模具的強韌化和表面強化處理方法

發(fā)布日期：2018-08-04 作者：威光節(jié)能點擊：

工業(yè)自動化程度的提高，用模具成型的產(chǎn)品愈來愈多。目前在我國的許多企業(yè)中，模具的使用壽命還比較低，僅相當于國外的1/5或1/3。據(jù)統(tǒng)計，由于模具壽命低而造成浪費，以及對產(chǎn)品質量影響所帶來的損失，每年達數(shù)十億人民幣。實踐證明，在模具設計和制造過程中，若能選用恰當?shù)匿摬?，確定合理的熱處理工藝，妥善安排工藝路線，對充分發(fā)揮材料的潛在性能、減少能耗、降低成本、提高模具的質量和使用壽命都將起到重大的作用。今后對模具的要求更嚴格，為了使之壽命更長，對強韌化處理、表面處理的期待將愈來愈高。
模具使用壽命與許多因素有關，各種因素在模具失效中所占比例是：
熱處理占52%；
原材料占20%；
使用占10%；
機械、電加工占8%；
鍛造占7%；
設計占3%。
實際使用表明，在模具的全部失效中，由于熱處理不當所引起失效居首位。

一、模具強韌化
鑒于模具苛刻的工作環(huán)境，為提高模具使用壽命，我們要求模具具有優(yōu)良的整體強韌化性能。此外，還要求模具具有優(yōu)異的型腔表面耐磨性能，在這種情況下出現(xiàn)了對模具整體強韌化的基礎上再對其表面進行強化的各種處理。
在一般工藝條件下，往往強度與韌性之間存在著制約關系，材料強度增加，通常總伴隨著材料韌性的降低。要求高強度的同時，又要求材料有較高的韌性，常常是很困難的。但是采取強韌化處理的措施，卻能使鋼的強度和韌性都能得到提高。多次沖擊抗力的理論認為在同一強度水平下，隨著沖擊韌性增加，多次沖擊抗力提高，也就是破斷次數(shù)N增加；強度水平越高，沖韌性對多次沖擊抗力所起的作用就越大。因此，在含碳量較高的模具鋼中，采用強韌化處理，在保證模具主強度的條件下，適當提高沖擊韌性，使強度和韌性得到最佳配合，必然有利于進一步提高多次沖擊抗力。
強韌化處理多種多樣，但歸結起來卻基本上都是通過下列途徑來取得強韌化效果的：充分利用板條馬氏體和下貝體組織形態(tài)，盡量減少片狀馬氏體；細化鋼的奧氏體晶粒和過剩碳化物，獲得馬氏體與具有良好塑性的第二相的復合組織；形變熱處理。
（一）熱作模具鋼高溫淬火和高溫回火：熱作模具鋼5CrMnMo采用850℃淬火，淬火時馬氏體形態(tài)以片狀為主，如把淬火溫度提高到900℃，使奧氏體充分均勻化，消除富碳微區(qū)，淬火后可得板條狀馬氏體，從而提高了鋼的回火穩(wěn)定性，沖擊韌性和斷裂韌性，可延長模具壽命。
（二）高溫快速短時加熱：于高碳鋼模具在快速加熱條件下，奧氏體化不均勻，組織中保留未溶碳化物，奧氏體晶粒細小，并使奧氏體中固溶碳和合金元素量減少，提高了Ms點，有利于板條馬氏體的形成，短時加熱溶于奧體中的碳量可減少到0.6%以下，阻上了富碳區(qū)的形成，減少了片狀馬氏體量，提高了韌性，可使模具得到較高強韌性。
（三）高碳高合金鋼的低溫淬火：采用低溫淬火時，奧氏體中碳和合金元素溶解度減少，Ms點提高，可獲得較多的板條狀馬氏體，且奧氏體晶粒細小，在保證高硬度前提下具有較好韌性和強度，提高多沖抗力，從而有效提高了模具壽命。
（四）形變熱處理是把鋼的強化與相變強化結合起來的一種強韌化工藝。形變熱處理的強韌化本質在于獲得細小的奧氏體晶粒、細化馬氏體增加了馬氏體中位錯密度，并形成胞狀亞結構，同時促進碳化物的彌散硬化作用。

二、表面強化處理工藝的方法
模具表面強化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、電火花表面強化法、滲硼法、TD法、CVD法、PVD法、BRN法、激光表面強化法等離子噴涂法等等。
（一）體氮化時，氨在氮化溫度分解后產(chǎn)生活性氮原子為金屬表面吸收滲入鋼中，并且不斷自表面向內擴散，形成氮化層，經(jīng)氮化處理后，表面硬度可達HV950-1200，并能提高模具的疲勞強度及提高了抗咬合能力。
（二）離子氮化法是將待處理的模具放在真空容器中，充以一定的壓力的含氮氣體然后以被處理模具作陰極，以真空容器的罩壁作為陽極，在陰陽極之間加上400-600伏的直流電壓，陰陽極間便產(chǎn)生輝光放電，容器里的氣體被電離，在空間產(chǎn)生大量的電子與離子。在電場的作用下，正離子沖向陰極，以很高速度轟擊模具表面，將模具加熱。高能正離子沖入模具表面，獲得電子，變成氮原子被模具表面吸收，并向內擴散形成氮化層，離子氮化可提高模具耐磨性和疲勞強度。
（三）電火花表面強化是直接利用電能的高能量密度對表面進行強化處理的工藝。它是通過火花放電的作用，把作為電極的導電材料溶滲進金屬工作的表層，從而形成合金化的表面強化層，使工作表面的物理、化學性能和機械性能得到改善。例如采用WC、Tic等硬質合金電極材料強化高速鋼或合金工具鋼強化表面，能形成硬度在HV1100以上的耐磨、耐蝕和具有紅硬性的強化層，使模具的使用壽命明顯地得到提高，電火花表面強化的優(yōu)點是設備簡單、操作方便、耐磨性提高顯著，缺點是強化表面粗糙，強化層厚度較薄，效率較低。
（四）參硼能顯著提高模具表面硬度(HV1300-2000)和耐磨性，滲硼層還具有良好的紅硬性、耐磨性、可廣泛用于模具表面強化，尤其適合在磨粒磨損條件下的模具，但滲硼層往往存在著較大的脆性，困擾著它的應用。
（五）TD法是在鹽浴爐中放入一個耐熱鋼制的坩堝，將硼砂放入坩堝加熱至900-1200℃，然后放入相應的碳化物形成粉末，如鈦、鈮、鉻，釩再將鋼或硬質合金工件放入坩堝中加熱一定的時間，合金元素滲入工件表面并與鋼中的碳起反應形成碳化物層，TD法所得的碳化物層具有很高的硬度和耐磨性。
（六）CVD法(化學氣相沉積法)是將模具放在氫氣(或其它氣體)保護氣氛中加熱至900-1200度后，以此氣體為載氣，把低溫氣化揮發(fā)金屬的化合物氣體，如四氯化鈦(TiCl4)和甲缽(或其它碳氫化合物)蒸氣帶入爐中，如使TiCI4中的鈦和碳氫化合物中的碳(以及鋼表面的碳分)在模具表面進行化學反應，從而生成一層所需金屬化合物涂層(如碳化鈦)。
（七）PVD法(物理氣相沉積法)采用真空蒸鍍、濺射沉積、離子鍍等方法，在較低溫度下進行。其原理是：利用氣相中的物理、化學過程，在工件表面形成功能性的金屬、非金屬化合物涂層，以改變表面的物理和化學性能。利用PVD法可在工作表面沉積碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等多種化合物。
（八）BRN法復合處理是將模具加熱到500－600℃之間的任一溫度，在載體氣中通入BRN滲劑，滲劑分解后產(chǎn)生需要的活性原子為金屬表面吸收滲入鋼中，并且不斷自表面向內擴散，形成含合金復合化層，這種方法處理后，硬化層表面的自潤滑層提高了模具的潤滑效果，強化層的硬度較高（如Cr12MoV硬度≥HV1100）增加了表面的耐磨性，并能使模具具有較高的熱硬性、疲勞強度和良好的抗咬合能力。
（九）激光表面強化法經(jīng)過黑化處理的模具表面，經(jīng)激光加熱后，由工件自身冷卻淬硬，其冷速遠比常規(guī)淬火介質中的冷速大。激光表面處理具有淬硬層深度可控，自回火，硬度可提高10-2 0%，淬火組織細小，耐磨性高、節(jié)能效果顯著，可改善工作條件等優(yōu)點。不足的是形響表面粗糙度。

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