模具表面强化讲义技术(一)
第六章 模具表面强化技术
6.1表面热处理技术 表面热处理技术
6.1.1渗碳 渗碳 6.1.1.1渗碳的基本原理 渗碳的基本原理 为了增加钢件表层的含碳量和一定碳浓度梯度， 为了增加钢件表层的含碳量和一定碳浓度梯度，将钢件 在渗碳介质中加热并保温使碳原子深入表层的化学热处理工 艺称为渗碳。 艺称为渗碳。 渗碳是将钢件加热到奥氏体状态，进行渗碳及扩散， 渗碳是将钢件加热到奥氏体状态，进行渗碳及扩散，其 后经淬火+低温回火得到具有高硬度和高耐磨性的表面渗碳层 后经淬火 低温回火得到具有高硬度和高耐磨性的表面渗碳层 和高的强韧性的心部组织。 和高的强韧性的心部组织。 生产上所采用的渗碳温度一般在900～950℃间进行，渗 生产上所采用的渗碳温度一般在 ～ ℃间进行， 碳深度一般在0.5～ 范围内。 碳深度一般在 ～2.5mm范围内。 范围内 渗碳层中碳质量分数为0.85～1.10%时最好，渗碳层硬 时最好， 渗碳层中碳质量分数为 ～ 时最好 度不低于56HRC。 度不低于 。 渗碳剂有固体、液体和气体三种。 渗碳剂有固体、液体和气体三种。 近年来，新发展了真空渗碳、 近年来，新发展了真空渗碳、离子渗碳和碳氮共渗等工 可以达到常规渗碳难以达到的质量效果，而且周期短、 艺，可以达到常规渗碳难以达到的质量效果，而且周期短、 能耗低、无污染。 能耗低、无污染。 化学工业出版社
化学工业出版社
6.1表面热处理技术 表面热处理技术
6.1.5多元共渗 多元共渗 6.1.5.1碳氮共渗 碳氮共渗 6.Байду номын сангаас.5.2氮碳共渗 氮碳共渗 6.1.5.3硼砂盐浴铬钒共渗 硼砂盐浴铬钒共渗 6.1.5.4铬铝共渗 铬铝共渗
化学工业出版社
6.2涂镀技术 涂镀技术
6.2.1电镀 电镀 利用电解的方法从一定的电解质溶液中， 利用电解的方法从一定的电解质溶液中，在经过处理的 基体金属表面沉积各种所需性能或尺寸的连续、 基体金属表面沉积各种所需性能或尺寸的连续、均匀而附着 沉积的一种电化学过程的总称。 沉积的一种电化学过程的总称。 电镀可以镀各种金属镀层。 电镀可以镀各种金属镀层。 在进行电镀时，将被镀 在进行电镀时， 的工件与直流电源的负极相 要镀覆的金属（镀铬除外） 连，要镀覆的金属（镀铬除外） 与直流电源的正极相连， 与直流电源的正极相连，并放 在渡槽中。 在渡槽中。当电源与渡槽接通 时，在阴极上析出欲镀的金属 层。
表面强化技术 PPT
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表面强化技术的定义及分类 金属表面形变强化 表面淬火 热扩渗技术 等离子体扩渗技术 激光表面强化技术 电子束表面强化技术
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电镀和化学镀 气相沉积技术 热喷涂、堆焊和热喷焊 离子注入和电火花表面强化
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表2-1 喷丸对模具寿命的影响
模具名称 电动机定、转 子模 定子单模冲模 一字槽光冲模 活扳手热精压 模 模具材料 喷丸介质d/mm 铸钢丸0.5 玻璃丸0.25~0.35 玻璃丸0.25~0.35 铸钢丸0.5 玻璃丸0.25~0.35 一次刃磨使用寿命/万次 喷丸前 1.2~3.2 52 0.96~1.35 0.175 0.388 喷完后 11.49 70 2.0~2.3 0.263 0.517
1.2 表面强化技术定义
定义：采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料 的组织结构，性能不同的一种技术。 优点：延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料， 促进高新技术发展。
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1 表面强化技术的定义及分类
1.3 表面强化技术分类
金属表面形变强化 电子束表面强化技术
表面淬火
电镀和化学镀
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2 金属表面形变强化
2.2.2 喷丸材料
1 钢丝线切割丸 2
铸钢丸
铸钢丸
常用钢丝直径d=0.4~1.2mm，硬度为45~50 HRC 为最佳，组织最好好回火M或者B。
弹丸尺寸为0.2~1.5mm，退火处理，硬度为 30~57 HRC，易碎，耗量大，但价格便宜 一般来说，黑色金属制件可用铸铁丸、钢铸丸、 铸钢丸的品质与含碳量有关，一般含碳量在 钢丝线切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如 0.85%~1.2% ，锰含量在0.65%~1.2% 铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢则采用不锈 含质量分数为60%的SiO2，硬度46~50HRC， 钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 脆性大，适用于零件硬度低于弹丸的硬度的场 合。 弹丸硬度高，但脆性大，喷丸后可或得较高的 残余压应力。 包括SiO2颗粒和Al2O3颗粒。喷丸时用水混合 SiO2颗粒，利用压缩空气
09-第十章-模具表面强化技术
Cr12MoV
二段
Ⅰ Ⅱ
480 530
18 25
14～27 36～60
≤0.2
720～860HV
40Cr
一段
490
24
15～35
0.2～0.3
≥600HV
二段
Ⅰ Ⅱ
480±10 500±10
20 15～20
20～30 50～60
0.3～0.5
≥600HV
4Cr5MoV1Si
一段
—
530～550
12
30～60
0.15～0.2
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
热挤压模、冲头针尖
*
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。
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
模具材料及强化技术(讲)
三、表面工程技术在模具工业 中的地位
模具的失效往往开始于模具的 表面，模具表面性能的优劣直接影 响到模具的使用及寿命。 对模具表面和心部的性能要求不 同．很难通过更换材料或模具的整 体热处理来达到这样的性能要求。 采用不同的表面工程技术．可提高 模具的表面性能，使模具拥有强韧 的心部、耐磨耐蚀的表面，使模具 寿命提高几倍甚至几十倍。
《模具钢手册》
主编 陈再枝 蓝德年
《模具材料》
主编 高为国 机械工业出版社 2004
本书是由普通高等教育应用型本科材料成形与控制工程专业(模具 方向)规划教材编审委员会组织编写的系列教材之一。 全书共七章，包括；模具失效与使用寿命；模具材料概述‘冷作 模具材料及热处理；热作模具材料及热处理；塑料模具材料及热 处理i其他模具材料及热处理；模具表面处理技术。 全书力求理论联系实际，系统介绍各类模具的失效及使用寿命、 常用模具材料的专业知识和热处理工艺、模具的常用表面处理技 术等内容，突出国内外模具方面的新材料、新工艺、新技术。书 中内容丰富，实用性强，反映了近年来国内外在模具方面的研究 成果和主要发展方向。 本书可作为普通高等教育应用型本科材料成形与控制工程专业(模 具方向)的教材，也可供从事模具设计、制造、热处理等工作的有 关工程技术人员参考。
《模具的热处理及表面强化技术》
主编 刘昌祺等 机械工业出版社 1992
本书由九部分组成。 第一部分介绍模具材料的选择。 第二至第四部分以模具的淬火回火为中心，介绍了光 亮热处朋、惰性气体和真空热处理在模具中的应用。 第五至第九部分对模具的表面硬化技术作了较详细的 论述；：首先概括了表面硬化技术的种类，要点及其 在模具中的应用。 然后以实用数据为依据，介绍了对模具特别有效的表 面硬化技术，处理条件和各种硬化层的关系。
模具表面强化技术的介绍
模具表面强化技术的介绍一、扩散法金属碳化物覆层技术介绍1 、技术简介扩散法金属碳化物覆层技术是将工件置于特种介质中，经扩散作用于工件表面形成一层数微米至数十微米的金属碳化物层。
该碳化物层具有极高的硬度，HV 可达1600~3000 （由碳化物种类决定），此外，该碳化物履层与基体冶金结合，不影响工件表面光洁度，具有极高的耐磨、抗咬合（粘结）、耐蚀等性能，可大幅度提高工模具及机械零件的使用寿命。
2、与相关技术的比较通过在工件表面形成超硬化合物膜层的方法，是大幅度提高其耐磨、抗咬合（抗粘结）、耐蚀等性能，从而大幅度提高其使用寿命的有效而经济的方法。
目前，工件表面超硬化处理方法主要有物理气相沉积（PVD）,化学气相沉积（CVD）,物理化学气相沉积（PCVD）,扩散法金属碳化物履层技术，其中，PVD 法具有沉积温度低，工件变形小的优点，但由于膜层与基体的结合力较差，工艺绕镀性不好，往往难以发挥超硬化合物膜层的性能优势。
CVD 法具有膜基结合力好，工艺绕镀性好等突出优点，但对于大量的钢铁材料而言，其后续基体硬化处理比较麻烦，稍有不慎，膜层就易破坏。
因此其应用主要集中在硬质合金等材料上。
PCVD法沉积温度低，膜基结合力及工艺绕镀性均较PVD法有较大改进，但与扩散法相比，膜基结合力仍有较大差距，此外由于PCVD 法仍为等离子体成膜，虽然绕镀性较PVD 法有所改善，但无法消除。
由扩散法金属碳化物覆层技术形成的金属碳化物覆层，与基体形成冶金结合，具有PVD、PCVD无法比拟的膜基结合力，因此该技术真正能够发挥超硬膜层的性能优势，此外，该技术不存在绕镀性问题，后续基体硬化处理方便，并可多次重复处理，使该技术的适用性更为广泛。
3、技术优势扩散法金属碳化物覆层技术在日本、欧洲各国、澳大利亚、韩国等国应用广泛。
据调查，许多进口设备上的配套模具大量地使用了该技术，这些模具在进行国产化时，由于缺乏相应的成熟技术，往往使模具寿命低，有些甚至无法国产化。
模具表面强化处理技术
模具表面强化处理技术模具是作为制造业的重要工艺装备，它的使用性能，特别是使用寿命反映了一个国家的工业水平，并直接影响到产品的更新换代和在国际市场上的竞争能力。
因此，各国都非常重视模具工业的发展和模具寿命的提高工作。
目前，我国模具的寿命还不高，模具消耗量很大，因此，提高我国的模具寿命是一个十分迫切的任务。
模具热处理对使用寿命影响很大。
我们经常接触到的模具损坏多半是热处理不当而引起。
据统计，模具由于热处理不当，而造成模具失效的占总失效率的50%以上，所以国外模具的热处理，愈来愈多地使用真空炉、半真空炉和无氧化保护气氛炉。
模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理。
基体强韧化在于提高基体的强度和韧性，减少断裂和变形，故它的常规热处理必须严格按工艺进行。
表面强化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。
表面强化处理方法很多，主要有渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、氮碳共渗、渗金属等。
采用不同的表面强化处理工艺，可使模具使用寿命提高几倍甚至于几十倍，近几年又出现了一些新的表面强化工艺，本文着重四个方面介绍，供同行参考。
一、低温化学热处理1.离子渗氮为了提高模具的抗蚀性、耐磨性、抗热疲劳和防粘附性能，可采用离子渗氮。
离子渗氮的突出优点是显著地缩短了渗氮时间，可通过不同气体组份调节控制渗层组织，降低了渗氮层的表面脆性，变形小，渗层硬度分布曲线较平稳，不易产生剥落和热疲劳。
可渗的基体材料比气体渗氮广，无毒，不会爆炸，生产安全，但对形状复杂模具，难以获得均匀的加热和均匀的渗层，且渗层较浅，过渡层较陡，温度测定及温度均匀性仍有待于解决。
离子渗氮温度以450～520℃为宜，经处理6～9h后，渗氮层深约0.2～0.3mm。
温度过低，渗层太薄；温度过高，则表层易出现疏松层，降低抗粘模能力。
离子渗氮其渗层厚度以0.2～0.3mm为宜。
磨损后的离子渗氮模具，经修复和再次离子渗氮后，可重新投入使用，从而可大大地提高模具的总使用寿命。
模具表面强化技术第一章综述
热作模具
热作模具钢主要用于制造对高温状态下的工件进行压力加工 的模具。如：热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦锻模 具等。常用的热作模具钢有：中高含碳量的添加Cr、W、Mo、 V等合金元素的合金模具钢；对特殊要求的热作模具钢，有时 采用高合金奥氏体耐热模具钢制造。
塑料模具
由于塑料的品种很多，对塑料制品的要求差别也很大，对制造塑 料模具的材料也提出了各种不同的性 能要求。所以，不少工业发 达的国家已经形成了范围很广的塑料模具用钢系列。包括碳素结 构钢、渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料 模具钢、耐蚀塑料模具钢、易切塑料模具钢、整体淬硬型塑料模 具钢、马氏体时效钢以及镜面抛光用塑料模具钢等。
冷冲压模具
热锻模具 橡胶模具
冷作模具
冷作模具钢主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成型的模具。 如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模 具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具钢的范围很广，.从 各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉 末高合金模具钢。冷作模具钢具是真空脱气精炼钢，内质纯净，机 械加工性良好，切削明显提高，淬透性良好，空冷淬硬不易出现淬 裂，耐磨性极为优异，韧性良好，可用作不锈钢及高硬度材料的冲 裁模。
选材一般应遵循四个基本原则： 1、满足使用性能要求； 2、工艺性能良好； 3、材料来源方便； 4、经济性合理。
在大多数情况下，使用性能是选材的首要原则与依据，然后再综合考虑 工艺性能和经济性能，得出优化结果。
按使用性能选材的具体方法与步骤：
1）分析零件的工作条件，确定其使用性能。 零件的工作条件分析包括：①受力情况；②工作环境，如工作温度、
1.1.2 模具材料分类
模具材料的品种繁多、分类方法也不尽相同。由于模具钢是制造模具 的主要材料，所以我们可将材料分类如下：
模具材料及表面强化处理1
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任务一 概述
• 在4号墓出土的钢剑和钢戟，都经过淬火处理，呈现针状 马氏体显微组织。
• 塑料模具钢根据其性能和使用条件可分为: • (1)小尺寸模具用中碳调质钢。 • (2)大中型模具用预硬型中碳低合金模具钢。 • (3)为改进切削性能的含硫、铅预硬化易切削模具钢。 • (4)时效钢和马氏体时效钢用于制造复杂、精密、高镜面模具，模具
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任务一 概述
• 在固溶态加工，时效后使用，该钢具有高强度、高韧性、高硬度、热 处理变形小等特点。
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任务一 概述
• 速度，在很大程度上取决于模具的制造精度和质量、制造周期、生产 成本、使用寿命等因素。所以国外有人宣称“模具是工业发展的基 石”“模具是促进社会繁荣的动力”，这充分说明工业发达国家对模 具生产的重视，因此其模具工业发展迅速，并成为一种新兴的行业。 20世纪80年代以来，日本、美国、德国等工业发达国家，模具工业 的产值都超过了机床工业的产值。1976-1985年的10年内，日本机械 制造工业的产值增加2倍，而模具工业的产值增加3倍，到1991年， 其模具工业的产值达到18330亿口元。模具钢是模具工业最重要的技 术和物质基础，近年来，随着模具工业的迅速发展，模具钢发展也极 为迅速。世界各国都把模具钢产量统计到合金工具钢中，其产量约占 合金
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任务一 概述
• ASTM A681标准中的O1(9CrWMV)为代表;中合金冷作模具钢，以A2 ( Cr5MolV)钢为代表;高合金冷作模具钢，以D2(Cr12Mo1V)钢为代表。 除此之外，处于开发研制阶段的还包括如下几种新型冷作模具钢: