模具表面處理技術(shù)

第七章模具外表強(qiáng)化處理技術(shù)1↑模具外表的硬度、耐磨性、耐蝕性和高溫抗氧化性，從而大幅度↑模具使用壽命?！＞叩耐獗砜共羵芰兔撃Ｄ芰Γa(chǎn)效率。采用碳素工具鋼或低合金模具鋼，經(jīng)外表涂層或合金化處理后，可到達(dá)或超過(guò)高合金模具鋼甚至硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)，不僅可大幅度↓模具材料的本錢(qián)，還可簡(jiǎn)化模具的制造加工工藝和熱處理工藝，降低生產(chǎn)本錢(qián)?？捎糜谀＞叩男迯?fù)，尤其是電刷鍍技術(shù)可在不拆卸模具的前提下完成對(duì)模具外表的修復(fù)?？捎糜谀＞咄獗淼募y飾，能↑其塑料制品的檔次和附加值。模具外表強(qiáng)化處理的目的2化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲滲硼、滲金屬〔滲鉻、滲釩、滲鈮、滲鋁〕涂鍍：電鍍、電刷鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍氣相沉積強(qiáng)化：化學(xué)氣相沉積〔CVD〕物理氣相沉積〔PVD，包括真空蒸鍍、陰極濺射、離子鍍〕高能束外表強(qiáng)化：激光外表淬火、激光熔覆、激光沖擊硬化、激光合金化電子束外表淬火、電子束外表合金化離子注入合金化外表加工強(qiáng)化技術(shù)：火焰外表加熱淬火、高頻感應(yīng)加熱外表淬火噴丸外表強(qiáng)化、電火花外表強(qiáng)化電解淬外表加熱淬火常用的模具外表處理技術(shù)3表7-1模具外表強(qiáng)化處理技術(shù)的作用及應(yīng)用表面處理工藝作用應(yīng)用滲碳↑硬度（52~56HRC）、耐磨性、耐疲勞性擠壓模、穿孔工具等滲氮↑硬度、耐磨性、抗粘附性、紅硬性、耐疲勞性、抗蝕性（但周期長(zhǎng)，表面有白色脆化層）擠壓模、冷擠模等離子滲碳可消除表面白色脆化層，耐磨性、耐疲勞性和抗變形能力均優(yōu)于滲氮擠壓模、擠壓工具等碳氮共滲相比于滲碳和滲氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲勞性、紅硬性、熱強(qiáng)性，生產(chǎn)周期短成型模、冷擠模、熱擠模和模架等氮碳共滲↑硬度、耐磨性、抗粘附性、抗蝕性、耐熱疲勞性冷擠模、拉深模、擠壓模穿孔針滲硼具有極好的表面硬度、耐磨性、抗粘附性、抗氧化性、紅硬性、良好的抗蝕性擠壓模、拉深模碳氮硼三元共滲↑硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性擠壓模、沖頭針尖鹽浴覆層（TD處理）↑硬度、耐磨性、耐熱疲勞性、抗蝕性、抗粘附性、抗氧化性擠壓模滲鉻↑硬度、耐磨性、抗蝕性、抗粘附性、抗氧化性擠壓模、拉深模鍍硬鉻↓表面粗糙度，↑表面硬度、耐疲勞性、抗蝕性擠壓模、拉深模等鈷基合金堆焊↑硬度、紅硬性、耐磨性擠壓模沖頭、芯桿針尖電火花表面強(qiáng)化↑硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性冷、熱擠壓模等噴丸處理↑硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐疲勞性、抗蝕性熱擠壓模、沖頭針尖模具外表強(qiáng)化處理技術(shù)的作用及應(yīng)用4表7-2各種外表強(qiáng)化方法的比較模具外表強(qiáng)化處理技術(shù)的作用及應(yīng)用方法耐蝕耐磨裝飾抗氧化物理方法淬火（高頻、電解液、火焰）×○加工硬化（噴丸）×○化學(xué)方法滲碳、滲氮×○滲硼△○滲硫×△滲金屬×○涂覆法熱浸鍍○×△×噴鍍○×△×熔鹽浸鍍○○△○物理氣相沉積（PVD）○○○○物理氣相沉積（CVD）○○△○電鍍○△○×化學(xué)鍍○×○×陽(yáng)極氧化○×○×電化學(xué)處理○×○×注：○—有效；△—一定條件下有效；×—無(wú)效。5主要內(nèi)容§7.1模具外表化學(xué)熱處理技術(shù)§7.2模具外表的涂鍍技術(shù)§7.3模具外表氣相沉積技術(shù)§7.4模具外表高能束強(qiáng)化技術(shù)6化學(xué)熱處理的概念、目的化學(xué)熱處理：將模具零件置于具有一定活性的介質(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素的原子滲入其表層，以改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。化學(xué)熱處理的目的：改變模具零件表層的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，以提高其外表力學(xué)性能和物理化學(xué)性能，從而大幅度延長(zhǎng)模具的使用壽命?；瘜W(xué)熱處理后，模具零件尺寸根本上不增加〔熱處理變形除外〕。7滲劑分解，產(chǎn)生被滲元素的活性原子。例如：氣體滲碳CH4=2H2+[C]氣體滲氮2NH3=3H2＋2[N]滲劑的分解速度，取決于滲劑的性質(zhì)、數(shù)量、分解溫度、壓力以及有無(wú)催化劑等因素?；钚栽颖荒＞吡慵獗砦??；钚栽游盏膹?qiáng)弱，與活性物質(zhì)的分解速度、滲入元素的性質(zhì)及擴(kuò)散速度、模具零件的成分及外表狀態(tài)等因素有關(guān)。被吸附的活性原子從模具零件的外表向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層〔即滲層〕?；瘜W(xué)熱處理的根本過(guò)程8常用化學(xué)熱處理方法及作用表7-3常用化學(xué)熱處理方法及作用方法滲入元素作用滲碳C↑模具的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度滲氮N↑模具的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性碳氮（氮碳）共滲C、N↑模具的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度滲硫S減磨，↑模具的抗咬合性能硫氮共滲S、N減磨，↑模具的抗咬合性能、耐磨性、疲勞強(qiáng)度硫碳氮共滲S、C、N減磨，↑模具的抗咬合性能、耐磨性、疲勞強(qiáng)度滲鋁Al↑模具的抗氧化、抗含硫介質(zhì)腐蝕能力滲鉻Cr↑模具的抗氧化、抗腐蝕能力、耐磨性滲硼B(yǎng)↑模具的表面硬度、耐磨性、耐蝕性滲硅Si↑抗腐蝕能力滲鋅Zn↑抗大氣腐蝕能力97.1.1滲碳1、滲碳的工藝特點(diǎn)2、滲碳方法的分類(lèi)氣體滲碳〔主要用于承受大沖擊、高強(qiáng)度、硬度58~62HRC的小型模具〕固體滲碳液體滲碳真空滲碳可控氣氛滲碳等離子滲碳碳化物彌散析出滲碳〔TD法〕滲碳是將低碳鋼、低碳合金鋼模具零件置于增碳的活性介質(zhì)〔滲碳劑〕中加熱到900~950℃〔常用930℃〕，在高溫下通過(guò)反響分解出的活性碳原子滲入其外表的奧氏體中，并通過(guò)擴(kuò)散形成一定厚度的滲碳層，隨后淬火和低溫回火使模具零件的表層和心部具有不同的成分、組織和性能。107.1.1滲碳3、氣體滲碳特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，周期短，質(zhì)量容易控制，勞動(dòng)條件好。滲劑：氣體碳?xì)浠衔铩睠O、CH4等〕，或者有機(jī)液體〔煤油、丙酮、甲苯、甲醇等〕。分類(lèi)：滴注式氣體滲碳〔應(yīng)用最廣〕、吸熱式氣氛滲碳等。滲碳過(guò)程：排氣、強(qiáng)烈滲碳、擴(kuò)散、降溫。例：20Cr、20CrMnTi等鋼制模具零件的井式氣體滲碳工藝井式氣體滲碳工藝117.1.1滲碳4、滲碳后的熱處理提高零件外表的強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高零件心部的強(qiáng)度和韌性細(xì)化晶粒消除網(wǎng)狀碳化物和減少殘留奧氏體消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸模具零件滲碳后，表層高碳，心部低碳。為了獲得理想的性能，滲碳后需熱處理，即淬火+回火。滲碳后熱處理的目的：127.1.1滲碳4、滲碳后的熱處理淬水方法操作過(guò)程特點(diǎn)應(yīng)用直接淬火滲碳后預(yù)冷到760~850℃后直接淬火。優(yōu)點(diǎn)：減少加熱和冷卻次數(shù)，簡(jiǎn)化工藝，提高生產(chǎn)效率，可減少淬火變形及表面氧化脫碳傾向，且滲層中殘余奧氏體量也有所降低，表面硬度略有提高。缺點(diǎn)：滲碳溫度高，奧氏體晶粒粗大，淬火后殘余奧氏體較多，工件性能下降。適合本質(zhì)細(xì)晶粒鋼零件，或?qū)w組織性能要求不高的零件。一次淬火滲碳后先空冷或降至860~880℃再出爐空冷，然后再重新加熱淬火（心部強(qiáng)度要求較高時(shí)，在Ac3以上30~50℃加熱，心部獲得低碳馬氏體；表面硬度要求高時(shí)，略高于Ac1以上加熱，細(xì)化表層晶粒）。缺點(diǎn)：Ac3以上30~50℃加熱淬火，對(duì)于含碳量處于過(guò)共析的滲層，會(huì)造成共析碳化物熔入奧氏體，導(dǎo)致淬火后殘余奧氏體量增加，耐磨性下降。略高于Ac1以上加熱淬火，使心部出現(xiàn)較多的先共析鐵素體。適合固體滲碳后的碳鋼和低合金鋼，氣體、液體滲碳的粗晶粒鋼，以及某些滲碳后不宜直接淬火的工件及滲碳后需機(jī)加工的零件。兩次淬火滲碳后以某一適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻后，隨后兩次淬火。第一次淬火：880~900℃（碳鋼）或850~870℃（合金鋼）加熱，以細(xì)化心部組織，消除網(wǎng)狀碳化物。第二次淬火：770~830℃加熱，使表層得到細(xì)針狀馬氏體和呈小顆粒狀分布的Fe3CII，減少滲層中殘留奧氏體數(shù)量。優(yōu)點(diǎn)：能獲得較高的表面硬度和強(qiáng)韌性好的心部組織。缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，并使工件變形和氧化脫碳增加，熱處理過(guò)程較復(fù)雜。僅用于對(duì)表面耐磨性、疲勞強(qiáng)度和心部等韌性要求較高的重載荷模具零件。表7-4滲碳后的淬火工藝、特點(diǎn)及應(yīng)用137.1.2滲氮1、滲氮的工藝特點(diǎn)2、滲氮方法的分類(lèi)氣體滲氮〔常用〕固體滲氮液體滲氮離子滲氮〔常用〕真空滲氮電解催滲氮滲氮：將滲氮鋼制模具零件置于滲氮?jiǎng)┲校訜岬揭欢囟取惨话愕陀跐B氮鋼調(diào)質(zhì)處理的回火溫度，為500~570℃〕保溫一段時(shí)間，使氮原子滲入模具零件外表形成一定厚度的滲氮層，以↑模具零件的外表硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐蝕性。常用滲氮模具用鋼：38CrMoAl、Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5MoSiV等；滲氮前一般需調(diào)質(zhì)處理，以保證模具的整體性能。147.1.2滲氮3、氣體滲氮〔通常在井式爐內(nèi)進(jìn)行〕表7-5常用的3種氣體滲氮方法特點(diǎn)：生產(chǎn)周期長(zhǎng)，效率低，費(fèi)用高，對(duì)材料要求嚴(yán)格〔為了獲得好的滲氮效果，必須選擇含Al、Cr、Mo等元素的鋼，以便滲氮后形成AlN、CrN和Mo2N，↑耐磨性〕。滲劑：一般采用脫水氨氣。滲氮方法滲氮工藝特點(diǎn)一段滲氮法（又稱(chēng)等溫滲氮法）滲氮溫度、氨分解率保持不變。滲氮溫度：450~530℃。適合要求高硬度、低變形的淺層滲氮，滲層氮含量分布變化明顯。二段滲氮法第一階段：采用較低的滲氮溫度、較低的氨分解率，使工件表層先形成彌散度高的高硬度合金氮化物層。第二階段：提高滲氮溫度、氨分解率，使氮的擴(kuò)散速率加快，以縮短滲氮時(shí)間。處理的工件變形稍大，硬度梯度平緩，但滲氮速率較快，生產(chǎn)周期短。三段滲氮法在二段滲氮的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)低溫階段，可適當(dāng)提高氨分解率以減少模具表層的高氮脆性，或采取與第一階段相同的氨分解率以補(bǔ)充模具表面氮含量的消耗。為減少滲氮層的脆性，滲氮結(jié)束前2~3h需進(jìn)行退氮處理，即將氨分解率提高至90%以上。157.1.2滲氮3、氣體滲氮表7-6局部模具鋼的氣體滲氮工藝標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)滲氮方法滲氮工藝規(guī)范滲氮層深度/mm表面硬度階段滲氮溫度/℃時(shí)間/h氨分解率/%30CrMnSiAl一段滲氮495~50525~3020~300.2~0.3>58HRCCr12MoV二段滲氮III480530182514~2736~60≤0.2720~860HV40Cr一段滲氮4902415~350.2~0.3≥600HV二段滲氮III470~490490~5102015~2020~3050~600.3~0.5≥600HV三段滲氮IIIIII470~480510~520550~5601025215~2530~501000.20~0.28≥480HV4Cr5MoV1Si一段滲氮530~5501230~600.15~0.2760~800HV167.1.2滲氮4、離子滲氮〔又稱(chēng)輝光離子滲氮〕原理：在一定真空度下，利用零件〔陰極〕與陽(yáng)極間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行的。通入一定的直流電，氨氣被電離形成氮離子和氫離子和電子，這時(shí)零件外表形成一層輝光，具有高能量的氮離子以很大速度轟擊零件外表，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，使零件外表升高到450~600℃；同時(shí)，氮離子在陰極即零件上獲得電子后，復(fù)原成為氮原子而滲入零件外表，并向內(nèi)部擴(kuò)散而形成滲氮層。特點(diǎn)：滲氮速度快〔獲得同樣深度的滲層只需氣體滲氮時(shí)間的1/2~1/4〕，生產(chǎn)周期短；滲層質(zhì)量高，韌性最好；模具變形?。粚?duì)材料適用性強(qiáng)；本錢(qián)高。滲劑：一般采用脫水氨氣。應(yīng)用：廣泛用于熱鍛模、冷擠壓模、壓鑄模、冷沖模等的滲氮處理，模具使用壽命顯著提高。177.1.2滲氮4、離子滲氮〔又稱(chēng)輝光離子滲氮〕離子滲氮的主要工藝參數(shù)：真空度：一般1.33~13.3Pa電流密度：0.5~5mA/cm2輝光電壓：加熱階段550~750V，保溫階段550~650V滲氮溫度：一般450~600℃陰極〔工件〕與陽(yáng)極間的距離：一般30~70mm滲氮時(shí)間：根據(jù)模具材料、滲氮層厚度和硬度選擇187.1.3碳氮共滲和氮碳共滲1、碳氮共滲中溫氣體碳氮共滲所用鋼種：大多為低碳、中碳的碳鋼、合金鋼滲劑：煤油〔或甲苯、丙醇等〕+氨氣共滲溫度：820~860℃共滲的碳、氮量：主要取決于共滲溫度。共滲溫度越高，共滲層中碳含量越高、氮含量越低，反之，共滲層中碳含量越低。特點(diǎn)：同時(shí)向模具零件中滲入碳、氮原子，但以滲碳為主。碳氮共滲溫度：低溫500~600℃、中溫700~880℃高溫900~950℃碳氮共滲方法：氣體法〔生產(chǎn)中常用〕、液體法197.1.3碳氮共滲和氮碳共滲1、碳氮共滲氣體碳氮共滲的優(yōu)點(diǎn)：共滲層的力學(xué)性能綜合了滲碳層、滲氮層兩者的優(yōu)點(diǎn)。碳氮共滲使共滲層的奧氏體相變溫度降低。氮的滲入↑提高共滲層的奧氏體的穩(wěn)定性，↑滲層的淬透性，這樣共滲后除可以在冷卻速度較緩慢的介質(zhì)中淬火而減少變形外，還可用較碳素鋼代替低合金鋼制造某些模具。氣體碳氮共滲的速度大于單獨(dú)滲碳或滲氮的速度，縮短了生產(chǎn)周期。207.1.3碳氮共滲和氮碳共滲1、碳氮共滲表7-7切邊模的碳氮共滲處理及平均壽命模具工件零件材料熱處理工藝滲層深度/mm表面硬度平均壽命/件失效形式HRCHV9SiCr870℃淬火，280℃回火58~595000刃口磨損三次循環(huán)加熱淬火6010000刃口磨損Cr12MoV970℃淬火，240℃回火58~597500刃口磨損1050℃淬火，560℃滲氮3h，180℃回火3h0.10~0.12103716000刃口崩刃800℃碳氮共滲4h，淬火，180℃回火2~3h0.50~0.6094116500刃口磨損45820℃碳氮共滲4h，淬火，180℃回火2~3h0.65~0.7092716000刃口磨損少數(shù)崩刃850℃碳氮共滲4h，淬火，180℃回火2~3h0.95~1.088212000刃口崩塊580℃碳氮共滲2h，900℃滲硼4h，180℃回火2~3h0.09~0.114534400刃口塌陷217.1.3碳氮共滲和氮碳共滲2、氮碳共滲特點(diǎn)：同時(shí)向模具零件中滲入碳、氮原子，但以滲氮為主。氮碳共滲溫度：常用560~570℃氮碳共滲方法：氣體法〔生產(chǎn)中常用〕、液體法、固體法與氣體滲氮相比，氣體氮碳共滲的優(yōu)點(diǎn)滲入溫度低，時(shí)間短，工件變形小。不受鋼種限制，碳鋼、低碳合金鋼、工具鋼及不銹鋼等材料均可進(jìn)行低溫氣體氮碳共滲。能顯著↑工件的疲勞極限、耐磨性和耐蝕性。共滲層硬且具有一定的韌性，不易剝落。氣體氮碳共滲的應(yīng)用：廣泛用于壓鑄模、錘鍛模、熱擠壓模、沖壓模、塑料模等的外表強(qiáng)化處理，但因共滲層中化合物層較薄〔0.01~0.02mm〕、共滲層硬度梯度較陡，不適合在重載條件下使用。227.1.3碳氮共滲和氮碳共滲2、氮碳共滲模具名稱(chēng)模具材料原工藝及模具壽命氮碳共滲工藝及模具壽命復(fù)式落料模CrWMn淬火+回火噴入法甲酰胺氮碳共滲，壽命提高10倍靠模20Cr滲碳+淬火+回火噴入法甲酰胺氮碳共滲，壽命提高3倍流量計(jì)塑料模T10不熱處理尿素氣體氮碳共滲，變形小，耐磨性好M30螺栓冷鐓模Cr12MoV淬火+回火，0.2~0.3萬(wàn)件增加尿素氣體氮碳共滲，2萬(wàn)件以上活塞銷(xiāo)冷擠壓模W6Mo5Cr4V21190℃淬火+560℃回火，0.2萬(wàn)件增加甲酰胺氮碳共滲，2萬(wàn)件以上縫紉機(jī)梭架冷擠壓模65Nb淬火+回火，0.13~0.71萬(wàn)件增加甲酰胺氮碳共滲，2.5萬(wàn)件以上冷打花鍵滾軋模W18Cr4V淬火+回火，250m/只增加甲酰胺氮碳共滲，2000m/只氣門(mén)嘴銅熱擠壓模3Cr2W8淬火+回火，1萬(wàn)件增加尿素氣體氮碳共滲，2.0~2.6萬(wàn)件鋁合金壓鑄模3Cr2W8液體氮碳共滲，3萬(wàn)件尿素氣體氮碳共滲，5萬(wàn)件縫紉機(jī)曲柄熱鍛模3Cr2W8淬火+回火，0.5萬(wàn)件尿素氣體氮碳共滲，1萬(wàn)件六角呆扳手熱鍛模3Cr2W8淬火+回火，0.5萬(wàn)件尿素氣體氮碳共滲，1.5萬(wàn)件表7-8氮碳共滲應(yīng)用實(shí)例237.1.4滲硼特點(diǎn)：①滲硼層硬度高〔1300~2000HV〕和耐磨性好，熱穩(wěn)定性和耐蝕性也好，但脆性大，淬火時(shí)易產(chǎn)生裂紋；②幾乎所有的鋼鐵材料均可滲硼，硬質(zhì)合金、有色金屬也可滲硼?！獫B硼是提高模具壽命的主要外表強(qiáng)化技術(shù)之一。滲硼方法：粉末滲硼：800~950℃滲硼2~6h；設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，工件外表易清洗，應(yīng)用較廣。膏劑滲硼：是粉末滲硼的開(kāi)展，將滲硼劑粉末與黏結(jié)劑調(diào)制成膏劑涂覆在零件外表上，加熱保溫，保持了固體滲硼的優(yōu)點(diǎn)，又可減少滲硼劑的消耗量，且易于局部滲硼，特別適合于模具滲硼。鹽浴滲硼：950~1000℃滲硼≤6h；設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，但工件外表沾鹽后不易清洗，帶有小孔或不通孔的零件不宜鹽浴滲硼。電解鹽浴滲硼：常用于工模具和要求耐磨性、耐蝕性高的零件。氣體滲硼：工業(yè)生產(chǎn)中較少使用。247.1.4滲硼表7-9局部模具滲硼的強(qiáng)化效果模具名稱(chēng)材料淬火、回火態(tài)壽命滲硼態(tài)壽命冷沖裁模CrWMn0.5萬(wàn)件1萬(wàn)件熱擠壓模30Cr3W5V100h261h熱鍛模5CrNiMo0.5萬(wàn)件1萬(wàn)件熱鍛用沖頭55Ni2CrMnMo100h240h連桿熱成型模5CrMnMo2萬(wàn)件6萬(wàn)件冷鐓六方螺母凹模Cr12MoV0.5萬(wàn)件6萬(wàn)件冷軋頂頭凸模65Mn0.4萬(wàn)件2萬(wàn)件滲硼后的熱處理：往往進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以使模具零件基體獲得足夠的強(qiáng)韌性。淬火、加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻介質(zhì)選擇，根據(jù)零件材料和性能要求進(jìn)行決定。應(yīng)用：廣泛用于各種模具。257.1.5滲硫和碳硫共滲1、滲硫特點(diǎn)：減摩，耐磨性好，抗咬合性高，抗擦傷力強(qiáng)。滲硫方法：熔鹽滲硫〔生產(chǎn)中常用〕、氣體滲硫模具淬火后經(jīng)低溫鹽浴電解滲硫，仍能保持高硬度，且變形較小。2、碳硫共滲特點(diǎn)：可提高模具鋼外表的耐磨性。共滲工藝：共滲溫度：540~560℃滲劑：氨〔30~50vol%〕、硫化氫〔0.02vol%〕共滲時(shí)間：1~3h267.1.6滲金屬滲金屬：將鋼制模具零件加熱到適當(dāng)溫度，使金屬元素滲入鋼件表層的化學(xué)熱處理工藝。特點(diǎn)：該工藝適合于高碳鋼零件〔含C量>0.45%〕，滲入的金屬元素大多數(shù)為Cr、V、Ti、Nb、Ta等，這些元素與工件表層中的C反響形成合金碳化物滲層，如(Cr,Fe)7C3、VC、TiC、NbC、TaC等，使零件具有某些特殊的性能，以提高零件的使用壽命。模具零件外表滲金屬：常用滲鉻〔提高外表耐磨性、耐蝕性和抗氧化性〕、滲釩〔提高外表耐磨性和耐蝕性〕。滲金屬的方法：直接擴(kuò)散法〔與滲C、滲N等化學(xué)熱處理工藝一樣〕覆層擴(kuò)散法〔包括電鍍、噴鍍、熱浸鍍等〕277.1.6滲金屬TD法：是采用擴(kuò)散覆層處理〔ThermalDiffusionCoatingProcess〕原理，將模具零件置于以硼砂熔鹽為載體的特種介質(zhì)中，在一定溫度下特種熔鹽介質(zhì)中的浴滲金屬原子向零件外表擴(kuò)散，并與零件基體中的碳原子反響形成金屬碳化物滲層，以改善零件表層性能的工藝方法。TD法處理工藝：處理溫度800~1200℃，保溫時(shí)間1~10h，處理后零件需根據(jù)要求油淬或熔鹽中淬火。TD法的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，生產(chǎn)能力高，生產(chǎn)本錢(qián)低。不管模具形狀如何復(fù)雜，都能形成均勻的碳化物覆層。處理前、后零件的外表粗糙度大致相同。熔鹽的使用壽命長(zhǎng)。碳化物滲層磨損后可重新處理，不需去除殘留的碳化物，不影響與基體的結(jié)合力。母材鋼種較廣，且可通過(guò)淬火使基體強(qiáng)化。287.1.6滲金屬TD法的局限性：處理溫度高，滲層會(huì)引起零件尺寸脹大，對(duì)高精度模具應(yīng)采取措施，預(yù)防變形。處理前模具必須加工到要求的外表粗糙度，以保證處理后的外表質(zhì)量。當(dāng)載荷過(guò)大時(shí)，模具發(fā)生塑性變形，碳化物滲層中易萌生裂紋。薄刃模具的薄刃處供碳缺乏，難以形成厚的碳化物層。對(duì)鋼質(zhì)基體材料的含碳量應(yīng)合理選擇，在不影響鋼的韌性和其它性能的條件下，應(yīng)保證提供足夠的碳，以形成碳化物。模具在500℃以上氧化性氣氛中長(zhǎng)期使用，VC、NbC等碳化物滲層易氧化，影響模具的性能。29主要內(nèi)容§7.1模具外表化學(xué)熱處理技術(shù)§7.2模具外表的涂鍍技術(shù)§7.3模具外表氣相沉積技術(shù)§7.4模具外表高能束強(qiáng)化技術(shù)307.2.1電鍍電鍍的工作原理：在直流電作用下，電鍍液中的金屬離子復(fù)原沉積在模具零件〔陰極〕外表而形成具有一定性能的金屬鍍層。電鍍的根本工藝流程：磨光→拋光→脫脂→水洗→去銹→水洗→電鍍→酸洗→堿洗→清洗→出槽。影響電鍍層質(zhì)量的根本因素：電鍍工作原理示意圖溶液pH值：影響氫的放電電位、堿性?shī)A雜物的沉淀或水化物的組成以及添加劑吸附程度。太高或太低的pH值均不利于電鍍，必須實(shí)驗(yàn)測(cè)定。電流參數(shù)：電流密度太低時(shí)，鍍層晶粒粗大，而太高時(shí)，易形成結(jié)瘤和樹(shù)枝狀結(jié)晶，甚至燒焦。電流密度大小由電鍍液與組成、主鹽濃度等有關(guān)。添加劑：包括光亮劑、整平劑、潤(rùn)濕劑等，以改善電鍍液的性能，提高電鍍層的質(zhì)量，如細(xì)化晶粒、光亮鍍層、整平作用、潤(rùn)濕作用、提高鍍層硬度、降低鍍層應(yīng)力等。317.2.2電刷鍍電刷鍍的工作原理：與普通電鍍相同。直流電源的負(fù)極與可導(dǎo)電模具零件連接作為電刷鍍的陰極，正極與鍍筆中的不溶性陽(yáng)極連接。施鍍時(shí)，陽(yáng)極鍍筆前端的滌棉套接觸模具零件外表需鍍覆的部位并沿其作滑動(dòng)，鍍液不斷地添加至滌棉套與模具零件外表之間，鍍液中的金屬離子在電場(chǎng)作用下向模具零件外表遷移，在模具零件外表復(fù)原成為金屬原子，從而快速沉積金屬鍍層。電刷鍍工作原理示意圖鍍筆：由高純度細(xì)結(jié)構(gòu)的石墨電極及前端包裹的滌棉套組成。327.2.2電刷鍍電刷鍍的工藝特點(diǎn)：工藝靈活，操作方便，不受鍍件形狀、尺寸、材質(zhì)和位置的限制。對(duì)于復(fù)雜型面，但凡鍍筆能觸及的部位均可施鍍；對(duì)于對(duì)信拆卸、搬動(dòng)或難以入槽的大型零件，可在現(xiàn)場(chǎng)不解體施鍍；對(duì)于小孔、深孔、溝槽等局部外表以入劃痕、凹槽、磨損等局部外表缺陷處，也可施鍍。鍍層質(zhì)量高。因鍍筆在零件外表不斷移動(dòng)，沉積金屬的結(jié)晶過(guò)程中不斷受中斷放電和外力作用的干擾，可獲得晶粒超細(xì)并具有高密度位錯(cuò)的金屬鍍層，這類(lèi)鍍層的硬度、強(qiáng)度較好，且與零件基體的結(jié)合力強(qiáng)。外表光滑。沉積速度快，生產(chǎn)效率高。電刷鍍的陰、陽(yáng)極之間僅有滌棉套的阻隔，距離一般不大于5~10mm，金屬離子的遷移距離短，可采用高濃度鍍液、大電流密度施鍍，而不會(huì)產(chǎn)生金屬離子貧乏的現(xiàn)象。適應(yīng)范圍廣。一套電刷鍍?cè)O(shè)備可采用多種鍍液，刷鍍各種單金屬鍍層和復(fù)合鍍層，以滿足各種不同的需要。337.2.2電刷鍍電刷鍍?cè)谀＞呱系膽?yīng)用模具外表修復(fù)模具外表強(qiáng)化例：采用灰鑄鐵制作的塑料盆注射模，型腔外表硬度低，磨損嚴(yán)重。采用電刷鍍先鍍堿銅過(guò)渡層，再鍍鎳鈷合金工作表層，型腔外表硬度從23HRC提高至40HRC左右，外表粗糙度從Ra6.3um降至Ra0.8um，模具的耐磨性↑2倍，且制品易脫模。模具外表改性例：先采用電刷鍍?cè)跓徨懩Ｐ颓煌獗礤僀o，再滲硼，可顯著↑模具的冷熱疲勞抗力。347.2.3化學(xué)鍍化學(xué)鍍的工作原理：將模具零件置于鍍液中，利用適宜的復(fù)原劑使鍍液中的金屬離子在經(jīng)催化的外表上復(fù)原沉積鍍層的方法?；瘜W(xué)鍍的特點(diǎn)：與電鍍相比，化學(xué)鍍均鍍能力強(qiáng)，仿形性好，鍍層致密，且設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。復(fù)雜模具采用化學(xué)鍍，還可防止熱處理引起的變形?？色@得單一金屬鍍層、合金鍍層、復(fù)合鍍層和非晶態(tài)鍍層。Ni-P化學(xué)鍍工作原理：以亞磷酸鹽為復(fù)原劑，將鎳鹽復(fù)原成鎳，同時(shí)使鍍層中含一定量的磷，沉積的鎳膜具有自催化性，可使反響繼續(xù)進(jìn)行。采用Ni-P化學(xué)鍍，不僅能↑模具外表的硬度和耐磨性，還能改善模具外表的自潤(rùn)滑性能，↑模具外表的抗擦傷能力和耐蝕性，適合于沖壓模、擠壓模、塑為成形模、橡膠成形模。357.2.4熱浸鍍〔熱鍍〕熱浸鍍的工作原理：將模具零件浸在熔融態(tài)金屬中，在其外表發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反響而形成一層金屬保護(hù)膜，從而↑模具耐熱性。熱浸鍍的基體材料和鍍層材料常用基體金屬材料：鋼、鑄鐵、銅，其中鋼最常用。鍍層金屬：熔點(diǎn)必須低于基體金屬，且通常低得多。常用鍍層金屬：低熔點(diǎn)的錫、鋅、鋁、鉛、鋁錫合金、鋁硅合金、鉛錫合金等，其中鋅應(yīng)用最多。按前處理不同，熱浸鍍分為：熔劑法〔主要用于鋼管、鋼絲、零件〕、保護(hù)氣體復(fù)原法〔常用于鋼板〕熱浸鍍工藝：外表處理、助鍍處理、熱浸鍍和鍍后處理。熔劑法的工藝流程：預(yù)鍍件堿洗→酸洗→水洗→稀鹽酸處理→水洗→溶劑處理→烘干→熱浸鍍→鍍后處理。其中，溶劑處理是該工藝的重要環(huán)節(jié)，是提高鍍層質(zhì)量、防止漏鍍的關(guān)鍵。36主要內(nèi)容§7.1模具外表化學(xué)熱處理技術(shù)§7.2模具外表的涂鍍技術(shù)§7.3模具外表氣相沉積技術(shù)§7.4模具外表高能束強(qiáng)化技術(shù)37氣相沉積：將含有形成沉積元素的氣相物質(zhì)輸送到模具零件外表上，在零件外表形成沉積層的工藝方法。通常沉積一層過(guò)渡族金屬元素〔Ti、V、Cr、W、Mo、Ta、Nb等〕與C、N、O和B等形成的化合物。按沉積原理氣相沉積分為：化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積。氣相沉積的概念表7-10沉積層的主要類(lèi)別與特性類(lèi)別種類(lèi)主要特征碳化物TiC、VC、W2C、MoC、Cr7C3、B4C、TaC、NbC、ZrC、HfC、SiC高硬度、耐磨；部分碳化物還耐蝕氮化物TiN、VN、BN、ZrN、HfN、Cr2N、CrN、NbN、MoN、(Ti,Al)NBN、TiN、VN等耐磨性好；TiN呈金黃色，裝蝕性好氧化物Al2O3、TiO2、ZrO2、ZnO、CuO、SiO2耐磨、特殊光學(xué)性能、裝飾性碳氮化合物Ti(C,N)、Zr(C,N)耐磨、裝飾硼化物TiB2、VB2、Cr2B、TaB、ZrB、HfB耐磨硅化物Si3N4、MoSi2、WSi2高溫抗氧化性、耐蝕性好金屬及非金屬元素Al、Cr、Ni、Mo、C（金剛石、類(lèi)金剛石）滿足特殊光學(xué)、電學(xué)性能或賦予高耐磨性38常用氣相沉積涂層的特點(diǎn)氣相沉積的概念涂層具有很高的硬度〔TiC：3200~4100HV；TiN：2450HV〕、低的摩擦系數(shù)和自潤(rùn)滑性能，故抗磨損性能良好。涂層具有很高的熔點(diǎn)〔TiC：3160℃；TiN：2950℃〕，化學(xué)穩(wěn)定性好，基體金屬中涂層中的溶解度小，摩擦系數(shù)低，具有很好的抗粘著磨損能力，發(fā)生冷焊和咬合的傾向也很小，且TiN比TiC更好。涂層具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，TiC涂層在硫酸、鹽酸、氯化鈉水溶液中的耐蝕性良好，且TiN的耐蝕能力一般比TiC更好。涂層在高溫下也具有良好的抗氧化化〔TiC：可達(dá)400℃；TiN：可達(dá)500℃〕。391、化學(xué)氣相沉積〔ChemicalVapourDeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)CVD〕的原理7.3.1化學(xué)氣相沉積CVD裝置示意圖將含有形成涂層材料元素的反響介質(zhì)置于較低溫度下，然后送入高溫的反響室與零件外表接觸產(chǎn)生高溫化學(xué)反響，析出的合金、金屬及其化合物沉積于零件外表而形成涂層。407.3.1化學(xué)氣相沉積采用CVD制備TiC涂層的示意圖2、CVD的過(guò)程反響氣體向工件外表擴(kuò)散并被吸附。吸附于工件外表的各種物質(zhì)發(fā)生外表化學(xué)反響。生成物質(zhì)點(diǎn)聚集形成晶核并長(zhǎng)大。外表化學(xué)反響中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物脫離工件外表返回氣相。沉積層與基體的界面發(fā)生元素互擴(kuò)散，形成鍍層。417.3.1化學(xué)氣相沉積常壓化學(xué)氣相沉積低壓化學(xué)氣相沉積〔LPCVD〕：壓力一般在1×104~4×104Pa之間。低壓下分子平均自由程增加，加快氣態(tài)分子的輸運(yùn)過(guò)程，反響物質(zhì)在工件外表的擴(kuò)散系數(shù)增大，使涂層均勻性得到改善。熱化學(xué)氣相沉積〔TCVD〕：利用高溫激活化學(xué)反響進(jìn)行氣相沉積，常用于半導(dǎo)體和其它材料。廣泛用于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、氫化物化學(xué)氣體沉積等。等離子體輔助化學(xué)氣相沉積〔PECVD〕：除借助熱能外，還借助外部電場(chǎng)的作用引起放電，使原料氣體呈等離子體狀態(tài)，變?yōu)榛瘜W(xué)上非常活潑的激發(fā)分子、原子、離子和原子團(tuán)等，促進(jìn)反響的進(jìn)行。激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積〔LCVD〕：激光應(yīng)用于常規(guī)CVD的一種新技術(shù)，通過(guò)激光束照射封閉室內(nèi)的反響氣體，誘發(fā)化學(xué)反響，使生成物沉積在氣室內(nèi)的基板上的，并使工作溫度顯著降低超聲波化學(xué)氣相沉積〔UWCVD〕……3、CVD的種類(lèi)42優(yōu)點(diǎn)：沉積的涂層質(zhì)量高，致密，可控性好。缺點(diǎn)：處理溫度高，零件易產(chǎn)生變形，基體組織發(fā)生變化導(dǎo)致力學(xué)性能降低，需在CVD后進(jìn)行熱處理，增大了本錢(qián)，因此在應(yīng)用上受到了一定限制。7.3.1化學(xué)氣相沉積4、CVD的特點(diǎn)437.3.1化學(xué)氣相沉積5、CVD技術(shù)在工模具上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)條件根據(jù)服役條件，選擇具有相應(yīng)物理、化學(xué)性能的涂層材料。選擇基體材料。首先要求滿足服役條件以及涂層與基體間的匹配性能超群，如兩者的熱膨脹系數(shù)、界面能、化學(xué)性質(zhì)、冶金特性以及兩者間是否形成脆性或軟的過(guò)渡層等。對(duì)于TCVD，因處理溫度高，必須選擇耐熱性和組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基體材料，一般選擇硬質(zhì)合金、高速鋼、基體鋼、高碳高鉻工具鋼、氣淬鋼、熱作模具鋼等作為基體材料。確定適宜的涂層厚度。太薄的涂層，無(wú)法獲得最正確的性能及壽命；太厚的涂層將呈脆性以及涂層與基體間結(jié)合力變差。高溫CVD涂層厚度：TiC，2~8um；TiN，5~14um；Ti(C,N)復(fù)合涂層3~15um。選擇良好的設(shè)備和合理的CVD工藝〔包括沉積溫度、氣體流量等〕447.3.1化學(xué)氣相沉積5、CVD技術(shù)在工模具上的應(yīng)用(2)應(yīng)用實(shí)例在Cr12MoV、9SiCr鋼模具沉積TiN涂層的優(yōu)點(diǎn)TiN的硬度高>1500HVTiN與鋼的摩擦系數(shù)為0.14，只是鋼與鋼間的1/5TiN具有很高的抗粘接性能TiN熔點(diǎn)高達(dá)2950℃，抗氧化性好TiN涂層耐蝕性好，且與模具基體間的結(jié)合力強(qiáng)效果：沉積>3um厚的TiN涂層，模具壽命提高1~20倍。451、物理氣相沉積〔PhysicalVapourDeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)PVD〕的原理和特點(diǎn)7.3.2物理氣相沉積原理：采用各種物理方法產(chǎn)生的原子或分子沉積在模具零件外表上形成外加涂層。優(yōu)點(diǎn)：沉積速度較快，且沉積溫度一般<600℃，無(wú)需后續(xù)熱處理，應(yīng)用更廣。缺點(diǎn)：PVD涂層的均勻性稍差，與基體的結(jié)合力較小，且設(shè)備造價(jià)高，操作、維護(hù)的技術(shù)要求也高。467.3.2物理氣相沉積真空蒸鍍：在高真空〔1.33×10-3~1.33×10-4Pa〕中，采用電子束、電阻絲等熱源加熱源物質(zhì)〔金屬、合金或化合物〕使之蒸發(fā)，然后的原子或分子在工件外表上凝聚而形成涂層。該方法在模具外表強(qiáng)化應(yīng)用較少，多用于光學(xué)元件、電子元件等的外表鍍膜。陰極濺射：用荷能粒子轟擊靶材〔陰極〕，使靶材外表原子以一定能量逸出，然后沉積的模具零件外表上而形成涂層。代表性陰極濺射工藝：二極濺射、三極濺射、磁控濺射、對(duì)置濺射、離子束濺射、吸收濺射等，常用的是磁控濺射。磁控濺射效率高，模具零件溫度低，適應(yīng)性廣，可沉積純金屬、合金和化合物。離子鍍：先借助惰性氣體的輝光放電使金屬或合金蒸氣離子化，然后離子經(jīng)電場(chǎng)加速沉積在帶負(fù)電荷的模具零件外表上而形成涂層。這可顯著↑涂層與基體的結(jié)合力。2、PVD的種類(lèi)477.3.2物理氣相沉積3、三種PVD法與CVD法的特性比較表7-11三種PVD方法與CVD法的特性比較PVD法CVD法真空蒸鍍陰極濺射離子鍍鍍金屬可以可以可以可以鍍合金可以，但工藝復(fù)雜可以可以，但工藝復(fù)雜可以鍍高熔點(diǎn)化合物可以，但工藝復(fù)雜可以可以，但工藝復(fù)雜可以沉積粒子的能量/eV0.1~11~1030~1000-沉積速度/um·min-10.1~750.01~20.1~50較快沉積膜的密度較低高高高孔隙度中小小極小基體與鍍層的連接無(wú)合金相無(wú)合金相有合金相有合金相結(jié)合力差好最好最好均鍍能力不好好好好鍍覆機(jī)理真空蒸發(fā)輝光放電，濺射輝光放電氣相化學(xué)反應(yīng)48主要內(nèi)容§7.1模具外表化學(xué)熱處理技術(shù)§7.2模具外表的涂鍍技術(shù)§7.3模具外表氣相沉積技術(shù)§7.4模具外表高能束強(qiáng)化技術(shù)49熱源：激光、電子束、離子束〔能量密度≥103W/cm2〕。目的：改變模具零件表層的顯微結(jié)構(gòu)甚至成分，從而改善零件外表的物理、化學(xué)性能。共同特點(diǎn)：加熱速度快，加熱面積可根據(jù)需要選擇，工件變形小，不需冷卻介質(zhì)，可控性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理。高能束外表強(qiáng)化技術(shù)50第一類(lèi)：激光外表熱處理技術(shù)7.4.1激光外表強(qiáng)化技術(shù)激光外表合金化：利用激光束使合金元素與基體外表金屬混合熔化，在很短時(shí)間內(nèi)形成與基體材料不同的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的高性能外表合金層。激光熔覆：利用激光束在零件外表熔覆一層硬度高、耐磨、耐蝕和抗疲勞性能好的材料，以↑零件的外表性能。第二類(lèi)：激光外表改性激光淬火：利用高能量激光束照射零件外表，使零件外表加熱至相變點(diǎn)以上，激光停止照射后，快速自冷淬火而硬化，具有極高的硬度。適應(yīng)于灰鑄鐵、球墨鑄鐵、碳鋼、合金鋼、馬氏體不銹鋼等。激光非晶化處理：利用激光束使零件外表熔化，然后快冷形成1~10um厚的非晶化組織，其強(qiáng)韌性高，耐磨性好。激光沖擊硬化：利用高強(qiáng)度脈沖激光束照射零件外表，使外表薄層迅速汽化，在外表原子逸出期間，發(fā)生動(dòng)量脈沖，產(chǎn)生強(qiáng)的機(jī)械沖擊波和應(yīng)力波，使材料外表硬化?？娠@著↑材料的強(qiáng)度和硬度，并有效↑抗疲勞性能。517.4.1激光外表強(qiáng)化技術(shù)表7-1245鋼和