模具加工9热处理及表面强化技术

第9章模具的热处理及表面强化技术第9章模具的热处理及表面强化技术模具热处理及表面强化是模具制造中的关键工艺之一，直接关系到模具的制造精度、力学性能、使用寿命以及制造成本，是保证模具质量和使用寿命的重要环节。模具在实际生产使用中表明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起的失效居于首位。在模具设计制造过程中，若能正确选用钢材，选择合理的热处理及表面强化技术工艺，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。9.1模具的热处理9.1.l模具钢的热处理模具钢的热处理工艺是指模具钢在加热、冷却过程中，根据组织转变规律制定的具体热处理加热、保温和冷却的工艺参数。根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，热处理工艺可分为常规热处理、表面热处理（表面淬火和化学热处理等）等。热处理可分为预备热处理和最终热处理。模具钢的常规热处理主要包括退火、正火、淬火和回火。1．退火工艺退火一般是指将模具钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后使其缓冷至室温，获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。其组织为铁素体基体上分布着碳化物。退火目的：消除钢中的应力，降低模具材料的硬度，使材料成分均匀，改善组织，为后续工序(机加工、冷加工成形、最终热处理等)做准备。退火工艺根据加热温度不同可分为：1）完全退火2）不完全退火3）等温退火4)球化退火图9.1常用球化退火工艺图9.2正火工艺1-一次球化退火；2-等温球化退火；3-多次球化退火2．正火工艺正火工艺是将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或Accm(对于过共析钢)以上适当的温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，得到珠光体类型组织的热处理工艺。3．淬火与回火将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度进行冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火工艺的关键是要控制加热速度、淬火温度、保温时间以及冷却速度。回火是紧接淬火的一道热处理工艺，大多数淬火模具钢都要进行回火。目的是稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当匹配，以满足不同模具的性能要求。决定模具回火后的组织和性能最重要的因素是回火温度。回火可分为低温、中温和高温回火。4．真空热处理在热处理时，被处理模具零件表面发生氧化、脱碳和增碳等效应，都会给模具使用寿命带来严重的影响。为了防止氧化、脱碳和增碳。利用真空作为理想的加热介质，制成真空热处理炉。零件在真空炉中加热后，将中性气体通入炉内的冷却室，在炉内利用气体进行淬火的为气冷真空处理炉，利用油进行淬火的为油冷真空处理炉。模具钢经过真空热处理后具有良好的表面状态，其表面不氧化、不脱碳，淬火变形小。而与大气下的淬火工艺相比，真空淬火后，模具表面硬度比较均匀，而且还略高一点。（1）真空热处理的特点（2）真空热处理设备1）真空退火炉；2）真空淬火炉；3）真空回火炉（3）真空热处理工艺9.1.2常用冷作模具钢热处理1．冷作模具的工作条件和对模具材料的性能要求冷作加工是金属在室温下进行冲压、剪断或形变加工的制造工艺，如冷冲压、冷镦锻、冷挤压和冷轧加工等。由于各种冷作加工的工作条件不完全相同，因此对冷作模具材料的要求也不完全一致。2．碳素工具钢的热处理要求不太高的小型简单冷作模具可以采用碳素工具钢。应用较多的为T8A和Tl0A。Tl0A钢热处理后硬而耐磨，但淬火变形收缩明显；T8A钢韧性较好，但耐磨性稍差。除了碳元素以外，碳素工具钢不含有其他合金元素，因此其淬透性较差，常规淬火后硬化层仅有1.5~3mm。碳素工具钢淬火后得到马氏体组织，使模具具有高硬度和耐磨性。3．低合金模具钢的热处理冷作模具常用的低合金工具钢有：CrWMn、9Mn2V、9SiCr、GCrl5等。此类钢是在碳素工具钢的基础上，加入了适量的Cr、W、Mo、V、Mn等合金元素。合金元素总含量低于5%为低合金工具钢。合金元素的加入提高了钢的淬透性以及过冷奥氏体的稳定性。图9.3CrWMn钢球化退火工艺规范图9.49SiCr钢球化退火工艺规范4．高合金模具钢的热处理高合金模具钢有含高铬和中铬工具钢、高速钢、基体钢等。此类钢含有较多的合金元素，具有淬透性好、耐磨性高及淬火变形小等特点，广泛用作承受负荷大、生产批量大、耐磨性要求高及形状复杂的模具。（1）高碳高铬钢成分特点是高铬、高碳量，是冷作模具钢中应用范围最广、数量最大的。代表性钢有Crl2、Crl2MoV、Crl2WCrl2MolVl(D2)等。该类钢锻后通常采用球化退火处理，退火后硬度为207~255HB。(2)高速钢铜或铝零件冷挤压时，模具受力不太剧烈，一般可以采用Crl2型模具钢。但黑色金属冷挤压时，受力剧烈，工作条件十分恶劣，对模具提出了更高的要求，因此高速钢来制造模具。高速钢热处理后具有高的硬度和抗压强度、良好的耐磨性，能满足苛刻的冷挤压条件。常用的冷挤压高速钢有W6Mo5Cr4V2钢、Wl8Cr4V钢、6W6Mo5Cr4V钢。9.1.3热作模具钢热处理1．热作模具的工作条件和对模具材料的性能要求热作模具主要用于热压力加工（包括锤模锻、热挤压、热镦锻、精密锻造、高速锻造等)和压力铸造模具。热锻模，承受着较大的冲击载荷和工作压力，模具的型腔除产生剧烈的摩擦外，还经常被加热到较高的高温与毛坯接触。2．锤锻模具的热处理常用作锤锻模的钢种有5CrNiMo,5CrMnMo,5CrMnSiMoV等。5CrNiMo钢具有高的淬透性，良好的综合力学性能，主要用作形状复杂、冲击负荷大的较大型锻模。3．热挤压及压铸等模具的热处理热挤压及压铸等模具要求模具钢有较高的高温性能，如热强性、热疲劳、热熔损、回火抗力及热稳定性等。9.1.4塑料模具钢热处理塑料制品已在工业及日常生活中得到广泛应用。塑料模具已向精密化、大型化方向发展，对塑料模具钢的性能要求越来越高。一般要求塑料模具钢有良好的综合性能，对模具材料的强度和韧性要求不如冷作和热作模具高，但对材料的加工工艺性能要求高，如热处理工艺简便、变形小或者不变形、预硬状态的切削加工性能好、镜面抛光性能和图案蚀刻性能优良等。塑料模具钢所要求的基本性能：1)综合力学性能2)切削加工性能3)镜面加工性4)图案蚀刻性能5)耐蚀性能同时还应具有良好的预硬化性能、较高的冷压性能和补焊性能等。塑料模具钢根据化学成分和使用性能，可以分为：渗碳型、预硬化型、耐蚀型、时效硬化型和冷挤压成形型等。1．渗碳型塑料模具钢的热处理受冲击大的塑料模具零件，要求表面硬而心部韧，通常采用渗碳工艺、碳氮共渗工艺等来达到此目的。常用渗碳型橡塑模具钢有20、20Cr、l2CrNi2、l2CrNi3、l2Cr2Ni4、20Cr2Ni4钢等。2．预硬化型塑料模具钢的热处理预硬化型塑料模具钢是指将热加工的模块，预先调质处理到一定硬度(一般分为10HRC、20HRC、30HRC、40HRC四个等级)供货的钢材，待模具成形后，不需再进行最终热处理就可直接使用，从而避免由于热处理而引起的模具变形和开裂，这种钢称预硬化钢。预硬化钢最适宜制作形状复杂的大、中型精密塑料模具。常用的预硬型橡塑模具钢有3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMo(P4410)、8Cr2MnWMoVS、4Cr5MoSiVl、P20SRe、5NiSCa等。3．时效硬化型塑料模具钢的热处理对于复杂、精密、高寿命的塑料模具，模具材料在使用状态必须有高的综合力学性能，为此，必须采用最终热处理。但是，采用一般的最终热处理工艺，往往导致模具的热处理变形，模具的精度就很难达到要求。而时效硬化型橡塑模具钢在固溶处理后变软(一般为28~34HRC)，可进行切削加工，待冷加工成形后进行时效处理，可获得很高的综合力学性能。时效热处理变形很小，而且该类钢一般具有焊接性能好，可以进行渗氮等优点。适合于制造复杂、精密、高寿命的塑料模具。时效硬化型塑料模具钢有马氏体时效硬化钢和析出（沉淀）硬化钢两大类。4．耐腐蚀型塑料模具钢的热处理生产对金属有腐蚀作用的塑料制品时，工作零件采用耐蚀钢制造。常用钢种有Crl3型和9Crl8钢等可强化的马氏体型不锈钢。表9.1.4为常用耐腐蚀塑料模具钢的真空热处理工艺。9.2模具的表面化学热处理化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化性等性能。几乎所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。化学热处理就是利用化学反应和物理冶金相结合的方法改变金属材料表面的化学成分和组织结构，从而使材料表面获得某种性能的工艺过程。9.2.1渗碳渗碳是一种历史悠久、应用相当广泛的化学热处理方法。迄今为止，渗碳或碳氮共渗仍然属于应用广泛的表面强化方法，渗碳技术主要用于低碳钢制造模具零部件的表面强化。中高碳的低合金模具钢和高合金钢也可以进行渗碳或碳氮共渗。渗碳是为解决钢件表面要求高硬度、高耐磨性而心部又要求较高的韧性这一矛盾而发展起来的工艺方法。渗碳工艺按渗碳介质可以分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳。1．固体渗碳固体渗碳是在固体渗碳介质中进行的渗碳过程。渗碳剂由两部分组成：固体炭和催渗剂。固体炭可以是木炭也可以是焦炭，碱金属或碱金属的碳酸盐可用作催渗剂。1．固体渗碳固体渗碳是在固体渗碳介质中进行的渗碳过程。渗碳剂由两部分组成：固体炭和催渗剂。固体炭可以是木炭也可以是焦炭，碱金属或碱金属的碳酸盐可用作催渗剂。典型的固体渗碳工艺规范见图9.5。。a)一般渗碳工艺规范b)分级渗碳工艺规范图9.5典型的固体渗碳工艺规范1.固体渗碳固体渗碳是在固体渗碳介质中进行的渗碳过程。渗碳剂由两部分组成：固体炭和催渗剂。固体炭可以是木炭也可以是焦炭，碱金属或碱金属的碳酸盐可用作催渗剂。典型的固体渗碳工艺规范见图9.5。2.气体渗碳固体渗碳有很多优点，如可用各种形式的加热炉、不需要任何控制气氛、对小批量和大工件比较经济、不需要特殊缓冷设备等；但有很多不利之处，如工作环境条件差，在要求较浅的渗碳层时不易控制渗碳层深度、碳含量及碳浓度的梯度，需要直接淬火时操作比较困难等。常见的气体渗碳剂有两类：一类是碳氢化合物的有机液体，采用滴入法，将液体渗碳剂（如煤油、苯、甲苯、丙酮等）滴入高温的渗碳炉；另一类是气体，可直接通入渗碳炉中，有天然气、丙烷及吸热式可控气氛。气体渗碳的主要设备是渗碳炉。气体渗碳炉可以分为批装式和连续式两大类。批装式炉是把工件成批装入炉内，渗碳完毕后再成批出炉。连续式炉是把工件依次连续地从炉的一端送入炉中渗碳，而在渗碳完毕后从炉的另一端输出。气体渗碳工艺需要根据工件的钢种、形状、数量、渗碳层深度、渗碳层内碳的浓度及梯度等要求和现有设备条件来选择。图9.6所示为煤油-甲醇滴控气体渗碳工艺规程。图9.6煤油-甲醇滴控气体渗碳工艺规程9.2.2渗氮渗氮也称氮化，是在一定温度下(一般在Ac1以下)将活性氮原子渗入模具表面的化学热处理工艺。渗氮后模具的变形小，具有比渗碳更高的硬度，可以增加其耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗蚀性及抗高温软化性等。渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮。渗氮工艺有以下特点。1）氮化物层形成温度低，一般为480~580℃，由于扩散速度慢，所以工艺时间长；2）氮化处理温度低，变形很小3）渗氮工件不需再进行热处理，便具有较高表面硬度（≥850HV）。1．气体渗氮（1）气体渗氮工艺参数（2）典型渗氮工艺2．离子渗氮图3．碳氮共渗图9.745钢碳氮共渗工艺9.2.3渗硼渗硼是继渗碳、氮之后发展起来的一项重要、实用的化学热处理工艺技术，是提高钢件表面耐磨性的有效方法。工件置于能产生活性硼的介质中，经过加热、保温，使硼原子渗入工件表面形成硼化物层的过程称为渗硼。金属零件渗硼后，表面形成硼化物(FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2、VB2、CrB2)及碳化硼等硬度极高(1300~2000HV)的化合物，热稳定好。1．固体渗硼固体渗硼主要是用粉末或粒状介质进行渗硼的化学热处理工艺。2．液体渗硼液体渗硼包括电解渗硼和盐浴渗硼。电解渗硼是工件浸入到熔融状态的硼砂浴中，用石墨或不锈钢作阳极，以工件为阴级，以0.1~0.5A/