模具表面强化技术
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。
模具材料及强化技术-第7章 模具表面强化技术-2019
⑤ 可用于模具表面的纹饰，能↑其塑料制品的档次和附加值。
常用的模具表面强化处理技术
3
化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗 渗硼、渗金属（渗铬、渗钒、渗铌、渗铝）
涂镀：电镀、电刷镀、化学镀、热浸镀
气相沉积强化：化学气相沉积 物理气相沉积，如：真空蒸镀、阴极溅射、离子镀
常用渗氮模具钢：38CrMoAl、Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、 5CrNiMo、4Cr5MoSiV等；渗氮前一般需调质处理，以保证模 具的整体性能。
7.1.2 渗氮
19
2. 渗氮方法
① 气体渗氮（常用，通常在井式炉内进行）
特点：周期长，效率低，费用高，对材料要求严格（为了获得 好的渗氮效果，必须选择含Al、Cr、Mo等元素的钢，使渗氮 后形成氮化物AlN、CrN和Mo2N，↑耐磨性）。
12
2. 渗碳方法
① 气体渗碳（主要用于承受大冲击、高强度、硬度58~62HRC
的小型模具）
② 固体渗碳
③ 液体渗碳
④ 真空渗碳
⑤ 可控气氛渗碳
⑥ 等离子渗碳
⑦ 碳化物弥散析出渗碳（TD法）
7.1.1 渗碳
13
3. 气体渗碳
特点：操作简便，周期短，质量易于控制，劳动条件好。 渗剂：气体碳氢化合物（CO、CH4等），或者有机液体（煤油、
渗剂：一般采用脱水氨气。 渗氮方法：一段式（常温）渗氮、二段式渗氮、三段式渗氮。
② 固体渗氮
③ 液体渗氮 ④ 离子渗氮（常用） ⑤ 真空渗氮 ⑥ 电解催渗氮
7.1.2 渗氮
20
3. 气体渗氮 (1) 一段式（等温）渗氮
模具表面强化技术一
• 一、渗碳、渗氮、渗硫、渗硼
• 1.渗碳Biblioteka • （1）什么是渗碳？• 在渗碳介质中加热，使钢的表层渗入碳的热处 理过程称为渗碳。一般情况下，渗碳在AC3 以 上(850~950°C)进行。渗碳方法是最古老、应 用最广泛的一种化学热处理工艺方法。
• （2）渗碳的作用：
• 它提 高了模具表面层的碳浓度，使硬度、接触 疲劳强度、耐磨性较心部有较大的提高，而心 部仍 具有一定的强度和良好的韧性。
• 渗铌工艺可用于冲模、弯曲模、成形模、拔管模、热 锻模和粉末冶金成形模等模具，可以使模具的寿命提 高几倍至几十倍。
• 3．盐浴渗铬
• 渗铬具有优良的耐磨性、抗高温氧化和耐磨损 性能，适用于碳钢、合金钢和镍基或钴基合金 工件。
• 处理工序为把工件浸入盐浴中，取出直接淬火、 回火后，再清理表面。
• 中、高碳钢或合金钢渗铬后，表层硬度分别提 高到1300～1600HV或1700～1800HV，耐磨性、 尤其是抗磨粒磨损性能优良。
浴法、粉末法和气体法。其中以硼砂为基的盐浴渗钒、 渗铌和渗铬并形成碳化物的方法又称为反应浸镀法 (TD法)。
• TD法是在熔融的硼砂中加入欲渗的元素或其合金的 粉粒，然后将零件浸入其中，靠欲渗 元素原子向零
件表面扩散并与零件基体的碳原子形成金属的碳化物 覆层来改善零件表层性能 的工艺方 法。
• TD法具有以下优点:设备简单，工艺简便易行，无公 害;被覆层均匀、致密而平整，与 母材结合良好，不 易剥落;涂覆材料和基体材料广;价格低廉。
• 渗硼方法有固体渗硼、被体渗硼、气体渗硼等。 以固体法和液体浴法应用最多。
• 工件渗硼后一般应进行热处理(淬火和回火)。
• 渗硼适用于各种成分的钢，它在多种冷、热作 模具(如冷挤压模、拉丝模、冲裁模、冷 锻模、 热挤模、热锻模、压铸模等)上应用，效果非常 显著。
模具表面强化技术综述
1.2.2 工艺性能
4. 焊接修复性 在型腔加工中，有时难免要补焊。因此模具钢必须有很好地焊 接性能。 钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此 钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之、高碳钢 最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不太好，应采用一些高级的 焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。
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：
根据模具的工作条件不同，一般把模具钢分为三类: 1.冷作模具钢 2.热作模具钢 3.塑料模具钢
1.1.3 选择模具材料的一般原则
研究和制造有竞争性的优质产品，最重要的要求之一就是选择产品中 不同零件所用的各种材料和与之相宜的加工方法的最佳组合。由于所能采 用的材料和加工方法很多，因而材料的选用常常是一个复杂而困难的判断 、优化过程。毫无疑问，所选材料应满足产品（零件）使用的需要，经久 耐用，易于加工，经济效益高。
1.3.1 工艺分类
1.3 热处理
模具钢热处理一般包括3个部分：普通热处理、表面热处理、形变热处理。普
通热处理包括退火、正火、淬火、回火。退火和正火我们俗称为预先热处理，淬 火和回火我们称为最终热处理。 退火：将钢加热到一定温度保温一段时间，再缓慢冷却。 正火：将钢加热至Ar3或Accm以上30~50℃，在空气中冷却。 淬火：将钢加热至奥氏体化，再快速冷却（大于临界冷却速度）使其进行马 氏体转变。 回火：将钢加热到＜A1点的某一温度保温一段时间，再冷却。
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。
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。
模具材料及强化技术-第7章 模具表面强化技术-2019
③ 。应用：适合固体渗碳后的碳钢和低合金钢，气体、液体渗碳的粗 晶粒钢，及渗碳后不宜直接淬火的零件或需机加工的零件 。
丙酮、甲苯、甲醇等）。
分类：滴注式气体渗碳（应用最广）、吸热式气氛渗碳等。 渗碳过程：排气、强烈渗碳、扩散、降温。
例：20Cr、20CrMnTi等钢制 模具零件的井式气体渗 碳工艺
井式气体渗碳工艺
7.1.1 渗碳
14
4. 渗碳后的热处理
模具零件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为了获得理想的性能， 渗碳后需进行热处理，即：淬火+回火。
② 。特点：工艺简单，渗氮温度 较低、渗层浅、零件变形小 、表面硬度高，但渗氮速度 慢，渗氮周期长。
③ 应用：适合要求高硬度、低 变形的浅层渗氮，渗层氮含 量分布变化明显。
38CrMoAlA钢一段式渗氮工艺
7.1.2 渗氮
21
3. 气体渗氮 (2) 二段式渗氮
① 工艺特点：
第一阶段渗氮：除保温时间外，其它 工艺参数与等温渗氮相同，即渗氮温 度、氨分解率较低，使零件表层先形 成弥散度高的高硬度合金氮化物层。 38CrMoAlA钢二段式渗氮工艺 第二阶段渗氮：↑渗氮温度、氨分解率，加快氮原子的扩散，以↓ 渗氮周期。 退氮处理：渗氮结束前2h，↑渗氮温度和氨分解率进行退氮处理。 ② 特点：与等温渗氮相比，生产周期短，但零件变形略有增加，硬
第三阶段：低温渗氮，适当↑氨分解率，以↓模具表层的高氮脆
性，或采取与第一阶段相同的氨分解率，以补充因第二阶段氮原
子扩散快而使表面氮浓度过低，保证表面N含量以提高表面硬度
第十章-模具表面强化技术
*
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
(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。
>58HRC
Cr12MoV
760～800HV
*
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。
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
模具的热处理及表面强化技术
氏体组织。淬火加热温度主要根据钢的临界点来确定。表 9.1.1 为常用模具钢的相变点及
淬火加热温度。另外，淬火温度还应考虑模具的形状尺寸、原始组织等因素。
表 9.1.1 常用模具钢的相变点及淬火加热温度
牌号
Ac1 或 Ac3/℃ 淬火温度/℃
牌号
Ac1 或 Ac3/℃ 淬火温度/℃
45
780
820~850
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。 根据热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用，热处理又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。由于真空热处理技术具有防 止加热氧化、不脱碳、真空除气、变形小及硬度均匀等特点，近年来得到广泛的推广应用。
体的析出。钢的强度、硬度和韧性也比较高。正火工艺规范如图 9.1.2 所示。
3.淬火与回火
淬火和回火是模具钢或模具零件强化的主要手段。
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。回火是
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(如强度等)、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。当前模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术和模具的表面强化技术。
模具表面强化技术(二)
• TiN、TiC涂层具有以下特点: • 1)涂层具有很高的硬度低的摩擦系数和自润 滑 性能，所以抗磨粒磨损性能良好。 • 2）涂层具有很高的熔点、化学稳定性好，基 体金属在涂层中 的溶解度小，以及较低的摩擦 系数，因而具有很好的抗粘着磨损能力。使用 中发生冷焊和咬 合的倾向也很小。 • 3)涂层具有较强的抗蚀能力。 • 4)涂层在高温下也具有良好的抗大气氧化能力:
• 四、气相沉积技术 • 气相沉积是通过气相中发生的物理、化学过程， 改变表面成分，在工件表面形成功能性 (例如超 硬耐磨层或具有特殊的光学、电学性能)或装饰 性的化合物涂层的新技术。 • 按过程的主要属性可将气相沉积分为化学气相 沉积 (CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类。 • 气相沉积是模具 表面强化的新技术之一，己广 泛应用于各类模具的表面硬化处理，主要应用 的沉积层为TiC、 TiN、Ti (C， N) 。
• 三、化学镀 • 化学镀是将工件置于镀液中，镀液中的金属离子通 过获得由镀液中的化学反应而产生的 电子，在工件 表面上还原沉积而形成镀层。它从本质上说是一个 无外加电场的电化学过程。 • 化学镀可获得单一金属镀层、合金镀层、复合镀层 和非晶态镀层。 • 与电镀、刷镀相比，化 学镀的优点是:均镀能力和深 度能力好，具有良好的仿型性;沉积厚度可控，镀层 致密与基体结合良好;设备简单，操作方便。复杂形 状模具的化学镀，还可以避免常规热处理引起的变 形。
• 采用PVD技术可以在各种材料上沉积致密、光 滑、高精度的化合物(如TiC、 TiN)涂层，所以 十分适合模具的表面处理。目前，应用PVD法 沉积TiC、TiN等涂层已在模具生产中获得应用。 例如，Crl2MoV钢制油开关指形触头精冲模， 经PVD法沉积TiN后，表面硬度为2500～ 3000HV，摩擦系数减小，抗粘着和抗咬合性 改善。模具原使用1～3万次后即要刃磨，PVD 法处理后，使用10万次不需刃磨，尺寸无变化， 仍可使用。用于冲压和挤压粘性材料的冷作模 具，采用PVD法处理后，其使用寿命大为提高， 从发展趋势来看，PVD法将成为模具表面处理 的主要技术方法之一。
提高模具使用寿命的表面强化新技术
提高模具使用寿命的表面强化新技术
模具是工业生产的重要工具，但长期使用后，表面会出现磨损、
撞击、腐蚀等现象，影响模具使用寿命和性能。
为了提高模具的使用
寿命，越来越多的表面强化新技术被应用到模具材料的加工和涂层中。
其中，离子渗透技术是一种提高模具表面硬度和抗热性的有效方法。
该技术采用离子束束流轰击模具表面，在表面形成一层具有高硬度、不易磨损、抗腐蚀、抗烧结的新材料。
这种材料不仅可以延长模
具使用寿命，还可以有效提高模具的加工精度和生产效率。
除了离子渗透技术，还有其他表面强化新技术，如喷涂陶瓷涂料、高温氮化、电化学抛光、电弧喷涂等等。
这些技术适用于不同类型的
模具和加工环境，可以有效地提高模具的表面硬度和耐磨性，在生产
过程中起到重要作用。
总之，随着科技的不断发展和创新，表面强化新技术可以为模具
的使用寿命、加工精度和生产效率带来明显的改善。
未来，我们可以
期待更多更优秀的表面强化新技术的出现，为工业生产带来更多便利
和高效。
8.第八讲-模具表面激光强化处理
第八节模具表面激光强化处理激光表面强化处理工艺主要包括有表面淬火、熔凝、合金化、涂覆等技术。
在模具表面强化中，激光表面淬火应用最为普遍。
激光表面淬火其表面形成了一层硬度极高的特殊淬火组织。
其硬度高，耐磨性可提高，淬硬层深度可达0.1～3.5mm，大大延长了模具的使用寿命；适合于形状复杂、精加工后不易采用其他方法强化的模具处理。
而激光表面熔凝基本原理是利用激光束对模具表面进行熔融和激冷处理，从而使所获的组织非常细小，甚至可能获得非晶态组织，因而表面强化性能更高，对低碳钢、中碳钢、低合金工具钢等处理后，其表面性能几乎可与高强度模具钢相媲美，激光强化处理模具的使用寿命如表 1。
表 1 激光强化处理模具的使用寿命模具名称模具材料原处理工艺激光处理后寿命提高倍数山字型硅钢片铁芯冲模Cr12 淬火+ 低温回火33%B9 硅钢片铁芯冲模Cr12 淬火+ 低温回火60%裁纸刀T10 调质50 倍，达 300 万冲次铝饭盒盖拉伸模45 火焰淬火6～9 倍一、激光表面淬火强化的定义：当具有一定功率的激光束以一定的扫描速度照射到经过黑化处理的模具工作表面时，将使模具工作表面在很短时间内由于吸收激光的能量而急剧升温。
当激光束移开时，模具工作表面由基材自身传导而迅速冷却，从而形成具有一定性能的表面强化层，其硬度可比常规淬火提高15%～20%，此外还具有淬火组织细小、耐磨性高、节能效果显着以及可改善工作条件等优点。
二、激光表面淬火强化特点：1）激光淬火层硬度达HV800～1100，具有极好的耐磨性和抗拉伤能力，寿命较火焰淬火提高5～50倍。
2）激光淬火层硬度、层深均匀，与基体有很强的结合力。
3）通过选择激光波长调节激光功率等手段，能灵活地对复杂形状工件或工件局部部位实施非接触性急热、急冷，加热和冷却速度高：105～109℃/S。
该技术易控制处理范围，热影响区小，激光淬火处理后工件产生的残余应力及变形很小，无须作任何校正和加工处理。
模具表面强化处理技术
要采用二次淬火或一次正火加一次淬火，以保证模具零件心部和渗 层都达到高的性能要求。第1次淬火温度碳钢为880～900℃，合金钢 为850～870℃，目的是细化心部组织，并消除表面网状碳化物。第2 次淬火温度则根据高碳的表层来决定，一般选择在稍高于ACL的温度。 二次淬火，有可能出现较大的淬火缺陷，工艺较复杂，生产周期长， 故仅用于对表面层耐磨性、疲劳强度和心部韧性等要求较高的重载 荷零件。
中进行。氨气由液氨瓶经过流量计、干燥箱进入渗氮罐。渗氮罐要
求密封，渗氮罐内温度及气流应尽可能均匀。
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5.1模具表面化学热处理强化
用氨气分解率测定计测量废气中氮和氢的体积与废气总体积之
比，用以表示氨分解的程度。
3）渗氮工艺参数 渗氮温度一般在500～570℃，渗氮时间根据模具渗氮层深度的
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炭和碳酸钡的混合物。其中木炭起渗碳作用，碳酸钡起催渗作用。
5.1模具表面化学热处理强化
渗碳温度一般为900～950℃，在此高温下，木炭与空隙中的氧
气反应形成CO2，CO2与C反应形成不稳定的CO在工件表面分解得到活 性碳原子，即可渗入工件表面形成渗碳层。
2.气体渗碳
采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂。国内应用最广的气体
模具零件经渗碳后其表面硬度和耐磨性大大提高，同时由于心
部和表面的含碳量不同，硬化后的表面获得有利的残余压应力，从 而进一步提高渗碳工件的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。根据渗碳
介质的物理状态不同，可将渗碳方法分为固体渗碳、气体渗碳、真
空渗碳和离子渗碳等。
1.固体渗碳
是将工件置于填满木炭和碳酸钡的密封箱内进行，渗碳剂是木
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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
30CrMnSi A
一段
Cr12MoV 二段
阶段 — Ⅰ Ⅱ
渗氮工艺规范 渗氮温度/℃ 时间/h
500±5
25～30
480
18
530
25
氨分解率 /%
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。
表面化学热处理技术
五、渗硼
渗硼的特点如下：
(1) 渗硼层的硬 度很高。
(3) 热硬性高。
(2) 耐蚀性高。
(4) 耐热性高。
表面化学热处理技术
五、渗硼
渗硼的特点如下：
固体渗硼
液体渗硼
渗硼的方法
气体渗硼
五、渗硼
表面化学热处理技术
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
冷冲裁模
CrWMn
挤压模
提高硬度、耐磨性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性 挤压模、拉深模
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 电火花表面强化 喷丸处理
提高硬度、耐磨性、热硬性 提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性 提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性
挤压模冲头、芯杆针尖 冷、热挤压模等 热挤压模、冲头针尖
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
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。
表面化学热处理技术
二、渗氮(氮化)
气体渗氮
常
用
离子渗氮
的
渗
真空渗氮
氮
方
电解催渗渗氮
法
氮碳共渗
表面化学热处理技术
二、渗氮(氮化)
(一)气体渗氮
—
530～550
12
30～60
0.15～0.2
760～ 800HV
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。
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6h
提高2～4倍
铝压铸模
3Cr2W8V
500～，6h
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
500～，2h
提高5倍
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
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 渗碳 渗氮
离子渗碳
碳氮共渗
氮碳共渗
渗硼 碳氮硼三元共渗 盐浴覆层 (TD处理) 渗铬
20～30
渗氮层 深度/mm
0.2～0.3
14～27 36～60
≤0.2
一段
490
24
15～35 0.2～0.3
40Cr 二段
Ⅰ Ⅱ
480±10 500±10
20 15～20
20～30 50～60
0.3～0.5
表面硬度
>58HRC 720～ 860HV
≥600HV
≥600HV
4Cr5MoV1 Si
一段
0.5万件
热挤压模
30Cr3W5V
100h
热锻模
5CrNiMo
0.5万件
热锻用冲头
55 Ni2CrMnMo
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。
热硬性、热强性，生产周期短
架等
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
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
提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性
挤压模、冲头针尖
提高硬度、耐磨性、耐热疲劳性、抗蚀性、抗粘附性、 抗氧化性
(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。
熔盐渗硫 气体渗硫
表面化学热处理技术
四、碳氮共渗与氮碳共渗
(一)碳氮共渗
液体碳氮共渗
固体碳氮共渗
根据使用介质 物理状况不同
气体碳氮共渗
表面化学热处理技术
四、碳氮共渗与氮碳共渗
(一)碳氮共渗
低温(500～ 600℃)
高温(900～950℃)
根据共渗温度 的不同
中温(700～ 880℃)
表面化学热处理技术
作用
应用
提高硬度(52～56HRC)、耐磨性、耐疲劳性
挤压模、穿孔工具等
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
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
相比渗碳和渗氮，具有更高的硬度、耐磨性、耐疲劳性、成型模、冷挤模、热挤模和模
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。