模具材料及强化技术-第7章-模具表面强化技术-2019

模具材料及强化技术-第7章模具表面强化技术-2019星期六，阳光明媚，万里无云。兔妈妈拿着勺子要做饭，可是她发现冰箱里空空如也，兔妈妈从厨房走出来对小白兔说：“你去田里摘一个南瓜吧！”小兔飞快地跑到了菜园里，小兔看见了许许多多的南瓜，于是她从里面挑了一个最大的南瓜。小兔使出九牛二虎之力摘南瓜，累得他满头大汗，可南瓜还是纹丝不动地待在原地。小兔想：怎么把它运回家呢？就在这时，小兔看见熊猫伯伯骑着自行车路过，并且热情地向他打招呼。小兔灵机一动，心想：车轮是圆形的，可以滚动，那南瓜也是圆形的，是不是也可以滚动呢？于是小兔把南瓜竖起来，轻松地滚回了家。兔妈妈看见小兔独自把南瓜运了回来，很好奇，于是她瞪大眼睛惊讶地问道：“你是怎么把南瓜运回家的？”小兔说：“我先不告诉你，等你做好南瓜派我就告诉你”兔妈妈说：“你真是一个爱思考的好孩子。”这个故事告诉我们：当我们遇到困难时，一定要冷静，多思考。模具材料及强化技术-第7章模具表面强化技术-2019模具材料及强化技术-第7章模具表面强化技术-2019星期六，阳光明媚，万里无云。兔妈妈拿着勺子要做饭，可是她发现冰箱里空空如也，兔妈妈从厨房走出来对小白兔说：“你去田里摘一个南瓜吧！”小兔飞快地跑到了菜园里，小兔看见了许许多多的南瓜，于是她从里面挑了一个最大的南瓜。小兔使出九牛二虎之力摘南瓜，累得他满头大汗，可南瓜还是纹丝不动地待在原地。小兔想：怎么把它运回家呢？就在这时，小兔看见熊猫伯伯骑着自行车路过，并且热情地向他打招呼。小兔灵机一动，心想：车轮是圆形的，可以滚动，那南瓜也是圆形的，是不是也可以滚动呢？于是小兔把南瓜竖起来，轻松地滚回了家。兔妈妈看见小兔独自把南瓜运了回来，很好奇，于是她瞪大眼睛惊讶地问道：“你是怎么把南瓜运回家的？”小兔说：“我先不告诉你，等你做好南瓜派我就告诉你”兔妈妈说：“你真是一个爱思考的好孩子。”这个故事告诉我们：当我们遇到困难时，一定要冷静，多思考。2↑模具表面的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性，大幅度↑模具使用寿命。↑模具表面的抗擦伤能力和脱模能力，↑成形产品的生产效率。采用碳素工具钢或低合金模具钢，经表面涂层或激光合金化处理后，可达到或超过高合金模具钢甚至硬质合金的性能指标，不仅可大幅度↓模具材料成本，还可简化模具制造加工工艺和热处理工艺，↓生产成本。可用于模具的修复，尤其是电刷镀技术可在不拆卸模具的前提下完成对模具表面的修复。可用于模具表面的纹饰，能↑其塑料制品的档次和附加值。模具表面强化处理的目的↑模具表面的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性，大幅度↑模具使用寿命。↑模具表面的抗擦伤能力和脱模能力，↑成形产品的生产效率。采用碳素工具钢或低合金模具钢，经表面涂层或激光合金化处理后，可达到或超过高合金模具钢甚至硬质合金的性能指标，不仅可大幅度↓模具材料成本，还可简化模具制造加工工艺和热处理工艺，↓生产成本。可用于模具的修复，尤其是电刷镀技术可在不拆卸模具的前提下完成对模具表面的修复。可用于模具表面的纹饰，能↑其塑料制品的档次和附加值。模具表面强化处理的目的2化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗渗硼、渗金属（渗铬、渗钒、渗铌、渗铝）涂镀：电镀、电刷镀、化学镀、热浸镀气相沉积强化：化学气相沉积物理气相沉积，如：真空蒸镀、阴极溅射、离子镀高能束表面强化：激光表面淬火、激光熔覆、激光冲击硬化、激光合金化电子束表面淬火、电子束表面合金化离子注入合金化表面加工强化技术：火焰表面加热淬火、高频感应加热表面淬火

喷丸表面强化、电火花表面强化

电解液表面加热淬火常用的模具表面强化处理技术3表7-1模具表面强化处理技术的作用及应用表面处理工艺作用应用渗碳↑硬度（52~56HRC）、耐磨性、耐疲劳性。挤压模、穿孔工具等渗氮↑硬度、耐磨性、抗粘附性、红硬性、耐疲劳性、抗蚀性，但周期长，表面有白色脆化层。挤压模、冷挤模等离子渗碳可消除表面白色脆化层，耐磨性、耐疲劳性和抗变形能力均优于渗氮。挤压模、挤压工具等碳氮共渗相比于渗碳和渗氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲劳性、红硬性、热强性，生产周期短。成型模、冷挤模、热挤模和模架等氮碳共渗↑硬度、耐磨性、抗粘附性、抗蚀性、抗热疲劳性。冷挤模、拉深模、挤压模穿孔针渗硼具有极好的表面硬度、耐磨性、抗粘附性、抗氧化性、红硬性，良好的抗蚀性。挤压模、拉深模模具表面强化处理技术的作用及应用4表面处理工艺作用应用碳氮硼三元共渗↑硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性挤压模、冲头针尖盐浴覆层（TD处理）↑硬度、耐磨性、耐热疲劳性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性挤压模渗铬↑硬度、耐磨性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性挤压模、拉深模镀硬铬↓表面粗糙度，↑表面硬度、抗疲劳性、抗蚀性挤压模、拉深模等钴基合金堆焊↑硬度、红硬性、耐磨性挤压模冲头、芯杆针尖电火花表面强化↑硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性冷、热挤压模等喷丸处理↑硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性热挤压模、冲头针尖模具表面强化处理技术的作用及应用表7-1模具表面强化处理技术的作用及应用（续表）5表7-2各种表面强化处理方法的比较表面处理方法耐蚀耐磨装饰抗氧化物理方法淬火（高频、电解液、火焰）×○加工硬化（喷丸）×○化学方法渗碳、渗氮×○渗硼△○渗硫×△渗金属×○涂覆法热浸镀○×△×喷镀○×△×熔盐浸镀○○△○物理气相沉积（PVD）○○○○化学气相沉积（CVD）○○△○电镀○△○×化学镀○×○×阳极氧化○×○×电化学处理○×○×注：○

—有效；△

—一定条件下有效；×

—无效。模具表面强化处理技术的作用及应用6表7-3常用化学热处理方法及作用方法渗入元素对模具的作用渗碳C↑表面硬度、耐磨性、疲劳强度渗氮N↑表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性碳氮（氮碳）共渗C、N↑表面硬度、耐磨性、疲劳强度渗硫S减磨，↑抗咬合性能硫氮共渗S、N减磨，↑抗咬合性能、耐磨性、疲劳强度硫碳氮共渗S、C、N减磨，↑抗咬合性能、耐磨性、疲劳强度渗铝Al↑抗氧化、抗含硫介质腐蚀能力渗铬Cr↑抗氧化、抗腐蚀能力、耐磨性渗硼B↑表面硬度、耐磨性、耐蚀性渗硅Si↑抗腐蚀能力渗锌Zn↑抗大气腐蚀能力常用化学热处理方法及其作用101.何谓渗碳？将低碳钢、低碳合金钢零件置于增碳的活性介质（渗碳剂）中加热到900~950℃（常用930℃），在高温下通过反应分解出的活性C原子渗入零件表面的奥氏体中，并通过扩散形成一定厚度的渗碳层，随后的淬火、低温回火使零件的表层和心部具有不同的成分、组织和性能。7.1.1渗碳11气体渗碳（主要用于承受大冲击、高强度、硬度58~62HRC的小型模具）固体渗碳液体渗碳真空渗碳可控气氛渗碳等离子渗碳碳化物弥散析出渗碳（TD法）2.渗碳方法7.1.1渗碳12特点：操作简便，周期短，质量易于控制，劳动条件好。渗剂：气体碳氢化合物（CO、CH4等），或者有机液体（煤油、丙酮、甲苯、甲醇等）。分类：滴注式气体渗碳（应用最广）、吸热式气氛渗碳等。渗碳过程：排气、强烈渗碳、扩散、降温。例：20Cr、20CrMnTi等钢制模具零件的井式气体渗碳工艺井式气体渗碳工艺7.1.1渗碳3.气体渗碳13↑零件表面的强度、硬度和耐磨性↑零件心部的强度和韧性细化晶粒消除网状碳化物，↓残余奥氏体A'消除内应力，稳定尺寸模具零件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为了获得理想的性能，渗碳后需进行热处理，即：淬火+回火。渗碳后热处理的目的：7.1.1渗碳4.渗碳后的热处理147.1.1渗碳4.渗碳后的热处理(1)直接淬火工艺特点：渗碳后预冷至760~850℃后直接淬火。应用：适合本质细晶粒钢零件或对基体组织性能要求不高的零件。优点：↓加热和冷却次数，简化工艺，↑生产效率，从而↓淬火变形及表面氧化脱碳倾向，且渗层中残余奥氏体A'数量有所↓，表面硬度略有↑。缺点：渗碳温度高，奥氏体晶粒粗大，淬火后残余奥氏体A'较多，零件性能↓。157.1.1渗碳4.渗碳后的热处理(2)一次淬火工艺特点：渗碳后先空冷或降至860~880℃出炉空冷，再重新加热淬火。心部强度要求较高：Ac3+30~50℃加热淬火，心部获得低碳马氏体表面硬度要求高：略高于Ac1加热淬火，细化表层晶粒缺点：Ac3+30~50℃加热淬火，对于C含量处于过共析的渗层，会使共析碳化物溶入奥氏体中，导致淬火后残余奥氏体数量↑，耐磨性↓；略高于Ac1以上加热淬火，心部出现较多先共析铁素体。应用：适合固体渗碳后的碳钢和低合金钢，气体、液体渗碳的粗晶粒钢，及渗碳后不宜直接淬火的零件或需机加工的零件。167.1.1渗碳4.渗碳后的热处理(3)两次淬火工艺特点：渗碳后先以适当方式进行冷却，再进行两次淬火。第一次淬火：880~900℃（碳钢）或850~870℃（合金钢）加热，细化心部组织，消除网状碳化物。第二次淬火：770~830℃加热，使表层得到细针状马氏体和呈小颗粒状分布的Fe3CII，↓渗层中残余奥氏体数量。特点：能获得较高的表面硬度和强韧性好的心部组织。但工艺复杂，周期长，并使零件变形和氧化脱碳程度↑。应用：仅用于对表面耐磨性、疲劳强度和心部等韧性要求较高的重载荷模具零件。17指将渗氮钢零件置于渗氮剂中，加热到一定温度（一般低于渗氮钢调质处理的回火温度，为500~570℃）保温一段时间，使N原子渗入零件表面形成一定厚度的渗氮层，以↑零件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性的工艺。常用渗氮模具钢：38CrMoAl、Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5MoSiV等；渗氮前一般需调质处理，以保证模具的整体性能。7.1.2渗氮1.何谓渗氮？18气体渗氮（常用，通常在井式炉内进行）固体渗氮液体渗氮离子渗氮（常用）真空渗氮电解催渗氮7.1.2渗氮2.渗氮方法特点：周期长，效率低，费用高，对材料要求严格（为了获得好的渗氮效果，必须选择含Al、Cr、Mo等元素的钢，使渗氮后形成氮化物AlN、CrN和Mo2N，↑耐磨性）。渗剂：一般采用脱水氨气。渗氮方法：一段式（常温）渗氮、二段式渗氮、三段式渗氮。197.1.2渗氮3.气体渗氮(1)一段式（等温）渗氮工艺特点：渗氮温度（450~530℃）、氨分解率保持不变；渗氮结束前2~4h，↑渗氮温度和氨分解率进行退氮处理，↓渗层脆性。特点：工艺简单，渗氮温度较低、渗层浅、零件变形小、表面硬度高，但渗氮速度慢，渗氮周期长。应用：适合要求高硬度、低变形的浅层渗氮，渗层氮含量分布变化明显。38CrMoAlA钢一段式渗氮工艺207.1.2渗氮3.气体渗氮(2)二段式渗氮工艺特点：特点：与等温渗氮相比，生产周期短，但零件变形略有增加，硬度梯度平缓，表面硬度相对较低。应用：适用于渗氮层较深、批量较大的零件。第一阶段渗氮：除保温时间外，其它工艺参数与等温渗氮相同，即渗氮温度、氨分解率较低，使零件表层先形成弥散度高的高硬度合金氮化物层。38CrMoAlA钢二段式渗氮工艺第二阶段渗氮：↑渗氮温度、氨分解率，加快氮原子的扩散，以↓渗氮周期。退氮处理：渗氮结束前2h，↑渗氮温度和氨分解率进行退氮处理。217.1.2渗氮3.气体渗氮(3)三段式渗氮工艺特点特点：进一步↑渗氮速度，但硬度比一般渗氮工艺低，脆性、变形比一般渗氮工艺略大。第一阶段：低温渗氮，低的渗氮温度、氨分解率。第二阶段：高温渗氮，↑渗氮温度和氨分解率，加快渗氮过程。38CrMoAlA钢三段式渗氮工艺第三阶段：低温渗氮，适当↑氨分解率，以↓模具表层的高氮脆性，或采取与第一阶段相同的氨分解率，以补充因第二阶段氮原子扩散快而使表面氮浓度过低，保证表面N含量以提高表面硬度。在二段式渗氮基础上发展起来的22表7-4部分模具钢的气体渗氮工艺规范牌号渗氮方法渗氮工艺规范渗氮层深度/mm表面硬度阶段渗氮温度/℃时间/h氨分解率/%30CrMnSiAl一段渗氮495~50525~3020~300.2~0.3>58HRCCr12MoV二段渗氮III480530182514~2736~60≤0.2720~860HV40Cr一段渗氮4902415~350.2~0.3≥600HV二段渗氮III470~490490~5102015~2020~3050~600.3~0.5≥600HV三段渗氮IIIIII470~480510~520550~5601025215~2530~501000.20~0.28≥480HV4Cr5MoV1Si一段渗氮530~5501230~600.15~0.2760~800HV7.1.2渗氮3.气体渗氮237.1.2渗氮4.离子渗氮（又称辉光离子渗氮）在一定真空度下，利用零件（阴极）与阳极间产生的辉光放电现象进行的。通入一定的直流电，氨气被电离形成氮离子、氢离子和电子，这时零件表面形成一层辉光，具有高能量的氮离子以很大速度轰击零件表面，将动能转换成热能，使零件表面升高到450~600℃；同时，氮离子在阴极即零件上获得电子后，还原成为氮原子而渗入零件表面，并向内部扩散而形成渗氮层。渗剂：一般采用脱水氨气。(1)原理247.1.2渗氮4.离子渗氮(2)特点与应用优点：渗氮速度快（获得同样深度渗层只需气体渗氮时间的1/2~1/4），周期短；渗层质量高，韧性最好，且变形小，对材料适用性强。缺点：成本高。应用：广泛用于钢制热锻模、冷挤压模、压铸模、冷冲模等的渗氮处理，模具使用寿命显著↑。25真空度：一般1.33~13.3Pa电流密度：0.5~5mA/cm2辉光电压：加热阶段550~750V，保温阶段550~650V渗氮温度：一般450~600℃阴极（零件）与阳极间的距离：一般30~70mm渗氮时间：根据模具材料、渗氮层厚度和硬度选择7.1.2渗氮4.离子渗氮(3)主要工艺参数26中温气体碳氮共渗所用钢种：多为低碳/中碳的碳钢、合金钢

渗剂：煤油（或甲苯、丙醇等）+氨气

共渗温度：820~860℃特点：同时向钢制模具零件中渗入碳、氮原子，但以渗碳为主。碳氮共渗温度：低温500~600℃、中温700~880℃、高温900~950℃碳氮共渗方法：气体法（生产中常用）、液体法7.1.3碳氮共渗、氮碳共渗1.碳氮共渗

共渗的碳、氮量：主要取决于共渗温度共渗温度越高，共渗层中碳含量越高、氮含量越低越低，共渗层中碳含量越低。27共渗层的力学性能综合了渗碳层、渗氮层的优点。碳氮共渗使共渗层的奥氏体相变温度↓。氮的渗入↑共渗层奥氏体的稳定性、渗层的淬透性，共渗后除可在冷却速度较慢的介质中淬火以↓变形外，还可用碳素钢代替低合金钢制造某些模具。气体碳氮共渗速度>单独渗碳或渗氮速度，↓生产周期。7.1.3碳氮共渗、氮碳共渗1.碳氮共渗气体碳氮共渗的优点28表7-5切边模的碳氮共渗处理及平均寿命零件材料热处理工艺渗层深度/mm表面硬度平均寿命/件失效形式HRCHV9SiCr870℃淬火，280℃回火58~595000刃口磨损三次循环加热淬火6010000刃口磨损Cr12MoV970℃淬火，240℃回火58~597500刃口磨损1050℃淬火，560℃渗氮3h，180℃回火3h0.10~0.12103716000刃口崩刃800℃碳氮共渗4h，淬火，180℃回火2~3h0.50~0.6094116500刃口磨损45820℃碳氮共渗4h，淬火，180℃回火2~3h0.65~0.7092716000刃口磨损少数崩刃850℃碳氮共渗4h，淬火，180℃回火2~3h0.95~1.088212000刃口崩块580℃碳氮共渗2h，900℃渗硼4h，180℃回火2~3h0.09~0.114534400刃口塌陷7.1.3碳氮共渗、氮碳共渗1.碳氮共渗29特点：同时向钢制模具零件中渗入碳、氮原子，但以渗氮为主。氮碳共渗温度：常用560~570℃氮碳共渗方法：气体法（生产中常用）、液体法、固体法7.1.3碳氮共渗、氮碳共渗2.氮碳共渗渗入温度低，时间短，零件变形小。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。能显著↑零件的疲劳极限、耐磨性和耐蚀性，且共渗层有一定韧性，不易剥落。应用：广泛用于压铸模、锤锻模、热挤压模、冲压模、塑料模等的表面强化处理，但由于共渗层中化合物层较薄（0.01~0.02mm）、共渗层硬度梯度较陡，不适合在重载工况下使用。与气体渗氮相比，气体氮碳共渗的优点30模具名称模具材料原工艺及模具寿命气体氮碳共渗工艺及模具寿命复式落料模CrWMn淬火+回火甲酰胺气体氮碳共渗，寿命提高10倍靠模20Cr渗碳+淬火+回火甲酰胺气体氮碳共渗，寿命提高3倍流量计塑料模T10不热处理尿素气体氮碳共渗，变形小，耐磨性好M30螺栓冷镦模Cr12MoV淬火+回火，0.2~0.3万件尿素气体氮碳共渗，2万件以上活塞销冷挤压模W6Mo5Cr4V21190℃淬火+560℃回火，0.2万件甲酰胺气体氮碳共渗，2万件以上缝纫机梭架冷挤压模65Nb淬火+回火，0.13~0.71万件甲酰胺气体氮碳共渗，2.5万件以上冷打花键滚轧模W18Cr4V淬火+回火，250m/只甲酰胺气体氮碳共渗，2000m/只气门嘴铜热挤压模3Cr2W8淬火+回火，1万件尿素气体氮碳共渗，2.0~2.6万件铝合金压铸模3Cr2W8液体氮碳共渗，3万件尿素气体氮碳共渗，5万件缝纫机曲柄热锻模3Cr2W8淬火+回火，0.5万件尿素气体氮碳共渗，1万件六角呆扳手热锻模3Cr2W8淬火+回火，0.5万件尿素气体氮碳共渗，1.5万件表7-6气体氮碳共渗应用实例7.1.3碳氮共渗、氮碳共渗2.氮碳共渗31渗硼层硬度高（1300~2000HV）和耐磨性好，热稳定性和耐蚀性也好，但脆性大，淬火时易产生裂纹；几乎所有的钢铁材料均可渗硼，硬质合金、有色金属也可渗硼。——渗硼是提高模具寿命的主要表面强化技术之一。渗硼后的热处理：常常进行调质处理，使模具零件基体获得足够的强韧性。淬火、加热温度、保温时间、冷却介质选择，根据零件材料和性能要求进行决定。应用：广泛用于各种模具。7.1.4渗硼1.特点与应用32粉末渗硼：800~950℃渗硼2~6h；设备简单，操作方便，零件表面易清洗，应用较广。膏剂渗硼：在粉末渗硼基础上发展起来的，将渗硼剂粉末与黏结剂调制成膏剂涂覆于零件表面，加热保温，保持了固体渗硼的优点，又可↓渗剂消耗量，且易于局部渗硼，特别适合模具渗硼。盐浴渗硼：950~1000℃渗硼≤6h；设备简单，操作方便，但零件表面沾盐后不易清洗，带有小孔或不通孔的零件不宜盐浴渗硼。电解盐浴渗硼：常用于工模具和要求耐磨性、耐蚀性高的零件。气体渗硼：生产中较少使用。7.1.4渗硼2.渗硼方法33表7-7部分模具渗硼的强化效果模具名称材料淬火、回火态寿命渗硼态寿命冷冲裁模CrWMn0.5万件1万件热挤压模30Cr3W5V100h261h热锻模5CrNiMo0.5万件1万件热锻用冲头55Ni2CrMnMo100h240h连杆热成型模5CrMnMo2万件6万件冷镦六方螺母凹模Cr12MoV0.5万件6万件冷轧顶头凸模65Mn0.4万件2万件7.1.4渗硼3.应用实例341.渗硫特点：减摩，耐磨性好，抗咬合性高，抗擦伤力强。渗硫方法：熔盐渗硫（生产中常用）、气体渗硫模具淬火后进行低温盐浴电解渗硫，仍保持高硬度，且变形较小。2.硫氮共渗特点：表层组织为多层结构，最表层为硫化层（硬度低）、次表层为氮化物层（硬度高）、里层为扩散层，减磨，并提高模具钢表面的耐磨性、抗咬合性、抗擦伤力。共渗工艺：共渗温度：540~560℃

渗剂：氨（30~50vol%）、硫化氢（0.02vol%）共渗时间：1~3h7.1.5渗硫、硫氮共渗351.特点与应用7.1.5渗金属渗入的金属元素：多为Cr、V、Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素。适合钢种：高碳钢（C含量>0.45%）。高碳钢零件加热到适当温度时，表层中C与渗入碳化物形成元素反应生成合金碳化物渗层，如(Cr,Fe)7C3、VC、TiC、NbC、TaC等，使零件具有某些特殊的性能，以↑零件使用寿命。模具零件渗金属：常用渗铬

↑耐磨性、耐蚀性、抗氧化性

渗钒

↑耐磨性、耐蚀性渗金属的方法：直接扩散法与渗碳、渗氮等工艺一样

覆层扩散法包括：电镀、喷镀、热浸镀等36渗剂：硼砂为载体的特种熔盐介质工艺：将含有欲渗金属元素的硼砂加热至处理温度（800~1200℃），然后将零件浸入熔融硼砂介质中（保温时间1~10h），使欲渗元素原子向零件表面扩散并与零件基体中碳原子反应形成金属碳化物渗层。——又称反应浸镀法后处理：TD法表面处理零件需根据要求油淬或熔盐中淬火。7.1.5渗金属2.TD法（热扩散覆层处理，ThermalDiffusionCoatingProcess

）37设备简单，操作方便，生产能力高，生产成本低。不论模具形状如何复杂，都能形成均匀的碳化物覆层。处理前、后零件的表面粗糙度大致相同。熔盐的使用寿命长。碳化物渗层磨损后可重新处理，不需清除残留的碳化物，不影响与基体的结合力。母材钢种较广，且可通过淬火使基体发生强化。7.1.5渗金属2.TD法优点：38处理温度高，渗层会引起零件尺寸胀大，对高精度模具应采取措施，预防变形。处理前，模具必须加工至要求的表面粗糙度，以保证处理后表面质量。载荷过大时，模具发生塑性变形，碳化物渗层中易萌生裂纹。薄刃模具的薄刃处供碳不足，难以形成厚的碳化物渗层。在不影响钢的韧性和其它性能的条件下，应合理选择钢材，以保证钢基体能提供足够的碳，形成碳化物渗层。在500℃以上氧化性气氛中长期使用时，VC、NbC等碳化物渗层易氧化，影响模具的性能。7.1.5渗金属2.TD法缺点：397.1模具表面化学热处理技术7.2模具表面的涂镀技术7.3模具表面气相沉积技术7.4模具表面高能束强化技术主要内容直流电源的负极与导电模具零件连接作为电镀的阴极。在直流电作用下，电镀液中的金属离子还原沉积在模具零件（阴极）表面，形成具有一定性能的金属镀层。电镀的原理示意图7.2.1电镀磨光→抛光→脱脂→水洗→去锈→水洗→电镀→酸洗→碱洗→清洗→出槽1.原理2.基本工艺流程417.2.1电镀电镀液pH值：影响氢的放电电位、碱性夹杂物的沉淀或水化物的组成以及添加剂吸附程度。太高或太低的pH值均不利于电镀，必须通过实验测定。电流参数：电流密度太低时，镀层晶粒粗大，而太高时，易形成结瘤和树枝状结晶，甚至烧焦。电流密度大小与电镀液的组成、主盐浓度等密切相关。添加剂（包括光亮剂、整平剂、润湿剂等）：改善电镀液性能，↑电镀层质量，如：细化晶粒、光亮镀层、整平作用、润湿作用、↑镀层硬度、↓镀层应力等。3.影响电镀质量的主要因素42导电模具零件：与直流电源负极与连接作为电刷镀的阴极。镀笔：由高纯度细结构的石墨电极及前端包裹的涤棉套组成，与直流电源正极连接作为电刷镀的阳极。电刷镀的原理示意图7.2.2电刷镀1.原理（与普通电镀相同）施镀时，阳极镀笔前端的涤棉套接触模具零件表面需镀覆部位并沿其作滑动，镀液不断添加至涤棉套与模具零件表面之间，镀液中的金属离子在电场作用下向零件表面迁移，在零件表面还原成为金属原子，从而快速沉积金属镀层。43工艺灵活，操作方便，不受镀件形状、尺寸、材质、位置的限制。复杂型面：凡是镀笔能触及的部位均可施镀不可拆卸、搬动或难以入槽的大型零件：可在现场不解体施镀小孔、深孔、沟槽等局部表面以及划痕、凹槽、磨损等局部表面缺陷处：可施镀镀层质量高。因镀笔在零件表面不断移动，沉积金属的结晶过程中不断受到中断放电和外力作用的干扰，可获得晶粒超细并具有高密度位错的金属镀层，这类镀层的硬度、强度较好，且与零件基体的结合力强，表面光滑。7.2.2电刷镀2.工艺特点44沉积速度快，生产效率高。电刷镀的阴、阳极之间仅有涤棉套的阻隔，距离一般≤5~10mm，金属离子的迁移距离短，可采用高浓度镀液、大电流密度施镀，而不会产生金属离子贫乏的现象。适应范围广。一套电刷镀设备可采用多种镀液，刷镀各种单金属镀层和复合镀层，以满足各种不同的需要。7.2.2电刷镀2.工艺特点45模具表面修复模具表面强化

模具表面改性7.2.2电刷镀3.在模具中的应用

例：灰铸铁制作的塑料盆注射模

未电刷镀：型腔表面硬度低（23HRC），磨损严重。电刷镀：型腔表面镀碱铜过渡层+镀镍钴合金表层，硬度升至~40HRC，表面粗糙度从Ra6.3um降至Ra0.8um，耐磨性↑2倍，且制品易脱模。例：热锻模型腔表面

先电刷镀镀Co，再渗硼模具的冷热疲劳抗力显著↑467.2.3化学镀1.原理将模具零件置于镀液中，利用合适的还原剂使镀液中的金属离子在经催化的表面上还原沉积镀层。2.特点与电镀相比，化学镀均镀能力强，仿形性好，镀层致密，且设备简单，操作方便。复杂模具采用化学镀，还可避免热处理引起的变形。可获得单一金属镀层、合金镀层、复合镀层和非晶态镀层。47原理：以亚磷酸盐为还原剂，将镍盐还原成镍，同时使镀层中含一定量的磷，沉积的镍膜具有自催化性，可使反应继续进行。特点：不仅能↑零件表面的硬度和耐磨性，还能改善零件表面的自润滑性能，↑零件表面的抗擦伤能力和耐蚀性。应用：适合于冲压模、挤压模、塑为成形模、橡胶成形模。3.Ni-P化学镀7.2.3化学镀487.2.4热浸镀1.原理2.基体材料和镀层材料将零件浸入熔融态金属中，在其表面发生一系列的物理和化学反应而形成一层金属保护膜。常用基体金属材料：钢、铸铁、铜，其中钢最常用。镀层金属：熔点必须低于基体金属，且通常低得多。常用镀层金属为：低熔点的锡、锌、铝、铅、铝锡合金、铝硅合金、铅锡合金等，其中锌应用最多。49按前处理不同，热浸镀分为：熔剂法主要用于钢管、钢丝、零件

保护气体还原法常用于钢板热浸镀总的工艺流程：表面处理→助镀处理→热浸镀→镀后处理熔剂法的工艺流程：预镀件碱洗→酸洗→水洗→稀盐酸处理→水洗→溶剂处理→烘干→热浸镀→镀后处理7.2.4热浸镀3.热浸镀方法溶剂处理是重要工序，是↑镀层质量、防止漏镀的关键。507.1模具表面化学热处理技术7.2模具表面的涂镀技术7.3模具表面气相沉积技术7.4模具表面高能束强化技术主要内容何谓气相沉积？指将含有形成沉积元素的气相物质输送到模具零件表面上而形成沉积层的工艺方法。通常沉积过渡族金属元素（Ti、V、Cr、W、Mo、Ta、Nb等）与C、N、O和B等形成的化合物层。气相沉积的概念表7-8气相沉积层的主要类别与特性类别种类主要特征碳化物TiC、VC、W2C、MoC、Cr7C3、B4C、TaC、NbC、ZrC、HfC、SiC高硬度、耐磨部分碳化物还耐蚀氮化物TiN、VN、BN、ZrN、HfN、Cr2N、CrN、NbN、MoN、(Ti,Al)NBN、TiN、VN等耐磨性好TiN呈金黄色，装饰性好氧化物Al2O3、TiO2、ZrO2、ZnO、CuO、SiO2耐磨、特殊光学性能、装饰性碳氮化合物Ti(C,N)、Zr(C,N)耐磨、装饰硼化物TiB2、VB2、Cr2B、TaB、ZrB、HfB耐磨硅化物Si3N4、MoSi2、WSi2高温抗氧化性、耐蚀性好金属及非金属元素Al、Cr、Ni、Mo、C（金刚石、类金刚石）满足特殊光学、电学性能或赋予高耐磨性52具有很高的硬度（TiC：3200~4100HV；TiN：2450HV）、低的摩擦系数和自润滑性能，故抗磨损性能良好。具有很高的熔点（TiC：3160℃；TiN：2950℃），化学稳定性好，基体金属中涂层中的溶解度小，摩擦系数低，具有很好的抗粘着磨损能力，发生冷焊和咬合的倾向也很小，且TiN比TiC更好。具有较强的抗腐蚀能力，TiC涂层在硫酸、盐酸、氯化钠水溶液中耐蚀性良好，且TiN的耐蚀行一般比TiC更好。高温下具有良好的抗氧化性（TiC：可达400℃；TiN：可达500℃）。模具零件常用气相沉积涂层的特性53CVD装置示意图先将含有形成涂层材料元素的反应介质置于较低温度下，然后送入高温反应室与模具零件表面接触发生高温化学反应，析出的合金、金属及其化合物沉积于零件表面形成涂层。7.3.1化学气相沉积（CVD）（ChemicalVapourDeposition）1.原理54采用CVD制备TiC涂层的示意图反应气体向零件（基片）表面扩散并被吸附吸附于零件表面的各种物质发生化学反应生成物质点聚集形成晶核并长大，形成沉积涂层表面化学反应中产生的气体产物脱离零件表面返回气相沉积涂层与基体的界面发生元素互扩散，形成扩散层7.3.1化学气相沉积（CVD）2.过程55常压化学气相沉积低压化学气相沉积（LPCVD）：压力一般为1×104~4×104Pa。低压下分子平均自由程增加，加快气态分子的输运过程，反应物质在零件表面的扩散系数增大，使涂层均匀性得到改善。热化学气相沉积（TCVD）：利用高温激活化学反应进行气相沉积，常用于半导体和其它材料（广泛采用金属有机化学气相沉积、氢化物化学气体沉积等）。7.3.1化学气相沉积（CVD）3.CVD的种类56等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）：除借助热能外，还借助外部电场作用引起的放电，使原料气体呈等离子体状态，变为化学上非常活泼的激发分子、原子、离子和原子团等，促进反应进行。激光诱导化学气相沉积（LCVD）：通过激光束照射封闭室内的反应气体，诱发化学反应，使生成物沉积在气室内的基板上，并使工作温度显著↓。超声波化学气相沉积（UWCVD）……7.3.1化学气相沉积（CVD）3.CVD的种类57优点：沉积的涂层质量高，致密，可控性好。缺点：处理温度高，零件易产生变形，基体组织发生变化导致力学性能↓，且需后续热处理，↑了成本，因此，应用受到一定限制。7.3.1化学气相沉积（CVD）4.CVD的特点58(1)生产条件根据服役条件，选择具有相应物理、化学性能的涂层材料。选择基体材料。首先需满足服役条件及其与涂层之间的匹配性，如：基体与涂层的热膨胀系数、界面能、化学性质、冶金特性以及两者间是否会形成脆性或软的过渡层等。TCVD：因处理温度高，需选择耐热性和组织结构稳定的基体材料，一般选择硬质合金、高速钢、基体钢、高碳高铬工具钢、气淬钢、热作模具钢。确定合适的涂层厚度。太薄的涂层无法获得好的性能及长寿命；而太厚的涂层呈脆性且与基体间结合力变差。高温CVD涂层厚度：TiC，2~8um；TiN，5~14um；Ti(C,N)复合涂层3~15um。选择良好的CVD设备和合理的工艺（包括沉积温度、气体流量等）7.3.1化学气相沉积（CVD）5.在工模具上的应用59在Cr12MoV、9SiCr钢模具沉积TiN涂层的优点TiN的硬度高>1500HVTiN与钢的摩擦系数为0.14，只是钢与钢间的1/5TiN具有很高的抗粘接性能TiN熔点高达2950℃，抗氧化性好TiN涂层耐蚀性好，且与模具基体间的结合力强效果：沉积>3um厚的TiN涂层，模具寿命提高1~20倍(2)应用实例7.3.1化学气相沉积（CVD）5.在工模具上的应用60原理：采用各种物理方法产生的原子或分子沉积在模具零件表面上形成外加涂层。优点：沉积速度较快，且沉积温度一般<600℃，无需后续热处理，应用比CVD更广。缺点：PVD涂层的均匀性稍差，与基体的结合力较小，且设备造价高，操作、维护的技术要求也高。7.3.2物理气相沉积（PVD）1.原理与特点（PhysicalVapourDeposition）61真空蒸镀：在高真空（1.33×10-3~1.33×10-4Pa）中采用电子束、电阻丝等加热金属、合金或化合物使之蒸发，然后在零件表面凝聚而形成涂层。——在模具表面强化中应用较少，多用于光学元件、电子元件等的表面镀膜。阴极溅射：用荷能粒子轰击阴极靶材，使靶材表面原子以一定能量逸出，然后在模具零件表面沉积形成涂层。代表性工艺：二极溅射、三极溅射、磁控溅射、对置溅射、离子束溅射、吸收溅射等，常用磁控溅射（沉积温度低、效率高，且可沉积纯金属、合金和化合物，适应性广）。离子镀：借助惰性气体辉光放电使金属或合金蒸气离子化，然后离子经电场加速在带负电荷零件表面沉积形成与基体结合力强的涂层。7.3.2物理气相沉积（PVD）2.PVD的种类62表7-9三种PVD方法与CVD法的特性比较比较项目PVD法CVD法真空蒸镀阴极溅射离子镀镀金属可以可以可以可以镀合金可以，但工艺复杂可以可以，但工艺复杂可以镀高熔点化合物可以，但工艺复杂可以可以，但工艺复杂可以沉积粒子的能量/eV0.1~11~1030~1000-沉积速度/um·min-10.1~750.01~20.1~50较快沉积膜的密度较低高高高孔隙度中小小极小基体与镀层的连接无合金相无合金相有合金相有合金相结合力差好最好最好均镀能力不好好好好镀覆机理真空蒸发辉光放电，溅射辉光放电气相化学反应7.3.2物理气相沉积（PVD）3.三种PVD方法与CVD的特性比较637.1模具表面化学热处理技术7.2模具表面的涂镀技术7.3模具表面气相沉积技术7.4模具表面高能束强化技术主要内容热源：激光、电子束、离子束（能量密度≥103W/cm2）。目的：改变模具零件表层的显微结构甚至成分，从而改善零件表面的物理、化学性能。共同特点：加热速度快，加热面积可根据需要选择，零件变形小，不需冷却介质，可控性能好，易于实现自动化处理。高能束表面强化技术65第一类：激光表面热处理技术激光表面淬火：利用高能激光束照射零件表面，使零件表面加热至相变点以上，激光停止照射后，快速自冷淬火而硬化，具有极高的硬度。——适应于灰铸铁、球墨铸铁、碳钢、合金钢、马氏体不锈钢等。激光非晶化处理：利用高能激光束加热零件表面使其熔化，然后快冷形成1~10um厚的非晶化组织，其强韧性高，耐磨性好。激光冲击硬化：利用高强度脉冲激光束照射零件表面，使表面薄层迅速汽化，在表面原子逸出期间，发生动量脉冲，产生强的机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。可显著↑材料强度和硬度，并有效↑抗疲劳性能。7.4.1激光表面强化技术1.种类及原理66激光表面合金化：利用激光束使合金元素与基体表面金属混合熔化，在很短时间内形成与基体材料不同的化学成分和组织结构的高性能表面合金层。激光熔覆：利用激光束在零件表面熔覆一层硬度高、耐磨、耐蚀和抗疲劳性能好的材料，以↑