模具的强韧化和表面处理工艺
Cr12MoV钢制模具的强韧化处理
摘要：Cr12MoV钢制模具经高温调质、等温淬火等主要工序后，得到下贝氏体、回火马氏体和少量残余奥氏体的复合组织，可获得良好强度和韧性的匹配，其强韧性明显高于常规的热处理方法。
应用于我公司使用的两种模具，其耐用度明显提高。
前言:Cr12MoV钢经热处理后具有高的硬度、强度、耐磨性和良好的淬透性能而被广泛应用于冷作模具。
我们自制的滚丝模具(见图1)和异形冲子(见图2)两种模具使用材料均为Cr12MoV钢。
用常规热处理方法处理后，滚丝模具在使用过程中齿部崩齿而报废，每副模具平均加工零件约1560件。
异形冲子在加工零件500件时，尖角部位出现脆性掉块现象，虽经几次修磨后平均加工零件仅为3000件左右。
这无疑严重影响了每月几十万件零件的生产数量和进度。
因此，解决和提高两种模具耐用度是摆在我们面前的一项研究课题。
1 模具的服役条件和失效分析1.1服役条件滚丝模具是在滚丝机床上加工冷态35钢零件的外螺纹，零件螺纹精度达6级，加工零件外螺纹时由于挤压变形量较大，要求该模具具有较高的抗变形能力、耐磨性和韧性。
异形冲子是在100T冲床上挤压退火态的硬铝零件成型，零件塑性变形量较大，并且零件成型后不再进行后序的机械加工，要求模具工作部位尺寸一致性好，应具有较高的耐压强度、耐磨性和韧性。
1.2失效形式及分析我们对已报废的两种模具逐一进行硬度检测，均为60～62HRC，符合图纸要求，抽样切块经金相检查组织为回火马氏体+少量残留奥氏体+碳化物，碳化物偏析级别为3.5～4.5级不等。
两种模具除少量滚丝模具由于产生磨削裂纹时在使用时又沿原裂纹扩展而报废外，其余模具失效形式的共同特点均为脆性崩齿或掉块，未发现因强度和硬度不足产生的工作部位挤压变形或磨损。
将两种模具硬度降至58～60HRC时，脆性崩齿或掉块现象没有改善，由此可看出：模具工作部位脆性大、韧性不足是造成模具耐用度低的主要原因，保证模具良好强度和韧性的匹配是提高模具耐用度的主要措施。
模具表面处理
目
录
一﹑模具常規热处理 二﹑模具強韌化处理 三﹑模具化学热处理 四﹑其它表面強化技朮 五﹑真空镀硬质涂层 真空镀硬质涂层
前
言
模具是機械工業重要的基礎工藝裝備. 模具是機械工業重要的基礎工藝裝備. 模具成形具 有效率高﹑質量好﹑節約原材料﹑降低成本等優點. 有效率高﹑質量好﹑節約原材料﹑降低成本等優點. 模具的服役条件是选择模具材料及热处理的依据. 模具的服役条件是选择模具材料及热处理的依据. 影响模具失效的因素包括模具结构﹑模具材料﹑ 影响模具失效的因素包括模具结构﹑模具材料﹑热处理 及加工工艺等. 及加工工艺等. 主要用于金屬或非金屬冷態成形,承受拉伸﹑ 冷作模具主要用于金屬或非金屬冷態成形,承受拉伸﹑彎 壓縮﹑沖擊﹑疲勞等不同應力作用, 曲﹑壓縮﹑沖擊﹑疲勞等不同應力作用,而用于金屬冷 冷镦﹑冷拉伸的模具还要承受300℃ 300℃左右的交變溫 挤﹑冷镦﹑冷拉伸的模具还要承受300℃左右的交變溫 度作用. 度作用. 薄板冲压模主要失效形式是磨损,所以模具用钢要求 薄板冲压模主要失效形式是磨损, 主要失效形式是磨损 Cr4 MoV(120) CrNiSiMnMoV(GD) 具有高的耐磨性.Cr4W2MoV(120)﹑6CrNiSiMnMoV(GD)﹑
淬火后必须回火. 淬火后必须回火.
回火: 回火:
将淬火钢重新加热到A1点以下的预热温度, 将淬火钢重新加热到A1点以下的预热温度,保温预 A1点以下的预热温度 定时间,然后冷却下来.以消除含碳过饱和之马氏体、 定时间,然后冷却下来.以消除含碳过饱和之马氏体、 过冷残余奥氏体以及高密度位错、 过冷残余奥氏体以及高密度位错、大量相界面等晶体 缺陷、淬火应力等不稳定因素. 缺陷、淬火应力等不稳定因素. •低温回火: (150~200℃),得到回火马氏体组织,硬而耐 低温回火: (150~200℃),得到回火马氏体组织 得到回火马氏体组织, 低温回火 强度高,耐疲劳.多用于刃具, 冷冲模具等. 磨,强度高,耐疲劳.多用于刃具,量,冷冲模具等. •中温回火: (400~500℃),得到回火屈氏体组织,弹性好, 中温回火: (400~500℃),得到回火屈氏体组织 弹性好, 得到回火屈氏体组织, 中温回火 用于弹簧处理. 用于弹簧处理. •高温回火: (500~650℃),得到回火索氏体组织,强度和 高温回火: (500~650℃),得到回火索氏体组织 得到回火索氏体组织, 高温回火 韧性综合性能高. 用于轴类,连杆,连接件. 韧性综合性能高. 用于轴类,连杆,连接件.高温软化 回火,回火温度低于A1(20~24℃),得到回火珠光体组织, A1(20~24℃),得到回火珠光体组织 回火,回火温度低于A1(20~24℃),得到回火珠光体组织, 工艺性能好. 工艺性能好.
模具表面处理技术
模具表面处理技术模具表面处理技术模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。
它对模具的如下性能有着直接的影响。
模具的制造精度：组织转变不均匀、不彻底及热处理形成的残余应力过大造成模具在热处理后的加工、装配和模具使用过程中的变形，从而降低模具的精度，甚至报废。
模具的强度：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理模具强度(硬度)达不到设计要求。
模具的工作寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，影响模具的工作寿命。
模具的制造成本：作为模具制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使模具报废，即使通过修补仍可继续使用，也会增加工时，延长交货期，提高模具的制造成本。
正是热处理技术与模具质量有十分密切的关联性，使得这二种技术在现代化的进程中，相互促进，共同提高。
20世纪80年代以来，国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术。
模具的真空热处理技术真空热处理技术是近些年发展起来的一种新型的热处理技术，它所具备的特点，正是模具制造中所迫切需要的，比如防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气，消除氢脆，从而提高材料(零件)的塑性、韧性和疲劳强度。
真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处理工艺造成的零件变形小等。
按采用的冷却介质不同，真空淬火可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火。
模具真空热处理中主要应用的.是真空油冷淬火、真空气冷淬火和真空回火。
为保持工件(如模具)真空加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，模具淬火过程主要采用油冷和气冷。
对于热处理后不再进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火，特别是真空淬火的工件(模具)，它可以提高与表面质量相关的机械性能，如疲劳性能、表面光亮度、而腐蚀性等。
模具表面处理
模具热处理模具使用寿命与许多因素有关，各种因素在模具失效中所占比例是：热处理占52.2%、原材料占17.8%；使用占10%；机械、电加工占8.9%；锻造占7.8%；设计占3.3%。
实际使用表明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起失效居首位。
一、模具强韧化工艺鉴于模具苛刻的工作环境，为提高模具使用寿命，我们要求模具具有优良的整体强韧化性能。
此外，还要求模具具有优异的型腔表面性能，在这种情况下出现了对模具整体强韧化的基础上再对其表面进行强化的各种处理。
我们知道，在一般工艺条件下，往往强度与韧性之间存在着制约关系，材料强度增加，通常总伴随着材料韧性的降低。
要求高强度的同时，又要求材料有较高的韧性，常常是很困难的。
但是采取强韧化处理的措施，却能使钢的强度和韧性都能得到提高。
多次冲击抗力的理论认为在同一强度水平下，随着冲击韧性增加，多次冲击抗力提高，也就是破断次数N 增加；强度水平越高，冲韧性对多次冲击抗力所起的作用就越大。
因此，在含碳量较高的模具钢中，采用强韧化处理，在保证模具主强度的条件下，适当提高冲击韧性，使强度和韧性得到最佳配合，必然有利于进一步提高多次冲击抗力。
强韧化处理多种多样，但归结起来却基本上都是通过下列途径来取得强韧化效果的：充分利用板条马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢的奥氏体晶粒和过剩碳化物，获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织；形变热处理。
1、热作模具钢高温淬火和高温回火：热作模具钢5CrMnMo采用850℃淬火，淬火时马氏体形态以片状为主，如把淬火温度提高到900℃，使奥氏体充分均匀化，消除富碳微区，淬火后可得板条状马氏体，从而提高了钢的回火稳定性，冲击韧性和断裂韧性，可延长模具寿命。
2、高温快速短时加热：于高碳钢模具在快速加热条件下，奥氏体化不均匀，组织中保留未溶碳化物，奥氏体晶粒细小，并使奥氏体中固溶碳和合金元素量减少，提高了Ms点，有利于板条马氏体的形成，短时加热溶于奥体中的碳量可减少到0.6%以下，阻上了富碳区的形成，减少了片状马氏体量，提高了韧性，可使模具得到较高强韧性。
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。
模具强化方法
模具既要具有优良的整体强韧化性能，又要 具有优异的型腔表面性能，这样才能提高模 具使用寿命。 对普通冷作模具钢，采用低温淬火与低温回 火处理，可收到增加韧性、减少脆性和折断 的良好效果；
模具的整体强韧化工艺
对热作模具钢，采用高温淬火与高温回火处理，可 显著提高热作模具钢的强韧性和热稳定性。如 3Cr2W8V材料制成的压铸模，采用400℃～500℃ 及800℃～850℃的2次预先正火而后高温淬火、回 火，可提高韧性40％，模具寿命可提高1倍。 此外还可采用形变热处理。形变热处理的强韧化本 质在于获得细小的奥氏体晶粒、细化马氏体增加了 马氏体中的位错密度并形成胞状亚结构，同时促进 碳化物的弥散硬化作用。
模具的表面强化热处理
模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子 氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD 法、PVD法、激光表面强化法、离子注入法、等 离子喷涂法等等。
① 气体软氮化：使氮在氮化温度分解后产生活性氮 原子，被金属表面吸收渗入钢中并且不断自表面 向内扩散，形成氮化层。模具经氮化处理后，表 面硬度可达HV950～1200，使模具具有很高的红 硬度和高的疲劳强度，并提高模具表面光洁的度 和抗咬合能力。
⑧ 激光表面强化：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。激光束移开，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，其硬度可提高15～20％。 ⑨ 离子注入：利用小型低能离子加速器，将需要注 入元素的原子，在加热器的离子源中电离成离子， 然后通过离子加热器的高电压电场将其加热，成为 高速离子流，再经过磁分析器提炼后，将离子束强 行打入置于靶室中的模具工作表面，从而改变模具 表面的显微硬度和粗糙度，降低表面摩擦系数，最 终提高工作的使用寿命。
模具材料及表面处理
模具材料及表面处理
1名词解释；
预硬钢：就是供应时已预先进行了热处理，并使之达到模具使用态硬度，该硬度变化范围较大，较低硬度为25～35HRC。
低变形冷作模具钢：是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素而发展起来的。
复合强韧化处理（双重淬火）：是将模具的断热淬火与最终热处理淬火回火相结合的处理工艺，它是在模具毛胚停段后用高温回火取代原来的球化退火（预备热处理）所以又称双重淬火法。
热锻模：是在高温下通过冲击力或压力使炽热的金属胚料成形的模具。
韧性：是材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的一个特性，反应了模具的脆断抗力，常用冲击韧度ak来评定。
喷丸强化：是利用大量的珠丸（直径一般为O0.4～2mm）以高速打击以加工完毕的工件表面，使便面产生冷硬层和残留压应力，可以显著提高零件的疲劳强度。
基体钢：就是具有高速钢正常淬火基体成分的钢。
模具实效：是指模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能用一般修复方法（刃磨、抛磨）使其重新服役的现象。
电火花表面强化：是利用工具电极与工件在气体中产生的火花放电作用，把作为电极的导电材料溶渗进工件表层形成合金化的表面强化层。
疲劳抗力：是反映材料在交变载荷下抗疲劳破劳破坏的性能指标。
冷作模具：是指在冷态下完成对金属或非金属材料的塑性变形的模具。
化学热处理：是指将金属或合金工件置于一定的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。
第5章 模具钢料的热处理-模具表面处理技术
第二节模具表面处理工艺概述模具是现代工业之母。
随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航空航天、食品医疗等产业的迅猛发展，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，成为各模具厂及注塑厂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。
这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。
这些性能的改善，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；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。
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。
在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。
◆提高模具的表面的硬度、耐磨性、摩擦性、脱模性、隔热性、耐腐蚀性；◆提高表面的高温抗氧化性；◆提高型腔表面抗擦伤能力、脱模能力、抗咬合等特殊性能；减少冷却液的使用；◆提高模具质量，数倍、几十倍地提高模具使用寿命。
减少停机时间；◆大幅度降低生产成本与采购成本，提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能。
◆减少润滑剂的使用；◆涂层磨损后，还退掉涂层后，再抛光模具表面，可重新涂层。
在模具上使用的表面技术方法多达几十种，从表面处理的方式上，主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面覆层处理法。
模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD化学气相淀积、PVD物理气相沉积、PACVD离子加强化学气相沉积、CVA铝化化学气相沉积、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等等。
下面综述模具表面处理中常用的表面处理技术：一、物理表面处理法：表面淬火是表面热处理中最常用方法，是强化材料表面的重要手段，分高频加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光表面淬火。
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
模具表面处理工艺
模具表面处理工艺一、喷涂处理喷涂处理是一种在模具表面喷涂一层耐磨、耐腐蚀、耐高温等涂层的工艺。
该工艺可以改善模具表面的性能，提高模具的使用寿命和精度。
喷涂工艺包括喷锌、喷塑、喷铝等。
二、电镀处理电镀处理是一种利用电解原理，在模具表面电镀一层金属或合金薄膜的工艺。
该工艺可以赋予模具表面耐磨、耐腐蚀、导电等特性，提高模具的表面质量和性能。
电镀工艺包括镀铬、镀镍、镀铜等。
三、激光强化激光强化是一种利用高能激光束对模具表面进行扫描，使表面材料快速熔化、凝结，达到强化表面的工艺。
该工艺可以提高模具表面的硬度、耐磨性等性能，延长模具的使用寿命。
激光强化还可以用于修复模具表面缺陷和损伤。
四、渗氮处理渗氮处理是一种在一定温度和压力下，将氮原子渗入模具表面的工艺。
该工艺可以提高模具表面的硬度和耐腐蚀性，同时可以提高模具的耐磨性和抗疲劳性。
渗氮处理适用于耐磨性要求较高的模具。
五、镀铬处理镀铬处理是一种在模具表面电镀一层金属铬的工艺。
该工艺可以赋予模具表面高度的硬度和耐磨性，同时可以提高模具的抗腐蚀性和抗疲劳性。
镀铬处理适用于耐磨性要求较高的模具。
六、喷丸处理喷丸处理是一种利用高速气流将弹丸喷射到模具表面，使表面材料发生塑性变形的工艺。
该工艺可以改善模具表面的粗糙度和形状精度，同时可以提高模具的抗疲劳性和耐磨性。
喷丸处理适用于各种类型的模具。
七、氧化处理氧化处理是一种将金属表面氧化成氧化膜的工艺。
该工艺可以提高模具表面的硬度和耐磨性，同时可以增强模具的抗腐蚀性和抗氧化性。
氧化处理适用于钢铁、铝合金等金属材质的模具。
八、抛光处理抛光处理是一种利用抛光机械对模具表面进行抛光加工的工艺。
该工艺可以改善模具表面的粗糙度和形状精度，同时可以提高模具的抗腐蚀性和抗疲劳性。
抛光处理适用于各种类型的模具。
九、渗碳处理渗碳处理是一种在高温下将碳原子渗入模具表面的工艺。
该工艺可以提高模具表面的硬度和耐磨性，同时可以增强模具的抗疲劳性和韧性。
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。
模具的表面处理工艺分享
模具的表面处理工艺分享现代电镀网讯：我国是模具制造大国，每年生产的模具不计其数，但其大型化和精密化水平一直落后于国外。
为了扭转模具产业的发展劣势，推动模具行业的健康快速发展，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。
表面处理在模具中的应用是提高模具质量和使用寿命，降低成本的最有途径。
通过采用不同的表面处理技术，只改变模具表层的成分、组织、性能，从而大幅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、抗咬合等特殊性能，数倍、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要意义。
在模具上使用的表面技术方法多达几十种，主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面镀覆层处理法。
下面就重点介绍一下表面覆层处理法中的电镀、刷镀、化学镀。
1、模具电镀工艺电镀硬铬、硬镍是模具表面处理技术中的传统技术，通过利用电化学的方法在模具工作面上沉积薄层金属或合金的一种湿式镀覆。
电镀操作温度低，模具发生变形较小，模具本身的性能几乎不受影响，镀层的摩擦系数低，显微硬度可达800HV，可以大大提高模具的耐磨性。
但是，镀层的孔隙较大，耐腐蚀性能不高，不适用于耐腐蚀性要求高的模具。
同时，由于电镀具有尖端效应，对于多孔、形状复杂的模具也不适用。
2、模具刷镀工艺刷镀工艺简单，沉积速度快，操作方便，镀层质量和性能较好。
易于现场操作，不受模具大小和形状的限制。
刷镀应用于热作模具，可提高模具寿命50%-200%，主要原因是刷镀层有良好的红硬性、耐磨性和抗氧化能力。
3、模具化学镀工艺化学镀是利用还原剂把电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面沉积出能与基体表面牢固结合的涂镀层。
化学镀没有电镀中因为电力分布不均而造成的深镀和分散能力差的问题。
它对于形状复杂、多孔洞、有棱边夹角的模具的处理最为有效，克服了电镀的缺点与不足。
模具常用表面处理
★注：TD处理由于要在高温条件下进行，尺寸大的模具高温下易变 形，因此主要用于我司配套件的小模具使用。
三种表面处理技术介绍
1、模具镀Cr简介
◆镀Cr过程示意图： ◆施行镀Cr的目的 ：
1、新车投产时其成形性的尽快稳定化 2．模具品质的稳定化
◆施行镀Cr的优点 ：
1．[精度/成形性]：模具的保护（半永久性的维 护模具寿命和精度）：降低冲压油 的使用量 2．[品 质] ：提高冲压加工的成形性：提高耐磨 性（压痕,粘连） 3．[成 本] ：由于对模具材质要求的降低而降低 了模具费用 4．[保 全] ：降低保全工数：降低冲压油的使用量
◆应用范围：
TD覆层处理可广泛应用于由于各类磨损所引起的模具与工件或工件与工件之间的拉伤或磨损超差的问题.其中因咬合或粘 结而引起的拉伤或拉毛问题,TD覆层处理是目前世界上最好的解决方法之一.因磨损而引起的工件尺寸超差等问题,通过TD 覆层处理后,提高使用寿命上十倍是很正常的.
3、表面工程技术在汽车模具表面质量改善中得到 广泛应用。
表面工程技术的特点及意义
1、它主要作用于基材表面，对远离表面的基 材内部组织与性能影响不大； 2、廉价性，使普通材料具有特殊性能，节约 贵金属，提高耐磨性和腐蚀性，提高了劳动生 产率，降低生产成本； 3、表面工程技术可以兼有装饰和防护功能； 4、表面工程技术已成为制备新材料的重要方 法，如可以在材料表面制备整体合金化难以做 到的特殊性能合金等。
◆与相关技术的比较 ：
通过在工件表面形成一层高硬度的耐磨材料是提高工件 耐磨，抗咬合，耐蚀等性能，从而提高其使用寿命的有效而又 经济的方法，TD覆层处理技术以碳化钒覆层为例，其表面硬度 可达HV3200左右，较传统的表面处理方法如渗碳HV~900；渗氮 HV~1200；镀硬铬HV~1000；甚至渗硼HV 1200~1800等表面处理 的硬度高得多，因此具有远优于这些表面处理方法的耐磨性能。
模具表面强化技术热处理
模具表面强化技术热处理发展最快、工业应用最广的等离子体热处理方法是等离子体化学热处理。
与常规化学热处理相比，等离子体化学热处理具有优质、高效、低耗、洁净、无公害等特点。
但是，此技术用于批量大的小模具及其他小零件(如螺栓、螺母、链条等)时，装炉麻烦，渗层质量不易控制。
而且，同炉混装不同形状、尺寸的工件时，不易均匀控制工件温度。
1.1离子渗碳离子渗碳，亦称辉光渗碳。
渗碳是将价廉、具有良好成型性和延展性的低碳钢或低碳合金钢母体材料在碳基气氛中加热，使活性碳渗入母材而形成强韧、耐磨表面的一种热处理方法。
离子渗碳则在于活性碳是由碳氢化合物气体在真空等离子区中，通过直流辉光放电电离而获得，其原理与离子渗氮相似。
在国内，离子渗碳工艺已成功应用于汽车、航空、核工业等的模具中。
离子渗碳的技术关键是渗层质量控制及设备设计。
离子渗碳时，可通过调节碳通量和渗碳时间来控制模具工件表面的预定碳含量。
碳通量是气体成分、气压、气体流量、离子电流密度和渗碳温度的函数。
在工业生产中，离子渗碳时，可利用碳的扩散和传输数学模型，通过电流密度传感器由微机进行全过程的工艺控制，从而获得预定的表面碳含量、碳分布和渗层深度。
但离子渗碳工艺温度高(850～980℃)，要求电源功率大，易发生辉光放电转变为弧光放电的现象，使工艺不稳定，设备较复杂。
目前，工业模具上普遍采用的气体渗碳和真空渗碳工艺成熟，质量稳定，能较好地满足工业模具的需要。
与传统的渗碳相比，离子渗碳具有以下优点：渗碳效率高，表面质量好，渗层分布均匀，变形小，环境污染小，过程易实现自动化控制，深孔盲孔也能处理等。
在模具行业中，离子渗碳技术在冲模和塑料模中应用较多。
目前，在表面硬化中，有80%以上是渗碳处理。
因此，离子渗碳有着广阔的发展前景。
1.2离子渗氮离子渗氮是目前工业上应用最广、最成熟的离子热处理工艺[1-3]。
该工艺易通过调整工艺参数(如电压、电流、炉内气体压强、温度、时间和工作气体成分等)获得纯扩散层、单相、化合物层等。
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(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。
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。
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。
目的是消除钢中的应力，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）完全退火将模具钢加热到临界温度A c3以上20~30℃，保温足够的时间，使其组织完全奥氏体化，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。
其目的是为了降低硬度、均匀组织、消除内应力和热加工缺陷、改善切削加工性能和冷塑性变形性能，为后续热处理或冷加工做准备。
2）不完全退火将钢加热到A c1~A c3（亚共析钢）或A c1~A ccm（过共析钢）之间，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。
模具表面处理种类和作用
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0.2～0.3m m。
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0.2～0.3m m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。
2.氮碳共渗氮碳共渗工艺温度较低(560～570℃)，变形量小，经处理的模具钢表面硬度高达900～1000H V，耐磨性好，耐蚀性强，有较高的高温硬度，可用于压铸模、冷镦模、冷挤模、热挤模、高速锻模及塑料模，分别可提高使用寿命1～9倍。
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模具的强韧化和表面处理工艺
随着工业自动化程度的提高，用模具成型的产品愈来愈多。
目前在我国的许多企业中，模具的使用寿命还比较低，仅相当于国外的1/3-1/5。
据统计，由于模具寿命低而造成的钢材工时和能源浪费，以及对产品质量影响所带来的损失，每年达数十亿人民币。
实践证明，在模具设计和制造过程中，若能选用恰当的钢材，确定合理的热处理工艺，妥善安排工艺路线，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。
今后对模具的要求更严格，为了使之寿命更长，对强韧化处理、表面处理的期待将愈来愈高。
模具使用寿命与许多因素有关，各种因素在模具失效中所占比例是：
热处理占52.2%；
原材料占17.8%；
使用占10%；
机械、电加工占8.9%；
锻造占7.8%；
设计占3.3%。
实际使用表明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起失效居首位。
一、模具强韧化工艺
鉴于模具苛刻的工作环境，为提高模具使用寿命，我们要求模具具有优良的整体强韧化性能。
此外，还要求模具具有优异的型腔表面性能，在这种情况下出现了对模具整体强韧化的基础上再对其表面进行强化的各种处理。
我们知道，在一般工艺条件下，往往强度与韧性之间存在着制约关系，材料强度增加，通常总伴随着材料韧性的降低。
要求高强度的同时，又要求材料有较高的韧性，常常是很困难的。
但是采取强韧化处理的措施，却能使钢的强度和韧性都能得到提高。
多次冲击抗力的理论认为在同一强度水平下，随着冲击韧性增加，多次冲击抗力提高，也就是破断次数N增加；强度水平越高，冲韧性对多次冲击抗力所起的作用就越大。
因此，在含碳量较高的模具钢中，采用强韧化处理，在保证模具主强度的条件下，适当提高冲击韧性，使强度和韧性得到最佳配合，必然有利于进一步提高多次冲击抗力。
强韧化处理多种多样，但归结起来却基本上都是通过下列途径来取得强韧化效果的：充分利用板条马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢的奥氏体晶粒和过剩碳化物，获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织；形变热处理。
1、热作模具钢高温淬火和高温回火：热作模具钢5CrMnMo采用850度加淬火，淬火时马氏体形态以片状为主，如把淬火温度提高到900度，使奥氏体充分均匀化，消除富碳微区，淬火后可得板条状马氏体，从而提高了钢的回火稳定性，冲击韧性和断裂韧性可大大延长模具寿命。
2、高温快速短时淬火：于高碳钢模具在快速加热条件下，奥氏体化不均匀，组织中保留未溶碳化物，奥氏体晶粒细小，并使奥氏体中固溶碳和合金元素量减少，提高了Ms点，有利于板条马氏体的形成，短时加热溶于奥体中的碳量可减少到0.6%以下，阻上了富碳区的形成，减少了片状马氏体量，提高了韧性，可使模具得到较高强韧性。
3、高碳高合金钢的低温淬火：采用低温淬火时，奥氏体中碳和合金元素溶解度减少，Ms点提高，可获得较多的板条状马氏体，且奥氏体晶粒细小，在保证高硬度前提下韧性强度，多冲抗力都有提高，从而有效提高了模具寿命。
4、形变热处理是把钢的强化与相变强化结合起来的一种强韧化工艺。
形变热处理的强韧化本质在于获得细小的奥氏体晶粒、细化马氏体增加了马氏体中位错密度，并形成胞状亚结构，同时促进碳化物的弥散硬化作用。
二、模具表面处理工艺
模具表面处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼法、TD法、PVD法、饺硬铬法、激光表面强化法、堆焊法等离子喷涂法等等。
1、气体氮化时，氮在氮化温度分解后产生活性氮原子(2NH33H2+2［N］)为金属表面吸收渗入钢中，并且不断自表面向内扩散，形成氮化层，经氮化处理后，表面硬度可达HV95 0-1200，并能使模具具有很高的红硬性和高的疲劳强度，并提高了模具表面光洁度和抗咬合能力。
2、离子氮化法是将待处理的模具放在真空容器中，充以一定的压力的含氮气体(如氮或氮、氢混合气)然后以被处理模具作阴极，以真空容器的罩壁作为阳极，在阴阳极之间加上400-600伏的直流电压，阴阳极间便产生辉光放电，容器里的气体被电离，在空间产生大量的电子与离子。
在电场的作用下，正离子冲向阴极，以很高速度轰击模具表面，将模具加热。
高能正离子冲入模具表面，获得电子，变成氮原子被模具表面吸收，并向内扩散形成氮化层，离子氮化可提高模具耐磨性和疲劳强度。
3、电火花表面强化是直接利用电能的高能量密度对表面进行强化处理的工艺。
它是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料溶渗进金属工作的表层，从而形成合金化的表面强化层，使工作表面的物理、化学性能和机械性能得到改善。
例如采用WC、Tic等硬质合金电极材料强化高速钢或合金工具钢强化表面，能形成显微镜硬度HV1100以上的耐磨、耐蚀和具有红硬性的强化层，使模具的使用寿命明显地得到提高，电火花表面强化的优点是设备简单、操作方便、耐磨性提高显着，缺点是强化表面粗糙，强化层厚度较薄，效率较低。
4、参硼能显着提高模具表面硬度(HV1300-2000)和耐磨性，渗硼层还具有良好的红硬性、耐磨性、可广泛用于模具表面强化，尤其适合在磨粒磨损条件下的模具，但渗硼层往往存在着较大的脆性，因扰着它的应用。
5、TD法(托氏沉积法)是在空气炉或盐槽中放入一个耐热钢制的坩埚，将硼砂放入坩埚加热至800-1200度，然后放入相应的碳化物形成粉末，如钛、钡、铌、铬，
再将钢或硬质合金工件放入坩埚中浸渍一定的时间，加入元素就会扩散至工作表面并与钢中的碳起反应形成碳化物层，TD法所得的碳化物层具有很高的硬度和耐磨性。
6、CVD法(化学气相沉积法)是将模具放在氢气(或其它气体)保护气氛中加热至900-1200度后以此气体为载气，把低温气化挥发金属的化合物气体，如四氯化钛(TiCI4)和甲钵(或其它碳氢化合物)蒸气带入炉中，如使TiCI4中的钛和碳氢化合物中的碳(以及钢表面的碳分)在模具表面进行化学反应，从而生成一层所需金属化合物涂层(如碳化钛)。
7、PVD法(物理气相沉积法)是在真空室中，把强化用的金属原子蒸发，或通过荷能粒子的轰击，在一个电流偏压的作用下，将其吸引并沉积到工作表面形成强化层。
利用PVD法可在工作表面沉积碳化钛、氮化钛、氧化铝等多种化合物。
8、激光表面强化法经过黑化处理的模具表面，经激光高功率密度加热后，可靠工件自身冷却淬硬，其冷速远比常规淬火介质中的冷速大。
激光表面处理具有淬硬层深度可控，不需回火，硬度可提高15-2 0%，淬火组织细小，耐磨性高、节能效果显着，可改善工作条件等优点。