模具表面处理技术..

第七章模具表面处理技术第一节模具表面处理概述一、模具表面处理的意义模具在现代生产中是生产各种工业产品的重要工艺装备。随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航空航天的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。如何提高模具的质量、使用寿命和降低生产成本成为当前迫切需要解决的问题。模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。模具性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果，这也正是表面处理技术在模具生产中得到迅速发展的原因。模具通过不同的表面处理方法，可以只改变模具表层的化学成分、组织、性能，从而大幅度地改善和提高模具的表面性能。如硬度、耐磨性、摩擦性能、脱模性能、隔热性能、耐腐蚀和高温抗氧化性能、提高型腔表面抗擦伤能力、脱模能力、抗咬合性能等，数倍、甚至几十倍地提高模具使用寿命。这对于提高模具质量，大幅度降低生产成本，提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能都具有重大意义。模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。在模具上使用的表面技术方法多达几十种，主要可以归纳为化学表面处理法、物理表面处理法和表面覆层处理法。从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。虽然提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积技术。第二节模具表面的化学热处理技术化学热处理就是将钢件置于一定活性介质中保温，使一种或几种活性原子渗入工件表层，从而改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺方法。根据渗入的元素不同，化学热处理方法可以分为：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗钒等。化学热处理能有效提高模具表面的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性和抗氧化性能等。一、渗碳渗碳就是将钢件置于活性碳原子的介质中保温，使碳原子渗入工件表层的热处理工艺方法。第二节模具表面的化学热处理技术渗碳后在模具的表面形成一层1-2mm，含碳量为0.8%-1.05%渗碳层。再经过适当的淬火与回火处理，可提高模具表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，使模具心部仍保持良好的韧性和塑性。因此渗碳主要用于同时受严重磨损和较大冲击载荷的模具。由于渗碳温度较高，渗后还需热处理，模具变形较大，因此精度要求较高的模具不宜采用。模具的渗碳工艺有固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、离子渗碳等。第二节模具表面的化学热处理技术1、固体渗碳固体渗碳是将工件置于木碳和催渗剂组成的渗碳剂的密封箱中（一般采用黄泥或耐火粘土密封）保温，在渗碳温度加热保温使碳原子渗入工件表面。固体渗碳时，由于固体渗碳剂的导热系数很小，传热很慢，更由于渗碳箱尺寸往往又不相同，即使是尺寸相同，可是工件大小及装箱情况（渗碳剂的密实度，工件间的距离等）也不全相同，因而渗碳加热时间对渗层深度的影响往往不能完全确定。因此，在生产中常用试棒来检查其渗碳效果。第二节模具表面的化学热处理技术固体渗碳的优缺点固体渗碳可以在各种加热炉中进行，简单易行，但质量不易控制，渗碳速度慢，生产周期长，工人劳动条件差。第二节模具表面的化学热处理技术2、气体渗碳气体渗碳是工件在气体介质中进行碳原子渗入工件表面的热处理方法。渗碳气体以煤油、苯、丙酮或醋酸乙酯作为强渗剂，用甲醇、乙醇作为稀释剂。这些液体滴入炉内后在高温下汽化、分解产生成分稳定的渗碳气体。气体渗碳炉第二节模具表面的化学热处理技术气体渗碳的优点可以通过控制系统控制富化气送入量或渗剂的滴入量，以改变炉气的碳势，从而控制零件表面的含碳量，渗碳速度比固体渗碳快，质量好。气体渗碳适用于大批量生产，易于控制质量和自动化，劳动条件好。气体渗碳装炉示意图第二节模具表面的化学热处理技术3、液体渗碳把零件浸入含有活性碳原子的熔融盐浴中进行渗碳的方法。盐浴的主要成分有氰化钠、氯化钠、碳酸钠和氯化钡等。各种盐的成分可通过不同温度加以调节。一般薄层渗碳多采用低温（850～900℃）、低浓度氰化物盐浴（也称液体氰化或液体碳氮共渗）。深层渗碳多采用较高温度(900～950℃),氰化物含量为6～16％。另一种是无氰液体渗碳，主要盐浴成分是氯化钠、氯化钾和碳酸钠，加上经过加工制作的渗碳剂：碳粉、碳化硅和尿素。第二节模具表面的化学热处理技术4、离子渗碳采用甲烷或其它渗碳气体和氢气的混合气作为辉光放电的气体介质，在渗碳温度（例如930℃）下，利用辉光放电对工件表面进行离子渗碳。离子渗碳比气体渗碳方法快得多。离子渗碳后，应进行直接淬火，故在炉内应有直接冷却装置。第二节模具表面的化学热处理技术5、真空渗碳真空渗碳炉是将工件放置在真空炉内通过不断的向炉内充入渗碳气氛，使碳原子渗入工件表面。与气体渗碳相比真空渗碳温度高（约1100℃），渗碳速度快，质量好。第二节模具表面的化学热处理技术双室真空渗碳淬火炉双室真空渗碳淬火炉结构示意图第二节模具表面的化学热处理技术二、渗氮向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，通常也称为氮化。钢渗氮后可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，渗氮后的表面硬度可以高达HV950—1200(相当于HRC65～72)，而且到600℃仍可维持相当高的硬度。渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳强度．此外，由于渗氮温度较低(500一570℃之间)，故变形很小．渗氮也可以提高工件的抗腐蚀性能．但是渗氮工艺过程较长，渗层也较薄，不能承受太大的接触应力。目前主要应用于压铸模、挤压模、冷作模具等.第二节模具表面的化学热处理技术渗氮的缺点工艺复杂，成本高，氮化层薄。因而主要用于耐磨性及精度均要求很高的零件，或要求耐热、耐磨及耐蚀的零件。例如精密机床丝杠、镗床主轴、气轮机阀门和阀杆、精密传动齿轮和轴、发动机汽缸和排气阀以及热作模具等。第二节模具表面的化学热处理技术1、气体渗氮气体渗氮在密闭的渗氮罐内进行。工件放入用镍铬不锈、耐热钢等制成的渗氮罐内，用铬矿砂等进行密封。通入经过干燥箱、流量计的氨气，氨气在380℃以上会分解出活性氮原子渗入工件表面，废气通过排气管，泡泡瓶排出炉外。一般炉内要保持30—50mm油柱的压力。工件装入渗氮罐，密封并在加热炉内加热同时，立即向渗氮罐内通入氨气。冷却时应随炉冷却，至炉温降至200℃以下，停氨，出炉，开箱。气体渗氮的特点生产周期长、渗氮速度慢、效率低、费用高、对材料要求严。第二节模具表面的化学热处理技术2、离子氮化利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处理介质，使之实现在金属表面渗入欲渗元素的工艺称为辉光放电离子化学热处理，简称离子化学热处理。因为在主要工作空间内是等离子体，故又称等离子化学热处理。在离子轰击作用下，从阴极表面冲击出铁原子，与等离子区的氮离子及电子结合而成FeN．此FeN被工件表面吸附，在离子轰击作用下，逐渐分解为低价氮化物和氮原子，氮原子就向内部渗入及扩散。第二节模具表面的化学热处理技术离子渗氮炉离子渗氮炉结构示意图第二节模具表面的化学热处理技术离子渗氮的特点（1）速度快特别在渗氮时间较短时尤为突出。例如一般渗氮深度0.30—0.50mm，离子渗氮时间仅为普通气体渗氮的1/3---1/5。（2）离子渗氮层组织结构可控。（3）离子渗氮层的韧性好，因此，大大扩大了离子渗氮的应用范围．不仅普通气体渗氮所应用的钢种能进行离子渗氮，还可应用于氮碳共渗（软氮化）的工件。（4）节能。第二节模具表面的化学热处理技术渗氮层脆性的评定脆性等级分成四级，I级不脆，压痕完整无缺；Ⅱ级略脆，压痕边缘略有崩碎；Ⅲ级，脆，压痕边缘崩碎较大；Ⅵ级极脆，，压痕边严重脆。通常I、Ⅱ级为合格．检查时一般都用标准级别图对照定级。第二节模具表面的化学热处理技术应用（1）Cr12MoV钢制钢板弹簧孔冲孔凹模，经气体氮碳共渗和盐浴渗钒处理后，可使模具寿命提高3倍。（2）60Si2钢制冷墩螺钉冲头，采用预先渗氮、短时碳氮共渗、直接淬油、低温淬火及较高温度回火处理工艺，可改善心部韧性，提高冷墩冲头寿命2倍以上。第二节模具表面的化学热处理技术三、钢的碳氮共渗在钢的表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺称为碳氮共渗。目的对低碳结构钢、中碳结构钢以及不锈钢等，为了提高其表面硬度、耐磨性及疲劳强度，进行820—850℃碳氮共渗。中碳调质钢在570—600℃温度进行碳氮共渗，可提高其耐磨性及疲劳强度，而高速钢在550—560℃碳氮共渗的目的是进一步提高其表面硬度、耐磨性及热稳定性。第二节模具表面的化学热处理技术碳氮共渗的分类（1）碳氮共渗以渗碳为主，共渗温度820-870℃，渗剂为煤油、苯、甲苯、丙酮等，同时通入氨气，或使用尿素、甲酰胺等。材料一般为中、低碳钢及合金钢。（2）氮碳共渗以渗氮为主，共渗温度550-570℃，渗剂为尿素、甲酰胺、三乙醇胺等。材料不受限制。碳氮共渗已应用于压铸模、挤压模、塑料模等。第二节模具表面的化学热处理技术四、渗硼渗硼是将钢的表面渗入硼元素以获得铁的硼化物的热处理工艺方法。通过渗硼能显著提高钢件表面硬度(l400—2000HV)和耐磨性，以及具有良好的红硬性及耐蚀性。钢的表面渗入硼后，由于硼在α-Fe中的溶解度很小，因此会形成硼化物Fe2B(硬度为l400—1600HV)，或FeB(硬度为l800—2000HV)。Fe2B脆性较小，一般呈梳齿状楔入基体；FeB脆性较大，易剥落。第二节模具表面的化学热处理技术渗硼方法渗硼法有固体渗硼、液体渗硼及气体渗硼。但由于气体渗硼采用乙硼烷或三氯化硼气体，前者不稳定易爆炸，后者有毒，又容易分解，因此较少采用。现在生产上采用的是粉末渗硼和盐浴渗硼。1、固体渗硼法目前最常用的是用下列配方的粉末渗硼法：5％KBF4+5％B4C+90％SiC+Mn-Fe。把这些物质的粉末和匀装入耐热钢板焊成的箱内，工件以一定的间隔(20一30mm)埋入渗剂内，盖上箱盖，在900—1000℃的温度保温1—5小时后，出炉随箱冷却即可。第二节模具表面的化学热处理技术渗剂中各部分的作用B4C为硼的来源，KBF4是催渗剂，SiC是填充剂，Mn-Fe则起到使渗剂渗后松散而不结块的作用。一般渗硼后冷至室温开箱时，渗剂松散，工件表面无结垢等现象，无需特殊清理。由于固体渗硼法无需特殊设备，操作简单，工件表面清洁，已逐渐成为最有前途的渗硼方法。第二节模具表面的化学热处理技术2、盐浴渗硼常用盐浴成分有下列三种：(1)60％硼砂十40％碳化硼或硼铁；，(2)50—60％硼砂+40—50％S1C；(3)45％BaCI+45％NaCI+10％B4C或硼铁。盐浴渗硼同样具有设备简单，渗层结构易于控制等优点。但有盐浴流动性差，工件粘盐难以清理等缺点。一般盐浴渗硼温度采用950—1000℃，渗硼时间根据渗层深度要求而定，一般不超过6小时。因为时间过长，不仅渗层增深缓慢，而且使渗硼层脆性增加。第二节模具表面的化学热处理技术渗硼后的热处理对心部强度要求较高的零件，渗硼后还需进行热处理。由于FeB相、Fe2B相和基体的膨胀系数差别很大,加热淬火时，硼化物不发生相变，但基体发生相变。因此渗硼层容易出现裂纹和崩落。这就要求尽可能采用缓和的冷却方法，淬火后应及时进行回火。第二节模具表面的化学热处理技术五、渗金属渗金属方法和渗硼法相类似，根据所用渗剂聚集状态不同，可分固体法、液体法及气体法。1、固体法渗金属最常用的是粉末包装法，把工件、粉末状的渗剂、催渗剂和防烧结剂共同装箱、密封、加热扩散而得。这种方法的优点是操作简单，无需特殊设备，小批生产应用较多，如渗铬、渗钒等。缺点是产量低，劳动条件差，渗层有时不均匀，质量不易控制等。第二节模具表面的化学热处理技术如固体渗铬，渗剂为100～200目铬铁粉(含Cr65％)(40—60)％+NH4Cl(12—3)％，其余为Al2O3,渗铬过程当加热至1050℃的渗铬温度时，氯化铵分解形成HCl，HCl与铬铁粉作用形成CrCl2，在CrCl2迁移到工件表面时，分解出活性铬原子[Cr]渗入工件表面。与此同时，氯与氢结合成HCI，HCI