第十章 模具表面强化技术 目的：通过对模具表面进行处理，改变表层化学成分和组织，以提高模具表面的耐磨性、抗粘附性、疲劳抗力和耐蚀性等。 第十章 模具表面强化技术 目的：通过对模具表面进行处理，改变表层化学成分和组织，以提高模具表面的耐磨性、抗粘附性、疲劳抗力和耐蚀性等。 常用的是化学热处理和表面覆层技术。

模具表面处理技术 表1 模具表面处理技术的作用及应用 处理工艺 作用 应用 渗碳 提高硬度(52～56HRC)、耐磨性、耐疲劳性 表1 模具表面处理技术的作用及应用 处理工艺 作用 应用 渗碳 提高硬度(52～56HRC)、耐磨性、耐疲劳性 挤压模、穿孔工具等 渗氮 提高硬度、耐磨性、抗粘附性、热硬性、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 可消除表面白色的脆化层，耐磨性、耐疲劳性和变形均优于氮化 挤压模、挤压工具等 碳氮共渗 相比渗碳和渗氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲劳性、热硬性、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 提高硬度、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、热硬性、良好的抗蚀性 挤压模、拉深模 碳氮硼三元共渗 提高硬度、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) 提高硬度、耐磨性、耐热疲劳性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性 挤压模 渗铬 提高硬度、耐磨性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性 镀硬铬 降低表面粗糙度，提高表面硬度、耐疲劳性、抗蚀性 挤压模、拉深模等 钴基合金堆焊 提高硬度、耐磨性、热硬性 挤压模冲头、芯杆针尖 电火花表面强化 冷、热挤压模等 喷丸处理 热挤压模、冲头针尖 Page 2

表面化学热处理技术 一、渗碳 (一)气体渗碳 气体渗碳是将工件置于密闭的渗碳炉中加热到900～950℃(常用930℃)，通入渗碳气体(如煤气、石油液化气和丙烷等)或易分解的有机液体(如煤油、甲苯和甲醇等)，在高温下通过反应分解出活性碳原子，活性碳原子渗入工件表面的高温奥氏体中，并通过扩散形成一定厚度的渗碳层。 Page 3

一、渗碳 (二)固体渗碳 滴注式气体渗碳炉工作示意 固体渗碳装箱示意 Page 4

二、渗氮(氮化) 渗氮也称为氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的表面化学热处理工艺。 Page 5

表面化学热处理技术 二、渗氮(氮化) 气体渗氮 常用的渗氮方法 离子渗氮 真空渗氮 电解催渗渗氮 氮碳共渗 Page 6

表面化学热处理技术 二、渗氮(氮化) (一)气体渗氮 (1) 经过渗氮后钢表面形成一层极硬的合金氮化物，渗氮层的硬度一般可达到68～72HRC，不需要再经过淬火便具有很高的表面硬度和耐磨层，而且还可以保持到600～650℃而不明显下降。 (2) 渗氮后钢的疲劳极限可提高15%～35%。这是由于渗氮层的体积增大，使工件表面产生了残余压应力。 (3) 渗氮后的钢具有很高的抗腐蚀能力。 (4) 渗氮处理后，工件的变形很小，适合精密模具的表面强化。 Page 7

表面化学热处理技术 二、渗氮(氮化) (一)气体渗氮 表2 部分模具钢的气体渗氮工艺规范 牌号 处理 方法 渗氮工艺规范 渗氮层 深度/mm 表2 部分模具钢的气体渗氮工艺规范 牌号 处理 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/% 30CrMnSiA 一段 — 500±5 25～30 20～30 0.2～0.3 >58HRC Cr12MoV 二段 Ⅰ Ⅱ 480 530 18 25 14～27 36～60 ≤0.2 720～860HV 40Cr 490 24 15～35 ≥600HV 480±10 500±10 20 15～20 50～60 0.3～0.5 4Cr5MoV1Si 530～550 12 30～60 0.15～0.2 760～800HV Page 8

表面化学热处理技术 二、渗氮(氮化) (二)离子渗氮 离子渗氮有如下特点： (1) 渗氮速度快，生产周期短。 (2) 渗氮层质量高。 (3) 工件的变形小。 (4) 对材料的适应性强。 Page 9

表面化学热处理技术 二、渗氮(氮化) (二)离子渗氮 表3 部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果 模具名称 模具材料 离子渗氮工艺 使用效果 表3 部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果 模具名称 模具材料 离子渗氮工艺 使用效果 冲头 W18Cr4V 500～，6h 提高2～4倍 铝压铸模 3Cr2W8V 提高1～3倍 热锻模 5CrMnMo 480～，6h 提高3倍 冷挤压模 W6Mo5Cr4V2 500～，2h 提高1.5倍 压延模 Cr12MoV 提高5倍 Page 10

表面化学热处理技术 三、渗硫 渗硫方法可按介质的物理状态 熔盐渗硫 气体渗硫 Page 11

表面化学热处理技术 四、碳氮共渗与氮碳共渗 (一)碳氮共渗 固体碳氮共渗 液体碳氮共渗 根据使用介质物理状况不同 气体碳氮共渗 Page 12

表面化学热处理技术 四、碳氮共渗与氮碳共渗 (一)碳氮共渗 高温(900～950℃) 低温(500～600℃) 根据共渗温度的不同 中温(700～880℃) 低温(500～600℃) Page 13

(1) 共渗层的力学性能综合了渗碳和渗氮的优点。 (2) 碳氮共渗使共渗层的奥氏体相温度降低。 表面化学热处理技术 四、碳氮共渗与氮碳共渗 气体碳氮共渗的特点如下： (1) 共渗层的力学性能综合了渗碳和渗氮的优点。 (2) 碳氮共渗使共渗层的奥氏体相温度降低。 (3) 氮的渗入使共渗层的奥氏体的稳定性提高，渗层的淬火性提高，这样共渗后除可以用冷却速度较缓慢的介质进行淬火而减少变形外，还可以用较便宜的碳素钢代替低合金钢制造某些模具。 (4) 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。 Page 14

表面化学热处理技术 四、碳氮共渗与氮碳共渗 (二)氮碳共渗 气体氮碳共渗所用的温度常采用560～570℃，时间为2～3h。与气体渗氮相比，低温气体氮碳共渗的特点有： (1) 渗入温度低，时间短，工件变形小。 (2) 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。 (3) 能显著提高工件的疲劳极限、耐磨性和耐蚀性。 (4) 共渗层硬而具有一定的韧性，不易剥落。 Page 15

表面化学热处理技术 五、渗硼 渗硼的特点如下： (3) 热硬性高。 (1) 渗硼层的硬度很高。 (2) 耐蚀性高。 (4) 耐热性高。 Page 16

表面化学热处理技术 五、渗硼 渗硼的特点如下： 渗硼的方法 液体渗硼 气体渗硼 固体渗硼 Page 17

表面化学热处理技术 五、渗硼 表4 部分模具渗硼的强化效果 模具名称 钢号 淬火、回火态寿命 渗硼态寿命 冷冲裁模 CrWMn 0.5万件 表4 部分模具渗硼的强化效果 模具名称 钢号 淬火、回火态寿命 渗硼态寿命 冷冲裁模 CrWMn 0.5万件 1万件 热挤压模 30Cr3W5V 100h 261h 热锻模 5CrNiMo 热锻用冲头 55 Ni2CrMnMo 240h 连杆热成型模 5CrMnMo 2万件 6万件 冷镦六方螺母凹模 Cr12MoV 冷轧顶头凸模 65Mn 0.4万件 Page 18

表面化学热处理技术 六、渗金属 渗铬 渗钒及TD法渗钒 渗铌 Page 19

涂 镀 技 术 一、电镀 图6-3 电镀装置示意图 Page 20

涂 镀 技 术 一、电镀 电镀基本工艺可以用流程表示为：磨光→抛光→脱脂→水洗→去锈→水洗→电镀→酸洗→碱洗→清洗→出槽。 Page 21

涂 镀 技 术 二、电刷镀 图6-4 电刷镀工作原理示意图 Page 22

(3) 可以进行槽镀困难或实现不了的局部电镀。 涂 镀 技 术 二、电刷镀 电刷镀具有以下特点： (1) 镀层质量高。 (2) 不受镀件、模具形状和大小的限制，设备简单，工艺灵活，操作方便，可在现场作业。 (3) 可以进行槽镀困难或实现不了的局部电镀。 (4) 沉积速度快，生产率高。 (5) 操作安全，对环境污染小。 Page 23

涂 镀 技 术 三、化学镀 化学镀是利用合适的还原剂，使溶液中的金属离子在经催化的表面上还原出金属镀层化学方法。 Page 24

涂 镀 技 术 四、热浸镀 热浸镀简称热镀，是将基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其金属表面发生一系列物理和化学反应，形成一层保护膜的方法。 Page 25

涂 镀 技 术 四、热浸镀 根据热浸镀前处理的方法不同 溶剂法 保护气法 Page 26

涂 镀 技 术 四、热浸镀 热浸镀工艺分镀前表面处理、助镀处理、热浸镀和镀后处理4个基本工艺阶段，主要工艺流程为：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。 Page 27

其他表面处理技术 一、热喷涂 热喷涂工艺过程 喷后处理 喷涂 喷涂前预处理 Page 28

其他表面处理技术 一、热喷涂 燃气法 根据所用热源的不同来分类 气体放电法 电热法 激光热源法 Page 29

其他表面处理技术 一、热喷涂 热喷涂技术具有如下特点： 方法多样。 工件不受限制。 可喷涂材料极为广泛。 涂层广泛。 Page 30

其他表面处理技术 一、热喷涂 热喷涂技术具有如下特点： 涂层厚度可以控制。 工艺简便且不受工件限制。 Page 31

其他表面处理技术 二、激光表面处理 激光表面处理的特点有： (1) 能量集中，可对工件表面实行选择性处理。 (2) 能量利用率高，加热极为迅速并靠自激冷冷却。 Page 32

其他表面处理技术 二、激光表面处理 激光表面处理的特点有： (3) 畸变极小，可大大减少后续加工工时。 (4) 利用高能束可以对材料的表面实现相变硬化、微晶化、冲击加热硬化、覆层镀层合金化等多种表面改性处理，可产生用其他表面加热处理淬火强化难以达到的表面成分、组织、性能的改变。 Page 33

其他表面处理技术 二、激光表面处理 图6-5 激光表面处理装置示意图 Page 34

其他表面处理技术 三、离子注入 图6-6 离子注入装置示意图 Page 35

其他表面处理技术 三、离子注入 离子注入技术与气相沉积、等离子喷涂、电子束和激光束热处理等表面处理工艺不同，其主要特点是： (1) 离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的2～3个数量级。原则上，元素周期表上的任何元素都可注入任何基体材料。 (2) 注入元素的种类、能量、剂量均可选择，用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法得不到的新合金。 Page 36

其他表面处理技术 三、离子注入 (3) 离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面，因此表面不存在粘附破裂或剥落的问题，与基体结合牢固。 (4) 离子注入控制电参量，故易于精确控制注入离子的密度分布，浓度分布可以通过改变注入能量加以控制。 Page 37

其他表面处理技术 三、离子注入 (5) 离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无形变，无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适于高精密部件的最后工序。 (6) 可有选择地改变基体材料的表面能量，并在表面内形成压应力。 Page 38

其他表面处理技术 四、气相沉积 按照过程的本质 化学气相沉积(CVD) 物理气相沉积(PVD) Page 39

其他表面处理技术 四、气相沉积 (1) 涂层具有很高的硬度(TiC为3 200～4 100HV，TiN为2 450HV)、低的摩擦系数和自润滑性能，所以抗磨损性能良好。 (2) 涂层具有很高的熔点(TiC为3160℃，TiN为2 950℃)，化学稳定性好，具有很好的抗粘着磨损能力，发生冷焊和咬合的倾向很小。 (3) 涂层具有较强的抗腐蚀能力。 (4) 涂层在高温下也具有良好的抗氧化能力。 Page 40

其他表面处理技术 四、气相沉积 (一)化学气相沉积 (1) 反应气体向工件表面扩散并被吸附。 (2) 吸附于工件表面的各种物质发生表面化学反应。 (3) 生成物质点聚集成晶核并增大。 Page 41

其他表面处理技术 四、气相沉积 (一)化学气相沉积 (4) 表面化学反应中产生的气体产物脱离工件表面返回气相。 (5) 沉积层与基体的界面发生元素的互扩散，形成镀层。 Page 42

其他表面处理技术 四、气相沉积 (二)物理气相沉积 物理气相沉积(简称PVD)是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发(或称溅射)，使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺。 Page 43

其他表面处理技术 四、气相沉积 (二)物理气相沉积 离子镀 真空溅射 真空蒸镀、 Page 44

其他表面处理技术 五、电子束表面处理 电子束表面处理技术一般除表面淬火外，还可以进行表面重熔、表面合金化和表面非晶化，提高钢和铸铁的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀性能。 Page 45

思考题 1．请解释下列技术术语：表面化学热处理、渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、电镀、电刷镀、热喷涂、气相沉积、激光表面处理、离子注入、电子束表面处理。 2．模具表面处理的目的是什么？模具表面处理常用的方法有哪些？ 3．碳氮共渗与渗碳相比有哪些特点？常用于什么场合？ 4．渗硼的方法有哪几种？渗硼常适用于哪些模具？使用效果如何？ 5．碳氮共渗与氮碳共渗有什么区别？各用于哪些场合？ Page 46

思考题 6．何谓渗金属？渗铬、渗钒性能上有什么特点？常用于哪些模具的表面处理？ 7．电刷镀有何特点？在工艺、性能、应用上与电镀有何区别？ 8．气相沉积有哪些方法？分别用于哪些模具的强化处理？ 9．什么是化学镀？它有何工艺特点？ 10．试比较激光表面处理、电子束表面处理、离子注入表面处理、气相沉积的工艺方法和性能特点？ Page 47