模具表面处理技术

第七章模具外表强化处理技术1↑模具外表的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性，从而大幅度↑模具使用寿命。↑模具的外表抗擦伤能力和脱模能力，↑生产效率。采用碳素工具钢或低合金模具钢，经外表涂层或合金化处理后，可到达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↓模具材料的本钱，还可简化模具的制造加工工艺和热处理工艺，降低生产本钱。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外表的修复。可用于模具外表的纹饰，能↑其塑料制品的档次和附加值。模具外表强化处理的目的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〔CVD〕物理气相沉积〔PVD，包括真空蒸镀、阴极溅射、离子镀〕高能束外表强化：激光外表淬火、激光熔覆、激光冲击硬化、激光合金化电子束外表淬火、电子束外表合金化离子注入合金化外表加工强化技术：火焰外表加热淬火、高频感应加热外表淬火喷丸外表强化、电火花外表强化电解淬外表加热淬火常用的模具外表处理技术3表7-1模具外表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、耐热疲劳性冷挤模、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、耐疲劳性、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、冲头针尖模具外表强化处理技术的作用及应用4表7-2各种外表强化方法的比较模具外表强化处理技术的作用及应用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）○○○○物理气相沉积（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。5主要内容§7.1模具外表化学热处理技术§7.2模具外表的涂镀技术§7.3模具外表气相沉积技术§7.4模具外表高能束强化技术6化学热处理的概念、目的化学热处理：将模具零件置于具有一定活性的介质中加热、保温，使一种或几种元素的原子渗入其表层，以改变其表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的目的：改变模具零件表层的化学成分和组织结构，以提高其外表力学性能和物理化学性能，从而大幅度延长模具的使用寿命。化学热处理后，模具零件尺寸根本上不增加〔热处理变形除外〕。7渗剂分解，产生被渗元素的活性原子。例如：气体渗碳CH4=2H2+[C]气体渗氮2NH3=3H2＋2[N]渗剂的分解速度，取决于渗剂的性质、数量、分解温度、压力以及有无催化剂等因素。活性原子被模具零件外表吸收。活性原子吸收的强弱，与活性物质的分解速度、渗入元素的性质及扩散速度、模具零件的成分及外表状态等因素有关。被吸附的活性原子从模具零件的外表向内部扩散，形成一定厚度的扩散层〔即渗层〕。化学热处理的根本过程8常用化学热处理方法及作用表7-3常用化学热处理方法及作用方法渗入元素作用渗碳C↑模具的表面硬度、耐磨性、疲劳强度渗氮N↑模具的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性碳氮（氮碳）共渗C、N↑模具的表面硬度、耐磨性、疲劳强度渗硫S减磨，↑模具的抗咬合性能硫氮共渗S、N减磨，↑模具的抗咬合性能、耐磨性、疲劳强度硫碳氮共渗S、C、N减磨，↑模具的抗咬合性能、耐磨性、疲劳强度渗铝Al↑模具的抗氧化、抗含硫介质腐蚀能力渗铬Cr↑模具的抗氧化、抗腐蚀能力、耐磨性渗硼B↑模具的表面硬度、耐磨性、耐蚀性渗硅Si↑抗腐蚀能力渗锌Zn↑抗大气腐蚀能力97.1.1渗碳1、渗碳的工艺特点2、渗碳方法的分类气体渗碳〔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〕渗碳是将低碳钢、低碳合金钢模具零件置于增碳的活性介质〔渗碳剂〕中加热到900~950℃〔常用930℃〕，在高温下通过反响分解出的活性碳原子渗入其外表的奥氏体中，并通过扩散形成一定厚度的渗碳层，随后淬火和低温回火使模具零件的表层和心部具有不同的成分、组织和性能。107.1.1渗碳3、气体渗碳特点：操作简便，周期短，质量容易控制，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117.1.1渗碳4、渗碳后的热处理提高零件外表的强度、硬度和耐磨性提高零件心部的强度和韧性细化晶粒消除网状碳化物和减少残留奥氏体消除内应力，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，渗碳后需热处理，即淬火+回火。渗碳后热处理的目的：127.1.1渗碳4、渗碳后的热处理淬水方法操作过程特点应用直接淬火渗碳后预冷到760~850℃后直接淬火。优点：减少加热和冷却次数，简化工艺，提高生产效率，可减少淬火变形及表面氧化脱碳倾向，且渗层中残余奥氏体量也有所降低，表面硬度略有提高。缺点：渗碳温度高，奥氏体晶粒粗大，淬火后残余奥氏体较多，工件性能下降。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。一次淬火渗碳后先空冷或降至860~880℃再出炉空冷，然后再重新加热淬火（心部强度要求较高时，在Ac3以上30~50℃加热，心部获得低碳马氏体；表面硬度要求高时，略高于Ac1以上加热，细化表层晶粒）。缺点：Ac3以上30~50℃加热淬火，对于含碳量处于过共析的渗层，会造成共析碳化物熔入奥氏体，导致淬火后残余奥氏体量增加，耐磨性下降。略高于Ac1以上加热淬火，使心部出现较多的先共析铁素体。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，以及某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机加工的零件。两次淬火渗碳后以某一适当的冷却速度冷却后，随后两次淬火。第一次淬火：880~900℃（碳钢）或850~870℃（合金钢）加热，以细化心部组织，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，减少渗层中残留奥氏体数量。优点：能获得较高的表面硬度和强韧性好的心部组织。缺点：工艺复杂，生产周期长，并使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂。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。表7-4渗碳后的淬火工艺、特点及应用137.1.2渗氮1、渗氮的工艺特点2、渗氮方法的分类气体渗氮〔常用〕固体渗氮液体渗氮离子渗氮〔常用〕真空渗氮电解催渗氮渗氮：将渗氮钢制模具零件置于渗氮剂中，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，使氮原子渗入模具零件外表形成一定厚度的渗氮层，以↑模具零件的外表硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。常用渗氮模具用钢：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。147.1.2渗氮3、气体渗氮〔通常在井式炉内进行〕表7-5常用的3种气体渗氮方法特点：生产周期长，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，以便渗氮后形成AlN、CrN和Mo2N，↑耐磨性〕。渗剂：一般采用脱水氨气。渗氮方法渗氮工艺特点一段渗氮法（又称等温渗氮法）渗氮温度、氨分解率保持不变。渗氮温度：450~530℃。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。二段渗氮法第一阶段：采用较低的渗氮温度、较低的氨分解率，使工件表层先形成弥散度高的高硬度合金氮化物层。第二阶段：提高渗氮温度、氨分解率，使氮的扩散速率加快，以缩短渗氮时间。处理的工件变形稍大，硬度梯度平缓，但渗氮速率较快，生产周期短。三段渗氮法在二段渗氮的基础上再增加一个低温阶段，可适当提高氨分解率以减少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模具表面氮含量的消耗。为减少渗氮层的脆性，渗氮结束前2~3h需进行退氮处理，即将氨分解率提高至90%以上。157.1.2渗氮3、气体渗氮表7-6局部模具钢的气体渗氮工艺标准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530~5501230~600.15~0.2760~800HV167.1.2渗氮4、离子渗氮〔又称辉光离子渗氮〕原理：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和氢离子和电子，这时零件外表形成一层辉光，具有高能量的氮离子以很大速度轰击零件外表，将动能转换成热能，使零件外表升高到450~600℃；同时，氮离子在阴极即零件上获得电子后，复原成为氮原子而渗入零件外表，并向内部扩散而形成渗氮层。特点：渗氮速度快〔获得同样深度的渗层只需气体渗氮时间的1/2~1/4〕，生产周期短；渗层质量高，韧性最好；模具变形小；对材料适用性强；本钱高。渗剂：一般采用脱水氨气。应用：广泛用于热锻模、冷挤压模、压铸模、冷冲模等的渗氮处理，模具使用寿命显著提高。177.1.2渗氮4、离子渗氮〔又称辉光离子渗氮〕离子渗氮的主要工艺参数：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〔工件〕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187.1.3碳氮共渗和氮碳共渗1、碳氮共渗中温气体碳氮共渗所用钢种：大多为低碳、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℃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，反之，共渗层中碳含量越低。特点：同时向模具零件中渗入碳、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197.1.3碳氮共渗和氮碳共渗1、碳氮共渗气体碳氮共渗的优点：共渗层的力学性能综合了渗碳层、渗氮层两者的优点。碳氮共渗使共渗层的奥氏体相变温度降低。氮的渗入↑提高共渗层的奥氏体的稳定性，↑渗层的淬透性，这样共渗后除可以在冷却速度较缓慢的介质中淬火而减少变形外，还可用较碳素钢代替低合金钢制造某些模具。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。207.1.3碳氮共渗和氮碳共渗1、碳氮共渗表7-7切边模的碳氮共渗处理及平均寿命模具工件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217.1.3碳氮共渗和氮碳共渗2、氮碳共渗特点：同时向模具零件中渗入碳、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、固体法与气体渗氮相比，气体氮碳共渗的优点渗入温度低，时间短，工件变形小。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↑工件的疲劳极限、耐磨性和耐蚀性。共渗层硬且具有一定的韧性，不易剥落。气体氮碳共渗的应用：广泛用于压铸模、锤锻模、热挤压模、冲压模、塑料模等的外表强化处理，但因共渗层中化合物层较薄〔0.01~0.02mm〕、共渗层硬度梯度较陡，不适合在重载条件下使用。227.1.3碳氮共渗和氮碳共渗2、氮碳共渗模具名称模具材料原工艺及模具寿命氮碳共渗工艺及模具寿命复式落料模CrWMn淬火+回火喷入法甲酰胺氮碳共渗，寿命提高10倍靠模20Cr渗碳+淬火+回火喷入法甲酰胺氮碳共渗，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，0.2~0.3万件增加尿素气体氮碳共渗，2万件以上活塞销冷挤压模W6Mo5Cr4V21190℃淬火+560℃回火，0.2万件增加甲酰胺氮碳共渗，2万件以上缝纫机梭架冷挤压模65Nb淬火+回火，0.13~0.71万件增加甲酰胺氮碳共渗，2.5万件以上冷打花键滚轧模W18Cr4V淬火+回火，250m/只增加甲酰胺氮碳共渗，2000m/只气门嘴铜热挤压模3Cr2W8淬火+回火，1万件增加尿素气体氮碳共渗，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7-8氮碳共渗应用实例237.1.4渗硼特点：①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；②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外表强化技术之一。渗硼方法：粉末渗硼：800~950℃渗硼2~6h；设备简单，操作方便，工件外表易清洗，应用较广。膏剂渗硼：是粉末渗硼的开展，将渗硼剂粉末与黏结剂调制成膏剂涂覆在零件外表上，加热保温，保持了固体渗硼的优点，又可减少渗硼剂的消耗量，且易于局部渗硼，特别适合于模具渗硼。盐浴渗硼：950~1000℃渗硼≤6h；设备简单，操作方便，但工件外表沾盐后不易清洗，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：工业生产中较少使用。247.1.4渗硼表7-9局部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2万件渗硼后的热处理：往往进行调质处理，以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。257.1.5渗硫和碳硫共渗1、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经低温盐浴电解渗硫，仍能保持高硬度，且变形较小。2、碳硫共渗特点：可提高模具钢外表的耐磨性。共渗工艺：共渗温度：540~560℃渗剂：氨〔30~50vol%〕、硫化氢〔0.02vol%〕共渗时间：1~3h267.1.6渗金属渗金属：将钢制模具零件加热到适当温度，使金属元素渗入钢件表层的化学热处理工艺。特点：该工艺适合于高碳钢零件〔含C量>0.45%〕，渗入的金属元素大多数为Cr、V、Ti、Nb、Ta等，这些元素与工件表层中的C反响形成合金碳化物渗层，如(Cr,Fe)7C3、VC、TiC、NbC、TaC等，使零件具有某些特殊的性能，以提高零件的使用寿命。模具零件外表渗金属：常用渗铬〔提高外表耐磨性、耐蚀性和抗氧化性〕、渗钒〔提高外表耐磨性和耐蚀性〕。渗金属的方法：直接扩散法〔与渗C、渗N等化学热处理工艺一样〕覆层扩散法〔包括电镀、喷镀、热浸镀等〕277.1.6渗金属TD法：是采用扩散覆层处理〔ThermalDiffusionCoatingProcess〕原理，将模具零件置于以硼砂熔盐为载体的特种介质中，在一定温度下特种熔盐介质中的浴渗金属原子向零件外表扩散，并与零件基体中的碳原子反响形成金属碳化物渗层，以改善零件表层性能的工艺方法。TD法处理工艺：处理温度800~1200℃，保温时间1~10h，处理后零件需根据要求油淬或熔盐中淬火。TD法的优点：设备简单，操作方便，生产能力高，生产本钱低。不管模具形状如何复杂，都能形成均匀的碳化物覆层。处理前、后零件的外表粗糙度大致相同。熔盐的使用寿命长。碳化物渗层磨损后可重新处理，不需去除残留的碳化物，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强化。287.1.6渗金属TD法的局限性：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到要求的外表粗糙度，以保证处理后的外表质量。当载荷过大时，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缺乏，难以形成厚的碳化物层。对钢质基体材料的含碳量应合理选择，在不影响钢的韧性和其它性能的条件下，应保证提供足够的碳，以形成碳化物。模具在500℃以上氧化性气氛中长期使用，VC、NbC等碳化物渗层易氧化，影响模具的性能。29主要内容§7.1模具外表化学热处理技术§7.2模具外表的涂镀技术§7.3模具外表气相沉积技术§7.4模具外表高能束强化技术307.2.1电镀电镀的工作原理：在直流电作用下，电镀液中的金属离子复原沉积在模具零件〔阴极〕外表而形成具有一定性能的金属镀层。电镀的根本工艺流程：磨光→抛光→脱脂→水洗→去锈→水洗→电镀→酸洗→碱洗→清洗→出槽。影响电镀层质量的根本因素：电镀工作原理示意图溶液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。电流密度大小由电镀液与组成、主盐浓度等有关。添加剂：包括光亮剂、整平剂、润湿剂等，以改善电镀液的性能，提高电镀层的质量，如细化晶粒、光亮镀层、整平作用、润湿作用、提高镀层硬度、降低镀层应力等。317.2.2电刷镀电刷镀的工作原理：与普通电镀相同。直流电源的负极与可导电模具零件连接作为电刷镀的阴极，正极与镀笔中的不溶性阳极连接。施镀时，阳极镀笔前端的涤棉套接触模具零件外表需镀覆的部位并沿其作滑动，镀液不断地添加至涤棉套与模具零件外表之间，镀液中的金属离子在电场作用下向模具零件外表迁移，在模具零件外表复原成为金属原子，从而快速沉积金属镀层。电刷镀工作原理示意图镀笔：由高纯度细结构的石墨电极及前端包裹的涤棉套组成。327.2.2电刷镀电刷镀的工艺特点：工艺灵活，操作方便，不受镀件形状、尺寸、材质和位置的限制。对于复杂型面，但凡镀笔能触及的部位均可施镀；对于对信拆卸、搬动或难以入槽的大型零件，可在现场不解体施镀；对于小孔、深孔、沟槽等局部外表以入划痕、凹槽、磨损等局部外表缺陷处，也可施镀。镀层质量高。因镀笔在零件外表不断移动，沉积金属的结晶过程中不断受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。外表光滑。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，距离一般不大于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。337.2.2电刷镀电刷镀在模具上的应用模具外表修复模具外表强化例：采用灰铸铁制作的塑料盆注射模，型腔外表硬度低，磨损严重。采用电刷镀先镀碱铜过渡层，再镀镍钴合金工作表层，型腔外表硬度从23HRC提高至40HRC左右，外表粗糙度从Ra6.3um降至Ra0.8um，模具的耐磨性↑2倍，且制品易脱模。模具外表改性例：先采用电刷镀在热锻模型腔外表镀Co，再渗硼，可显著↑模具的冷热疲劳抗力。347.2.3化学镀化学镀的工作原理：将模具零件置于镀液中，利用适宜的复原剂使镀液中的金属离子在经催化的外表上复原沉积镀层的方法。化学镀的特点：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，还可防止热处理引起的变形。可获得单一金属镀层、合金镀层、复合镀层和非晶态镀层。Ni-P化学镀工作原理：以亚磷酸盐为复原剂，将镍盐复原成镍，同时使镀层中含一定量的磷，沉积的镍膜具有自催化性，可使反响继续进行。采用Ni-P化学镀，不仅能↑模具外表的硬度和耐磨性，还能改善模具外表的自润滑性能，↑模具外表的抗擦伤能力和耐蚀性，适合于冲压模、挤压模、塑为成形模、橡胶成形模。357.2.4热浸镀〔热镀〕热浸镀的工作原理：将模具零件浸在熔融态金属中，在其外表发生一系列的物理和化学反响而形成一层金属保护膜，从而↑模具耐热性。热浸镀的基体材料和镀层材料常用基体金属材料：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：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。按前处理不同，热浸镀分为：熔剂法〔主要用于钢管、钢丝、零件〕、保护气体复原法〔常用于钢板〕热浸镀工艺：外表处理、助镀处理、热浸镀和镀后处理。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。其中，溶剂处理是该工艺的重要环节，是提高镀层质量、防止漏镀的关键。36主要内容§7.1模具外表化学热处理技术§7.2模具外表的涂镀技术§7.3模具外表气相沉积技术§7.4模具外表高能束强化技术37气相沉积：将含有形成沉积元素的气相物质输送到模具零件外表上，在零件外表形成沉积层的工艺方法。通常沉积一层过渡族金属元素〔Ti、V、Cr、W、Mo、Ta、Nb等〕与C、N、O和B等形成的化合物。按沉积原理气相沉积分为：化学气相沉积、物理气相沉积。气相沉积的概念表7-10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，装蚀性好氧化物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38常用气相沉积涂层的特点气相沉积的概念涂层具有很高的硬度〔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。涂层具有很高的熔点〔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。涂层具有较强的抗腐蚀能力，TiC涂层在硫酸、盐酸、氯化钠水溶液中的耐蚀性良好，且TiN的耐蚀能力一般比TiC更好。涂层在高温下也具有良好的抗氧化化〔TiC：可达400℃；TiN：可达500℃〕。391、化学气相沉积〔ChemicalVapourDeposition，简称CVD〕的原理7.3.1化学气相沉积CVD装置示意图将含有形成涂层材料元素的反响介质置于较低温度下，然后送入高温的反响室与零件外表接触产生高温化学反响，析出的合金、金属及其化合物沉积于零件外表而形成涂层。407.3.1化学气相沉积采用CVD制备TiC涂层的示意图2、CVD的过程反响气体向工件外表扩散并被吸附。吸附于工件外表的各种物质发生外表化学反响。生成物质点聚集形成晶核并长大。外表化学反响中产生的气体产物脱离工件外表返回气相。沉积层与基体的界面发生元素互扩散，形成镀层。417.3.1化学气相沉积常压化学气相沉积低压化学气相沉积〔LPCVD〕：压力一般在1×104~4×104Pa之间。低压下分子平均自由程增加，加快气态分子的输运过程，反响物质在工件外表的扩散系数增大，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响进行气相沉积，常用于半导体和其它材料。广泛用于金属有机化学气相沉积、氢化物化学气体沉积等。等离子体辅助化学气相沉积〔PECVD〕：除借助热能外，还借助外部电场的作用引起放电，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，促进反响的进行。激光诱导化学气相沉积〔LCVD〕：激光应用于常规CVD的一种新技术，通过激光束照射封闭室内的反响气体，诱发化学反响，使生成物沉积在气室内的基板上的，并使工作温度显著降低超声波化学气相沉积〔UWCVD〕……3、CVD的种类42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降低，需在CVD后进行热处理，增大了本钱，因此在应用上受到了一定限制。7.3.1化学气相沉积4、CVD的特点437.3.1化学气相沉积5、CVD技术在工模具上的应用(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。首先要求满足服役条件以及涂层与基体间的匹配性能超群，如两者的热膨胀系数、界面能、化学性质、冶金特性以及两者间是否形成脆性或软的过渡层等。对于TCVD，因处理温度高，必须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、热作模具钢等作为基体材料。确定适宜的涂层厚度。太薄的涂层，无法获得最正确的性能及寿命；太厚的涂层将呈脆性以及涂层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。选择良好的设备和合理的CVD工艺〔包括沉积温度、气体流量等〕447.3.1化学气相沉积5、CVD技术在工模具上的应用(2)应用实例在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。451、物理气相沉积〔PhysicalVapourDeposition，简称PVD〕的原理和特点7.3.2物理气相沉积原理：采用各种物理方法产生的原子或分子沉积在模具零件外表上形成外加涂层。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。467.3.2物理气相沉积真空蒸镀：在高真空〔1.33×10-3~1.33×10-4Pa〕中，采用电子束、电阻丝等热源加热源物质〔金属、合金或化合物〕使之蒸发，然后的原子或分子在工件外表上凝聚而形成涂层。该方法在模具外表强化应用较少，多用于光学元件、电子元件等的外表镀膜。阴极溅射：用荷能粒子轰击靶材〔阴极〕，使靶材外表原子以一定能量逸出，然后沉积的模具零件外表上而形成涂层。代表性阴极溅射工艺：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，常用的是磁控溅射。磁控溅射效率高，模具零件温度低，适应性广，可沉积纯金属、合金和化合物。离子镀：先借助惰性气体的辉光放电使金属或合金蒸气离子化，然后离子经电场加速沉积在带负电荷的模具零件外表上而形成涂层。这可显著↑涂层与基体的结合力。2、PVD的种类477.3.2物理气相沉积3、三种PVD法与CVD法的特性比较表7-11三种PVD方法与CVD法的特性比较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48主要内容§7.1模具外表化学热处理技术§7.2模具外表的涂镀技术§7.3模具外表气相沉积技术§7.4模具外表高能束强化技术49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，从而改善零件外表的物理、化学性能。共同特点：加热速度快，加热面积可根据需要选择，工件变形小，不需冷却介质，可控性能好，易于实现自动化处理。高能束外表强化技术50第一类：激光外表热处理技术7.4.1激光外表强化技术激光外表合金化：利用激光束使合金元素与基体外表金属混合熔化，在很短时间内形成与基体材料不同的化学成分和结构的高性能外表合金层。激光熔覆：利用激光束在零件外表熔覆一层硬度高、耐磨、耐蚀和抗疲劳性能好的材料，以↑零件的外表性能。第二类：激光外表改性激光淬火：利用高能量激光束照射零件外表，使零件外表加热至相变点以上，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：利用激光束使零件外表熔化，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外表，使外表薄层迅速汽化，在外表原子逸出期间，发生动量脉冲，产生强的机械冲击波和应力波，使材料外表硬化。可显著↑材料的强度和硬度，并有效↑抗疲劳性能。517.4.1激光外表强化技术表7-1245钢和