清洗脱脂后进行，渗硫介质是质量分数为96的硫和4的二硫化铜，熔点为115。在这种介质中经180200保温6h后，渗硫层的厚度约为58m。4.硫氮碳共渗 硫氮碳共渗是将工件置于含有活性S、N、C原子的介质中，在500600中保温一定 时间，使工件表面同时渗入这三种元素的化学热处理工艺。经过三元共渗，工件表层获得硫化物的薄表层、氮碳化合物的次表层和扩散层。三、TD法渗钒、渗铌、渗铬1)无论模具形状如何复杂，都能形成均匀的碳化物被覆层。2)处理后的表面粗糙度值与处理前大致相同。3)熔盐的使用寿命长

12、。4)碳化物层磨损后可重新处理，不需要清除残留的碳化物，不影响与基体的结合力。5)母材钢种较广，可通过淬火使基体强化。三、TD法渗钒、渗铌、渗铬1)处理温度高，渗层会引起尺寸胀大，对高精度模具应采取措施，预防变形。2)处理前模具必须加工到要求的表面粗糙度值，以保证处理后的表面质量。3)当载荷过大，引起模具产生塑性变形时，会引起碳化物层产生裂纹。4)薄刃模具在薄刃处供碳不足，难以形成厚的碳化物层。5)对基体材料的含碳量应合理选择，在不影响钢的韧性或其他性能的条件下，应保证能提供足够的碳，以形成碳化物。6)模具在500以上氧化性气氛中长期使用会使VC、NbC等碳化物层氧化，影响其性能。三、TD法渗

13、钒、渗铌、渗铬图5-4TD法处理用盐浴炉示意图a)直接加热炉b)间接加热炉1电热元件2TD用盐浴3加热用盐浴4金属坩埚5加热用电极 如图5-4所示为TD法处理用盐浴炉的示意图。其主要工艺过程是：将脱水硼砂Na2B4O7(占熔盐总质量分数的7090)放入耐热钢坩埚中熔融，加入含有欲渗金属的铁合金或其氧化物，再将具有一定含碳量的钢制模具浸入盐浴.第三节模具表面涂镀处理 模具表面涂镀处理是通过物理覆盖、沉积等方式，在模具表面覆盖上一层与基体不同的金属化合物，保护模具基体并提高模具表层的力学和理化性能的方法。这不仅可提高其耐蚀性，而且还可用来提高模具的硬度和耐磨性等。常用的表面涂镀处理技术有镀金属、化

14、学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等。一、电镀与电刷镀1.电镀 电镀是使用电化学方法在金属或非金属制品表面沉积金属或合金层。电镀时，将被镀的模具工作零件和直流电源的阴极相连，要镀覆的金属(镀铬除外)和直流电源的阳极相连，并将其放在盛有电镀液的镀槽中。当电源与镀槽接通时，即在阴极上沉积欲镀的金属层。如图5-5所示为电镀原理。图5-5电镀原理示意图2.电刷镀图5-6电刷镀装置与工作原理图1工件2镀层3镀液4包套5阳极6导电柄7电刷镀电源8阳极电缆9阴极电缆10循环使用溶液11拾液盘2.电刷镀 电刷镀是在可导电工件(或模具)表面需要镀覆的部位快速沉积金属镀层的新技术。它与普通电镀的原理相同

15、，但形式特殊。电刷镀装置与工作原理如图5-6所示。电刷镀与电镀原理相同，只是具体施镀方式不同，属于电镀的一种特殊方式，无镀槽，故又称为无槽镀或涂镀。1.模具工作表面修复 某彩色电视机机壳注射模用中碳合金模具钢制造,价格昂贵，工作中不慎落入螺母，合模时造成模具型腔表面局部严重损伤，不能继续使用。原采用焊接修理导致产生裂纹，继而用气、钎焊填补又造成焊层剥离和裂纹扩展，后来采用电刷镀技术，仅一天就将模具修复。2.模具表面强化 生产大号塑料盆的注射模的材料为灰铸铁，模具底盘直径为1000mm，合模高度为400mm，重1.3t。由于模具型腔表面硬度低，磨损严重，表面粗糙度值变大，致使加工出来的产品增厚加

16、重，表面质量变差。采用电刷镀技术对模具型腔表面进行强化处理，先电刷镀碱铜作为过渡层，再电刷镀镍钴合金作为工作表层，电刷镀后达到以下效果：1)型腔表面硬度由23HRC提高到40HRC左右。2)表面粗糙度值由Ra6.3m减为0.8m。3)模具表面耐磨性提高了两倍。4)塑件制品脱模容易。该模具经电刷镀后三班生产连续使用1年多，效果良好。3.化学镀 化学镀是将工件置于镀液中，镀液中的金属离子通过获得由镀液中的化学反应而产生的电子，在工件表面上还原沉积而形成镀层。 化学镀可以获得单一金属镀层、合金镀层、复合镀层和非晶态镀层。与电镀和电刷镀相比，化学镀均镀性强，仿形性好(在形状复杂的表面上产生均匀厚度的镀

17、层)；沉积厚度可控制，镀层致密，与基体结合性好；设备简单，操作方便。对于形状复杂的模具，采用化学镀还可以避免常规热处理引起的变形。二、气相沉积 气相沉积是将含有形成沉积元素的气相物质输送到工件表面，在工件表面形成沉积层的工艺方法。按工作原理，气相沉积可分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两类。气相沉积层元素主要有TiC、TiN和Ti(C、N)。TiC、TiN涂层的特点有下面几个：1)涂层具有很高的硬度、较低的摩擦因数和自润滑性能，耐磨性良好。2)涂层具有很高的熔点，TiC涂层的熔点为3800，TiN涂层的熔点为2930，化学稳定性好，难以与其他金属反应。3)涂层具有较强的耐蚀性，

18、可抵抗硫酸、盐酸、氯化钠水溶液的侵蚀。4)涂层在高温下也具有良好的抗大气氧化能力，TiN涂层约500，TiC涂层约400。1.化学气相沉积(CVD)图5-7化学气相沉积原理示意图1进气系统2反应室3电炉丝4加热炉体5模具6模具卡具7排气管8机械泵9废气处理系统10加热炉电源及测温仪1.化学气相沉积(CVD)采用化学气相沉积技术处理与未处理表面的效果比较见表5-8。表5-8化学气相沉积TiC、TiN、Ti(C、N)前后对比2.物理气相沉积(PVD)图5-8离子镀基本原理图1基板(阴极)2阴极暗区3辉光放电区4蒸发灯丝(阳极)5绝缘管6灯丝电源7高压电源 物理气相沉积是用物理方法把欲涂覆物质沉积在

19、工件表面上形成膜的过程，通常称为PVD(Physical Vapor Deposition)法。目前常用的物理气相沉积蒸镀、溅射及离子镀有三种方法，其中离子镀应用最为广泛。图5-9空心阴极离子镀原理图1空心阴极等离子电子枪2中空圆筒钽阴极3进气孔4钟罩5工作台6模具7蒸发物质等离子电子束第四节其他表面加工强化处理一、电火花表面强化 电火花表面强化是利用工具电极与工件间在气体中产生的火花放电作用，把作为电极的导电材料熔渗进工件表层，形成合金化的表面强化层，改善工件表面的物理及化学性能。电火花表面强化过程示意图如图5-10所示。1)当采用硬质合金作电极材料时，硬度可以更高，耐热性、耐蚀性和疲劳强度

20、都大大提高。2)当使用铬锰、钨铬钴合金、硬质合金作工具电极强化45钢时，其耐磨性比原表层提高22.5倍。3)用石墨作电极材料强化45钢，用食盐水作腐蚀性试验，其耐蚀性提高90，用WC、CrMn作电极强化不锈钢时，耐蚀性提高35倍。4)硬化层厚度为0.010.08mm。一、电火花表面强化图5-10电火花表面强化过程示意图a)开始b)工作c)完成d)结束二、火焰淬火 火焰淬火是通过喷嘴将火焰(通常用氧乙炔焰)喷射到工件表面，将工件迅速加热到淬火温度，然后在规定的冷却介质中冷却到室温的热处理工艺。 虽然该工艺比高频感应淬火落后，但与感应淬火相比，火焰淬火的设备简单、操作方便，特别适合大型模具零件和小

21、批量、多品种模具零件的热处理。如汽车车身覆盖件大型拉深模、大型塑料模、大型冲模等模具零件的刃口，利用火焰淬火有其独特的优点且能降低生产成本。三、激光表面强化 激光表面强化是利用高功率、高密度激光束(一般用104106Wcm2)对金属进行表面处理的方法。 激光热处理为高速加热、高速冷却，获得的组织细密、硬度高、耐磨性好，有助于提高疲劳性能。三、激光表面强化图5-11激光热处理实验装置示意图激光热处理一般采用功率为千瓦级的连续工作CO2激光，通常的激光热处理实验装置如图5-11所示。三、激光表面强化表5-945钢和42CrMo钢激光淬火的效果如果在模具表面涂敷硬质合金粉末，即可实现表面合金化。激光

22、加热的优点是工件无须置于真空。表5-9所列为45钢和42CrMo钢激光淬火的效果。四、电子束表面处理 电子束是一束集中的高速电子，与波一样，并具备波所有的特性。当电子束照射到金属表面时，与金属表层电子发生碰撞，从而使被处理的金属表层温度迅速升高。 电子束表面处理原理如图5-12所示。1.电子束淬火 该方法是利用高能量密度的电子束轰击金属工件表面，在很短时间内使金属表面加热到相变温度，然后依靠工件自身冷却而实现淬火。由于加热时间短，冷却速度快，因此可获得超细晶粒组织，使得金属表层的强韧性和耐磨性显著提高。四、电子束表面处理图5-12电子束表面处理原理示意图1工作台2加工室3电磁透镜4栅板5钨丝6

23、电源7电子束8偏转线圈9工件2.电子束表面合金化处理将合金粉末加热熔化，涂覆到金属表面的处理方法，称为电子束表面合金化处理。3.电子束表面重熔处理利用电子束将工件表面局部加热熔化，并快速凝固而获得细小的晶粒组织或非晶态组织的处理过程称为电子束表面重熔。五、离子注入表面处理 离子注入是将某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速，获得较高速度后射入放在真空靶室中的材料表层。材料经离子注入后，其表面的物理性能、化学性能及力学性能会发生显著变化。 离子注入装置如图5-13所示，其工作原理为：将需要注入元素的原子，在加速器的离子中电离成离子，离子在几万伏高压下被引出进入磁分析仪进行筛选，获得所需要的高纯度图5-13离子注入装置1离子源2磁分析器3高压电极4加速管5聚焦电极6X