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工业生产型PCVD法工模具表面强化设备及其应用

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PECVD设备的主要用途设备的主要用途设备的主要用途设备的主要用途

PECVD设备的主要用途设备的主要用途设备的主要用途设备的主要用途

PECVD设备的主要用途1.2.1 利用等离子体聚合法可以容易地形成与光的波长同等程度的膜厚。

这样厚度的膜与光发生各种作用，具有光学功能性。

即：具有吸收、透射、反射、折射、偏光等作用。

由于这种性质的存在，低温沉积Si3N4减反射膜，以提高太阳能电池的光电转换效率。

1.2.2 用于集成光电子器件介质SiYNX膜的制备，如半导体集成电路的衬底绝缘膜、多层布线间绝缘膜以及表面纯化膜的生长。

1.2.3 在电子材料当中可制成无针孔的均一膜、网状膜、硬化膜、耐磨膜等。

1.2.4 在半导体工艺中不仅用于成膜，而且用于刻蚀，也是一个较为理想的设备，它可刻0.3µm以下的线条.等离子体化学气相沉积 plasma chemical vapor deposition简称PCVD.是一种用等离子体激活反应气体,促进在基体表面或近表面空间进行化学反应,生成固态膜的技术。

等离子体化学气相沉积技术的基本原理是在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的反应气体，利用等离子体放电，使反应气体激活并实现化学气相沉积的技术。

PCVD与传统CVD技术的区别在于等离子体含有大量的高能量电子，这些电子可以提供化学气相沉积过程中所需要的激活能，从而改变了反应体系的能量供给方式。

由于等离子体中的电子温度高达10000K，电子与气相分子的碰撞可以促进反应气体分子的化学键断裂和重新组合，生成活性更高的化学基团，同时整个反应体系却保持较低的温度。

这一特点使得原来需要在高温下进行的CVD过程得以在低温下进行。

等离子体概论—物质存在的状态都是与一定数值的结合能相对应。

通常把固态称为第一态，当分子的平均动能超过分子在晶体中的结合能时，晶体结构就被破坏而转化成液体(第二态)或直接转化为气体(第三态)；当液体中分子平均动能超过范德华力键结合能时，第二态就转化为第三态；气体在一定条件下受到高能激发，发生电离，部分外层电子脱离原子核，形成电子、正离子和中性粒子混合组成的一种集合体形态，从而形成了物质第四态——等离子体。

模具表面强化技术一

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。
模具表面强化技术及其应用

模具表面强化技术及其应用

为 广泛 的是熔 盐浸 镀法 （ 称熔 盐浸 渍法 、盐浴沉 积 或 法 ） 模具 表 面形成 Ｖ Ｎ Ｃ、 ｒＣ－ ｒ ， 在 Ｃ、 ｂ Ｃｚ ６ＣＴ 等碳 化物 超 ￣ Ｃ
硬“ 涂层 ” 实为渗 层 ） 由于这些 碳化 物具 有很 高 的硬 （ 。
度 ． 以经 Ｔ 所 Ｄ法 处理 的模 具可获 得特别 优异 的力 学性 能 。一 般来说 ， 采用 Ｔ Ｄ处理 与采用 Ｃ Ｄ（ 学气相 沉 Ｖ 化 积 ）Ｐ Ｖ 等 离子 化 学 气 相 沉 积 ） 方法 进 行 的表 面 、 Ｃ Ｄ（ 等 硬 化 处理效 果 相近 似 ， 由 于 Ｔ 但 Ｄ法 设备 简 单 、 操作 简 便 、 本低廉 、 以是一 种 很有 发展前 途 的表 面强化 处 成 所 理 技术 。Ｔ Ｄ处 理 在国外 应 用 已相 当普 遍 ， 在 国 内报 但
《 模具 制造 》 ２ ０ ．ｏ２总第 ７期 ０ ２Ｎ
不同。
５ １ 处理 的性能 比较 。
由 于碳 化 物 中 的 Ｃ来 自工 件 （ 材 ） 身 ， 此 要 基 本 因
求 基材 的台碳 量在 ０４ － ％以上 ， 般 以含碳 量 较高 的工 一
具钢最适 宜作 Ｔ 处理 的基材 。 Ｄ
４４ Ｔ ． Ｄ处理 的工 艺 参数 影响 Ｔ Ｄ涂层厚 度 的主要 因素是 盐浴 温度 、 理 时 处 间和 基材 的化 学 成分 ， 关 系为 ＝ ｔ￣ ， 中 Ｄ 为 其 Ａｅ 式 “ 覆 ” 厚 度 （Ｉ ）ｔ 浸 渍 时间 （） Ｔ为工 艺 温 度 涂 层 ［Ｉ ； 为 ｉ１ １ ｓ； （ ； 为 碳 化 物 层 的 扩 散 激 活 能 （ 为 １７４ ～ Ｋ）９ 约 ６． ７
道 并不 多见 。
４３ 碳 化 物 的 形 成 机 理 ＿
模具表面强化

模具表面强化

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。

第十章-模具表面强化技术

第十章-模具表面强化技术

(4) 渗氮处理后，工件的变形很小，适合精密模具的表面强化。
*
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
PCVD技术在模具强化中的应用与进展

PCVD技术在模具强化中的应用与进展

ｓ ｒｂ ｄ， ａ ｄ ｈ ｐ ｌ ａ ｏ ｓａｕｓ ｆ ｈ ｔｃ ｎ ｌｇ ｉ ｔｅ ｔｅ ｇｈｅ ｉｇ ｏ ｉｓ ａ ｄ ｃｉｅ ｎ ｔｅ ａ ｐｉ ｔ ｎ ｔｔ ｏ ｔｅ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｎ ｈ ｓｒ ｎ ｔ ｎｎ ｆ ｄｅ ｎ ｍｏ ｌ ｓ ｃｉ ｕｄ ｗａ ｓ ｓｕ ｉｄ， ｗｈｃ ｉｖ ｌｅ ｃ ｌ ｗｏ ｋｎ ｄ ｔ ｄｅ ｉｈ ｎ ｏｖ ｏｄ ｒ ｉｇ Ｓ， ｈ ｔ ｏ ｗｏ ｋｎ ｄｉｓ ｍ ｏ ｄ ｆ ｒ ｌｓ ｃ ａ ｄ ｏ ｐｅ ｒ ｉｇ ｅ， ｌ ｕ ｓ ｏ ｐａ ｔ ｓ ｎ ｃ ｍ ｌｘ ｉ ｓｒ ｃｕ ｅ ｄｅ ｎ ｕｄ ． ｔｕ ｔｒ ｓ ａ ｄ ｍｏ ｓ ｉ ｌ ｌ ｃ ｎｑ ｅ ｉ ｆｅ ｔ ｅ ｔ ｔｎ ｔ ｅ ｖｃ ｌｅ ｏ ｉｓ ａ ｍｏ ｄｓ ｅ ｔ ｈ ｉｕ Ｓ ｅ ｃ ｖ ｏ ｅ ｅ ｄ ｈｅ ｓ ｒ ｉｅ ｉ ｆ ｄｅ ｎ ｅ ｉ ｘ ｆ ｄ ｌ ｕ ．
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￣ ＇ ｃ ｉ ｖ ｅ ｌｅ ｉ ｆ
１ 踟
技术原理
具的承载力， 所以不适合用于模具强化处理。 物理气相沉积技术 ７（ｈＳａ ￣Ｘｌｄｌｓ Ｄ ｐｙｃｌ ）Ｘ ｅ ￣ ｉ Ｉ ｒ ｘＰ ｔ ￣是利用热蒸发、 ｉ ｍ） 溅射或辉光放 电、 弧光放 电等 物理过程在基体表面沉积所需涂层，该技术处理温
精密模具修补冷焊机(金属表面强化修复机)的适应范概要

精密模具修补冷焊机(金属表面强化修复机)的适应范概要

精密模具修补冷焊机（金属表面强化修复机）的适应范围及典型应用：精密模具修补冷焊机（金属表面强化修复机）可对金属工件出现磨损、划伤、针孔、裂纹、缺损变形、硬度降低、内应力、沙眼、损伤等缺陷进行沉积、封孔、补平等修复功能。

还可在金属表面形成耐磨层、耐蚀层、耐热层、耐氧化层、耐冲击层、防滑层、高粘合层、可焊层、导电层等强化作用。

这样就决定了本设备应用的广泛性和先进性。

成为各行各业必备的设备。

该设备是一种环保型设备、通过对机械零件、模具或工夹具等金属进行预防保护或进行补修可以为企业节省大笔设备购置和维修费用，对提高产品质量和生产效率，帮助客户降低成本会提高竟争力起到很大的作用。

一、模具制造行业塑料模表面的打毛，增加美感和使用寿命；头盔塑料模具分型面堆焊修复；铝合金压铸模具分流锥表面强化；模具腔超差、磨损、划伤等修复与强化。

二、塑料橡胶工业橡塑机械零部件修复，橡胶、塑料件用的模具超差、磨损与修补。

三、航空、航天业飞机发动机零部件、涡轮、涡轮轴修复或修补，火箭喷嘴表面强化修理，飞机外板部件修复，人造卫星外客强化或修复，钛合金件的局部渗碳强化，铁基高温合金件的局部渗碳强化，镁合金的表面渗A1等防腐蚀涂层，镁合金件局部缺陷堆焊修补，镍基/钴基高温合金叶片工件局部堆焊修复，如：叶片叶冠阻尼面与叶尖的磨损和导叶的烧蚀等。

四、汽车与机车的制造与维修行业汽车制造和维修工业中，用于凸轮、曲轴、活塞、汽缸、离合器、摩擦片、排气阀等补差和修复，汽车体的表面焊道缺陷补平修正。

五、船舶、电力行业电曲轴、轴套、轴瓦、电气元件、电阻器等修复，电气铁路机车轮与底线轨道连接片的焊接，电镀厂导电辊、金属氧化处理铜铝电极的制作焊接。

六、机械工业修正超差工件和修复机床导轨、各种轴、凸轮、水压机、油压机柱塞、气缸壁、轴颈、扎辊、齿轮、皮带轮、弹簧成形用的芯轴、塞规、环规、各类辊、杆、柱、锁、轴承等。

七、铸造工业铁、铜、铝铸件砂眼气孔等缺陷的修补，铝模型磨损修复。

模具表面强化技术应用现状及发展

模具表面强化技术应用现状及发展


（ ）改 变表面 化学成 分的强 化方法 二
１等 离子 化学热处理。等离子化学热处理是利用真空辉 ． 光放 电产生的离子轰击金属表面 ，使表面的成分、组织结构
和性 能都发生变化 。等离子化学热处理 已有离子渗 Ｎ 、渗 Ｃ 、 渗Ｂ 、渗 Ｔ 、渗 Ｓ ｉ 、渗 Ａ 等技术投入应用，实践证 明，经等 １ 离子化学热处理后的模具耐磨性 、疲劳强度、耐腐蚀性都显 著提 高 ’ 此类技术是 目前模具表面强化 中研究和应用最广 。 泛的 ，处理后模具表层硬化、并有高的残余压应力 。目前又 有双元 Ｃ Ｎ共渗、多元共渗 （ － 如最近 开发 的无污染体的 Ｓ Ｎ Ｃ － — 共渗 ）与复合渗等复合表面化学热处理 ，其 目的是为 了保持 单元渗的优点而克服其缺点 ，以得到综合性能更优 良的多元 共渗层 ，提高模具的使用寿命 。研究表 明在氮化工序工件表 面渗入氮等多种元素，形成耐磨和耐疲劳 的化合物层和扩散 层，而氧化工艺使工件形成抗蚀性极好的氧化膜 ，极大地提 高了模具的寿命 。 ２渗金属处理 （Ｄ处理 ） 渗金属处理是 日本丰 田研究所 ． Ｔ 。 开 发 的 ，是 用 熔 盐 浸 镀 法 、 电解 法 及 粉 末 法 进 行 表 面 硬 化 处 理技术的总称 。实际应用最多的是熔盐浸镀法 （ 或称熔盐浸渍 法、盐浴沉积法） 。通过在模 具表面形成 ５ ５． ～１ １ｍ薄膜 （ １ 实为 渗层） ，可显著提高表面硬度、耐磨性、抗粘着性和 耐腐蚀性 大大提高了模具的使用寿命 。 渗金属处理过程是硼砂盐浴中 活性金属原子与工件 （ 基材 ） 本身 的碳原子相结合 的过程 ，其 碳化物的形成机理是 Ｖ ｂ ｒ等碳化物 元素与 Ｃ结合在工 ，Ｎ ，Ｃ 件表面形成 Ｖ ，Ｎ Ｃ ｒＣ等 ，其中 Ｖ ｂ ｒ来 自盐浴中 Ｃ ｂ ，Ｃ — ，Ｎ ，ｃ 所 添 加 的 金属 含 金 或 氧 化 物 粉 末 ，而 碳 化 物 中的 Ｃ 则来 自基
表面强化技术与应用

表面强化技术与应用


产生的大量有毒、 有害气体会很快向周围蔓延， 如果不能及时采 疏散人员的措施就会使非爆炸点的人员中毒 、 窒 取正确的通风、 息死亡。 （3 ） 事故救援指令不能及时下达， 延误事故救援时间， 造成人 员大量伤亡。 事故发生后， 要求调度指挥部要及时判断事故发生的 地点， 及时采取措施， 将有毒、 有害气体控制在最小范围， 并及时下 但是由于事故发生 达各作业地点人员撤退命令， 防止事故扩大化。 具有突发性的特点，往往事故发生时各单位事故抢救指挥部的总 指挥和副总指挥不在现场或者虽然有领导在指挥部，却没有指挥 事故抢险、 救援的专业知识， 只能到处打电话请示。而上级领导因 为不在现场， 需要问清各种情况才能下达指令， 再加上有些调度指 挥部的工作人员由于没有丰富的实际经验和综合判断能力，在向 领导汇报时不能准确表述事故情况，造成事故发生后采取措施不 及时或不正确， 导致事故扩大和人员大量伤亡。 （4 ） 采取的自救措施不及时或不正确， 造成人员大量伤亡 。 瓦斯、 煤尘爆炸后产生的大量有毒、 有害气体毒性大、 发作快， 只 要少量吸入即可致人昏迷、 丧失行动能力或致人死亡， 这就要求 井下人员及时判断清事故的性质 、地点，带好防护器具迅速撤 离， 避免造成伤亡。但是， 事故发生时往往由于作业人员安全知 识欠缺， 事故发生时判断不及时 、 不准确， 佩戴防护器具没有做 快捷而导致死亡。还有一部分人在事故发生后因惊慌失 到准确、 际和生产需要合理选用， 才能获得满意的效果。 参考文献 ［1］ 材料耐磨抗蚀及其表面技术丛书编委会. 材料耐磨抗蚀及 其表面技术概论 ［M］ .北京： 机械工业出版社， 1986. （责任编辑： 张 红 ） ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ 第一作者简介： 韩金华， 男， 1962 年 7 月生， 1984 年毕业于 东南大学机械工程系， 工程师， 讲师， 南通航运职业技术学院机 电系， 江苏省南通市经济技术开发区通盛大道 185 号， 226010.
模具材料及模具表面强化技术及其应用(一)

模具材料及模具表面强化技术及其应用(一)


图 & 表面滚压强化示意图
(#!#& 喷丸设备 喷丸强化所用设备简单，能耗低、成本低，在工件截
获 得 最 大 限 度 的 优 化 ，形 成 最 合 理 的 匹 配 ，从 而 满 足 不 同服役条件下各种模具的不同要求。
! 模具表面强化技术概述 模具的表面强化处理是指用机械、物理或化学方
法对模具工作表面进行改性或覆层等处理，使模具在 保 证 高 的 强 韧 性 基 础 上 ，不 仅 具 有 更 高 的 强 度 、硬 度 、 耐 磨 性 ，同 时 获 得 优 异 的 抗 疲 劳 、抗 咬 合 、抗 粘 着 、抗 擦 伤 、耐 腐 蚀 、抗 高 温 氧 化 等 性 能 的 处 理 方 法 ，如 表 面 淬 火、化学热处理等。
模具表面强化技术及其应用
南阳市华骏电源技术有限公司（河南南阳 )*(""’） 河南中南光电仪器厂 河南红阳机械厂技术中心
杨凌平 董猛 杨有才
【摘 要 】阐 述 了 模 具 表 面 强 化 技 术 的 发 展 概 况 及 其 对 模 具 使 用 寿 命 的 重 要 作 用 ，重 点 介 绍 了 形变强化、+, 处理、激光强化、覆层强化及离子注入等模具表面强化新技术及应用。 关键词 模具表面强化 表面覆层 碳化物 氮化物 晶格畸变
（&）材 料 强 度 越 高 ，效 果 越 显 著 ，因 此 尤 其 适 用 于 模具。
（!）钢铁材料效果优于其他合金。 （(）有缺口件的效果高于光滑工件。
离排除，补充新弹丸，否则会影响喷丸质量。 （!）钢弹丸。 钢 弹 丸 由 "#0"1 的 弹 簧 钢 丝 或 不 锈 钢 丝 切 制 成
段，经磨圆加工制成，!3"#82&#!--，8,2,"567 最为适 宜，弹丸组织以回火马氏体或贝氏体为最佳。
西安交通大学科技项目汇编

西安交通大学科技项目汇编

西安交通大学科技项目汇编目录第一项彩色等离子体显示器 (4)第二项天地网远程教育系统SkyClass (4)第三项可视IP电话系统 (5)第四项离子镀膜技术及装备 (6)数字电视后处理芯片 (6)第六项磁悬浮开关磁阻起动发电系统 (8)第七项大型冲压模具快速开发技术 (8)第八项大型能源化工设备工程监测与故障诊断系统 (9)第九项基于快速成形的定制化人工骨快速制造技术 (10)第十项SPS600固体激光快速成形机及光固化树脂 (11)第十一项空气介质电弧的测试、仿真、调控的关键技术及其应用 (12)第十二项耐高温微型压力传感器 (13)第十三项高速离心压缩机实验平台 (14)第十四项高效冷凝蒸发器 (14)第十五项利用太阳能规模制氢的基础研究 (15)第十六项煤炭的化工-动力综合利用新技术 (16)第十七项二甲醚汽车 (17)第十八项大型高速转子轴件修复强化新技术 (18)第十九项高性能低成本CuCr触头材料的大批量生产技术 (19)第二十项工模具表面PCVD陶瓷化工业设备及成套技术 (20)第二十一项聚苯乙烯泡沫塑料材料三维加工设备及技术 (20)第二十二项JTUIS超声成像无损检测系统 (21)第二十三项材料若干介观性能的表征及其尺度效应 (23)第二十四项新型硬煤综采机截齿 (24)第二十五项单体高电位镍氢动力电池 (25)第二十六项贝氏体球墨铸铁磨球生产技术 (26)第二十七项单晶连铸技术 (28)第二十八项强力抗磨局部复合材料制备技术 (31)第二十九项双金属管件的离心铸造 (32)第三十项高能球磨－材料研发新技术 (33)第三十一项PCVD薄膜技术发展 (34)第三十二项模拟电视全程VBI接收卡 (35)第三十三项钛酸锶环形压敏电阻器 (36)第三十四项干式空心电抗器 (39)第三十五项干式铁心电抗器 (40)第三十六项干式变压器CAD集成系统 (40)第三十七项直流润滑（密封）油泵控制系统 (42)第三十八项大功率高稳定加速器励磁用开关电源 (43)第三十九项低纹波高精度大功率加速器、脉冲电源用直流有源滤波器 (46)第四十项电力操作用交直流电源及智能监控系统 (48)第四十一项火电厂球磨机寻优节能计算机集散控制系统 (49)第四十二项水泥厂微机配料与负荷控制系统 (51)第四十三项微机远程自动实时抄表 (52)第四十四项大中型商城网络防盗防火视音频监管系统 (54)第四十五项基于计算机视觉和神经网络的浮选控制系统 (56)第四十六项数字视频扫描格式转换与处理专用集成电路 (58)第四十七项绝缘栅双极晶体管(IGBT)研究与中试 (59)第四十八项废纸造纸工厂废水零排放 (60)第四十九项高效节能低压射流曝气器 (62)第五十项电液便器节水、减污、免防疾病传染装置 (64)第五十一项基于ASP的网络化制造应用集成服务平台 (65)第五十二项高精度三维物体轮廓测量系统 (68)第五十三项纳米氧化铝、氧化钛纤维制备与应用 (70)第五十四项晶体硅太阳能电池产业化及应用产品开发 (71)第五十五项太阳能照明灯 (72)第五十六项普通及特种轴流风机的设计 (73)第五十七项H型空气压缩机 (75)第五十八项水质COD、氨氮和pH在线监测仪 (79)第五十九项组织芯片制备仪器及自动化分析系统的产业开发 (82)第一项彩色等离子体显示器我校从1996年开始从事彩色等离子体显示器研究与开发工作，得到“九五”国家重点科技攻关项目、教育部科学技术重大项目、陕西省科学技术发展计划项目、彩虹集团公司、“211工程”一、二期建设项目和“985工程”一期建设项目的支持。

表面工程技术在模具制造和修复中的应用

表面工程技术在模具制造和修复中的应用摘要：本文简要介绍了各种表面强化技术在模具制造和修复中的应用，重点介绍了几种表面强化新技术在提高模具使用寿命方面的典型案例，并就表面强化新技术在提高模具使用寿命方面的应用前景进行了展望。

表面强化技术不仅能够提高模具表面耐磨性及其它性能，而且能够使模具内部保持足够的强韧性，这对于改善模具的综合性能、节约合金元素、大幅度降低成本、充分发挥材料的潜力以及更好地利用模具新材料都是十分有效的。

实践证明，表面强化处理是提高工模具质量和延长模具使用寿命的重要途径。

模具表面强化处理按其原理可分为化学热处理、表面涂覆处理和表面加工强化处理。

模具表面强化处理的方法多种多样，不仅包括传统的表面淬火技术（如感应淬火、火焰淬火等）、热扩渗技术（如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等）、热喷涂技术、堆焊技术和电镀硬铬技术外，还有近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术（PVD）、化学气相沉积技术（CVD）、离子注入技术等。

由于激光和电子束等新能源的能量集中、加热迅速、加热层薄、自激冷却、变形很小、无需淬火介质、有利于环境保护、便于实现自动化等优点，因而在金属材料特别是模具材料表面强化方面的应用越来越广。

表面工程技术应用于模具表面，可达到如下目的。

（1）提高模具表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能，大幅度提高模具的使用寿命；（2）提高模具表面抗擦伤能力和脱模能力，提高生产率；（3）采用碳素工具钢或合金钢，经表面涂层或合金化处理后，可达到甚至超过高合金化模具材料甚至硬质合金的性能指标，不仅可以大幅度降低材料成本，而且可以简化模具制造加工工艺和热处理工艺，降低生产成本。

（4）可用于模具的修复。

尤其是电刷镀技术可在不拆卸模具的前提下完成对模具的修复，且能保证修复后的工作面仍有足够的粗糙度，因而倍受工程技术人员的重视。

（5）可用于模具表面的纹饰，以提高其塑料制品的档次和附加值。

1、表面强化技术在模具制造和修复中的应用（1）表面形变强化技术。

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。

CVD技术的应用与进展


2 CVD 的应用与进展
CVD 镀层可 用于要求耐磨、 抗 氧化、 抗腐 蚀以 及某些电学、 光学和摩擦学性能的部件。对于耐磨 硬镀层, 一般采用难熔的硼化物、 碳化物、 氮化物和 氧化物。满足这些要求的镀层包括 T iC、 Ti N、 A l2 O3、 T aC、 H fN 和 T iB2 及其组合。但是由于 CVD 处理的 温度较高 , 基体硬度也会随之降低 , 同时热处理后还 需要进行淬火处理 , 会产生较大的畸变 , 因此该技术 不适合于高精度零件的处理。上世纪 80 年代末 , K ruppW id ia公司开发的低温化学气相沉积技术达 到了实用水平 , 其工艺温度已降至 450~ 650 , 有 效抑制了 相的产生, 可用于螺纹刀具、 铣刀、 模具 的 Ti N、 T iCN、 T iC 等涂层。 CVD 技术被广泛应用于 硬质合金可转位刀具的表面处理。由于 CVD 工艺
热处理
2009年第 24 卷 第 4期
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出室外。其沉积反应如下 : Ti C4 l ( l) + CH 4 ( g) T iC ( s) + 4HC l( g ) T iC l4 ( l) + C(钢中 ) + 2 H ( g) T iC ( s) + 4 HC l( g) 零件在镀前应进行清洗和脱脂, 还应在高温氩 气流中作还原处理。选用气体不仅纯度要高 (如氢气 [ 5] 纯度要求 99 .9 % 以上, T iC l4 的纯度要高于 99 .5 % ), 而且在通入反应室前必须经过净化, 以除去其中的氧
热处理
2009年第 24 卷 第 4期
所需 金 属 源 的 制 备 相 对 容 易, 可 实 现 T i N、T iC、 Ti CN、 T iBN、 T iB2、 Al 2 O 3 等单层及 多元多 层复合涂 层的沉积, 涂层与基体结合强度较高 , 薄膜厚度可达 7~ 9 m, 使此项技 术的应用得 到进一步 的拓展。 美国已有 85 % 的硬质合金工具采用了表面涂层处 理 , 其中 CVD 涂层占 99 % ; 到上世纪 90 年代中期 , CVD 涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍 占 80 % 以上。 2. 1 MOCVD MOCVD 是一种利用低温下易分解和挥发的金 属有机化合物作为物质源进行化学气 相沉积的方 法 , 主要用于化合物半导体气相生长方面。 MOCVD 的沉积温度相对较低, 能沉积超薄层甚至原子层的 特殊结构表面, 可在不同的基体表面沉积不同的薄 膜。因此, 对于那些不能承受常规 CVD 高温, 而要 求采用中低温度的基体 ( 如钢一类的基体 ) 有很高 的应用价 值。此 外, 用 MOCVD 技 术生 长 的 多晶 Si O 2 是 良好 的透 明导 电 材料 ; 用 MOCVD 得 到的 Ti O2 结晶膜也用于太阳能电池的抗反射层、 水的光 电解及光催化等方面。 MOCVD 技术最有吸引力的 [ 2] 应用 是 制 备 新 型 高 温 超 导 氧 化 物 陶 瓷 薄 膜 。 MOCVD 容易控制镀膜成分、 晶相等品质 , 可在形状 复杂的基材、 衬底上形成均匀镀膜 , 结构致密 , 附着 力良好 , 因此 MOCVD 已成为工业界主要的镀膜技 术。MOCVD 近来也在触媒制备及改质和其他方面 得到应用, 如制造超细晶体和控制触媒有效深度等。 清华大学微电子所的阮勇、 谢丹等 人使用 MOCVD [ 6] 技术已经成功地制备了 PZT 薄膜 。在可预见的 未来, MOCVD 工艺的应用与前景是十分光明的。 2. 2 PCVD PCVD 是等离子体化学气相沉积 , 是介于 CVD 和 PVD 之间的一种处理方法 , 借助于气体辉光放电 产生的低温等离子体来增强反应物质的化学活性 , 促进气体间的化学反应 , 从而能在较低的温度下沉 积出所需的涂层。 PCVD 按等离子体能量源方式可 划分为 : 直 流 辉 光 放 电 ( DC PCVD ) 、 射频放电 ( RF PCVD) 和微波等离子 体放电 ( MW PCVD ) 等。随着频率的增加 , 等离子体增强 CVD 过程的作 用越明显, 形成化合物的温度越低。这 3 种 PCVD 中 , 应用最广泛的是射频辉光放电装置, 因为放电过 程是无电极放电 , 故电极不发生腐蚀 , 无杂质污染。 而微波放电的 ECR 法由于能产生长寿命自由基和 高密度等离子体 , 已引起人们的广泛兴趣 , 但尚处于 研究阶段。在 2009 年西安交通大学科技推广项目 中 , 由徐可为、 马胜利等人承担的国家八六三计划新 材料领域项目, 首次研制出大功率脉冲直流等离子 体辅助化学气相沉积 ( PCVD ) 用于工模具表面强化 热处理

模具表面强化技术及其应用


高密度 能量 （ 能束 ） 面强 化是近 年来 发展 起 来 高 表
，
属表 面施 以极 高能 量使 之发 生物理 、化 学 变
化， 达到金 属表 面 强化 的一种 新 技术 ， 利用高 密度 能 量 进 行热 处理 ， 具有 节 约能 源 ， 防止 环 境 污染 、 提高 生 产 率及产 品质量 等优 点 ， 光 热处 理是最 重要 的一 种 ， 激 其
有 ：红 宝石 激 光器 、钕玻 璃 激光器 和 钇铝石 榴激 光 器 （ Ａ 目ｆ Ｙ Ｇ） 水激光 器效 率一 般 不超 过 ３ ， 用 于穿 孔 、 ％ 可
１． 纵 台 ｌ 控装 置 １＿ 记 录 装 置 １． 统 打字 机 ４操 ５数 ６磁带 ７系
Ｃ 光器 是在 谐 振腔 内通过 放 电 ，激 发 激 光器 Ｏ激
一
见图 ｌ。 ２
般是 连续 波 ， 也 可 以脉 冲式工 作 ． 但 由于 Ｃ 光器 Ｏ激
一
能够长 时间稳定 连续 振荡 ， 故具 有 以下 优点 ：
（） １电一光 转 换效 率 高 ， 一般 约为 １％～ ０ ， ０ ２％ 而其
他类 型 如红 宝石 激光 器仅 为 ２ ％
中 的 Ｃ Ｎ 、 ｅ （ 积 比约为 １１ ｊ利 用电 激发 Ｏ 、 Ｈ 气 体 ：５６ ，
现象获得 激光 。Ｃ 光器按 气 流循 环方 向 、 电方 向 Ｏ激 放
维普资讯
《 具制 造》 ２ ０ ．ｏ 模 ０ ２Ｎ ． ３总第 ８ 期
制 、 作 安全 、 格 便宜 。 操 价
６ ． 檄光射束
１ ０气体 喷嘴
７弯曲反射镜 ．
１．－ 工作 台 １ Ｙ ｘ
８聚光系统
１． 处 理 工 件 ２ 被
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工京航空航天大学 陶冶 张凌云 王吉吉 刘培英
[ 摘要] 介绍了一种新型的用于工业生产的 P CV D 法工模具表面强化设备。设备的有效容积为 480m m×800m m, 装载量可以达到300kg 以上。其中自行设计的内热式加热系统, 采用了高压脉冲 等离子电源和多路蒸发系统。用该设备可以制备 T iN 系薄膜和 T iSiN 、T iA l N 等三元系薄膜, 批量 处理各类金属切削刀具和模具, 并且显著提高工模具的使用寿命。还介绍了有关的工艺技术和设备 技术。
关键词: PCV D 设备 表面强化 切削刀具和模具 [ A bst ract ] A new m ass -product ion-t y pe PCV D equipment f or s ur face s t rengt hening o f t oo ls and / o r dies is int roduced in t his paper . T he eff ect ive capacit y of t he equipm ent is of 480m m × 800mm , and t he loading capacit y can be m ore t han 300kg. T here are adv anced design of t he inner heat ing s ys tem w hich uses t he hig h v olt age and puls ed plas ma pow er and mult iple pat h vapo rizatio n sy st em. N o t o nly can T iN t ype coat ing but poly bas ic co at ings of T iSiN , T iA lN be pr epared w ith t he equipment. A l so various cutt ing t ools and dies can be surface s t rengt hened in bat ches and t he service life of t ools and dies can be markedly pr olonged. Keywords: P CV D equipm ent Surface st rengt hening Cutt ing to ols and dies
80年代末期, 发展了脉冲直流 P CV D 技术。脉冲 直流等离子场是一种非平衡等离子场, 它比直流的 平衡等离子场有更高的离化率。在脉冲频率较高时, 断电周期短于离子寿命, 即在断电周期内离子仍保 持离化状态; 脉冲直流等离子场中 T iCl4的离化率可 达到10% ～15% 。国外用脉冲直流 P CV D 法制备的 T iN 系薄膜的性能已优于 PV D 法薄膜。使用脉冲直 流电源在镀膜过程中导通时间仅为20% ～40% ( 即 断电时间80% ～60% ) 即可, 因此, 离子轰击附加的 热效应可以大大减少, 有利于工艺过程的精确控温。 脉冲直流等离子场对于狭缝、深孔的均镀能力也显 著优于直流等离子场, 且灭弧能力优于直流场, 使得 工艺过程更为平稳。
真空室的前开门式结构, 而外炉罩式结构无法实现 这一点。
由于有以上优点, 内热式加热系统耗能低, 加热 速度快。加热系统总功率仅为12kW, 若为外热式加 热, 至少需要30kW。当设备装载量为100kg 时, 1. 5h 以内就可以从室温加热到773K 以上, 而用外热式加 热系 统时, 30kW 功率, 100kg 装载 量, 至少 需要3h 以上才能加热到773K 。
—3—
合膜的硬度、结合力和微观结构均优于单层膜。
3 工业生产型 PCV D 法工模具表面强化设备
1. PCVD 设备技术发展概况 PCV D 表面强化技术是在80年代中期发展起来
的。早期 的设备主要 为“冷壁”的直流 电源型。所谓 “冷壁”是指工件依靠离子轰击加热, 没有外热式加 热源, 与离子氮化的加热方式相近。“冷壁”P CV D 设 备结构简单, 但因真空室内空间温度较低, 等离子化 学反应不充分, 沉积的薄膜含氯离子量高, 薄膜缺陷 多, 因此性能较差。炉壁上吸附大量 T iCl4 不完全分 解产物, 清洁度很差。这种结构很快为“热壁”结构所 取代。热壁结构是采用专门的外热源来对工件和真 空室内的空间进行加热, 使空间环境温度与工件温 度基本接近, 可以促进等离子化学反应, 降低薄膜中 的氯离子含量, 薄膜缺陷减少, 炉壁也很清洁。外热 源一般是在真空室外套一个加热炉罩, 目前国外的 工业用 PCV D 表面强化设备均采用这种结构。这种 结构的缺点是加热速度较慢、耗能高。
图1 脉冲直流 PCVD 设备 ( 1) 真空系统 真空室外形尺寸为 800m m ×1300mm , 有效容 积( 有效工作区尺寸) 480mm ×800mm, 配机械泵, 极限真空度为5×10-1P a。装载量300kg 。真空室为前 开门式结构, 这种结构省去了提升机构, 便于工件的 装卸, 工艺操作简便。国外目前普遍采用的提升式钟 罩型真空室, 每次装卸工件要用起重机构将钟罩提 升到一定高度, 操作比较麻烦。 ( 2) 脉冲直流等离子电源系统 电源频率为1000Hz , 功率50kW, 脉冲波型为方 波, 采用了智能型的三级保护电路。利用电流、电压 变化特征值判断, 若出现散弧, 系统自动切断200 s 灭弧, 然后自动复位, 可以连续进行“切断—复位”过 程; 若出现集中连续弧, 系统自动切断, 必须手动重 调复位; 若出现短路, 系统自动切断主电源, 以保护 主工作元件。系统的导通比可在0. 2～0. 8之间连续 调 节。当加热工件时, 可采用较高的导 通比( 0. 6～ 0. 8) , 得到快的加热速度; 在镀膜过程中, 采用较低 的导通比( 0. 2～0. 4) , 以减小附加热效应, 使温控准 确, 同时降低能耗。 ( 3) 蒸发和气流控制系统 采用双路蒸发系统, 两个蒸发源可以独立地蒸 发不同的金属卤化物蒸气。因此, 既可以沉积二元薄 膜, 如 T iN 、T iC 等, 也 可 以 沉 积 多 元 薄 膜, 如 T iA l N 、T iSiN 等。气体流量均采用精密质量流量计 来控制。 ( 4) 温控加热系统 加热系统采用了独特设计的内热式结构, 整个 加热系统置于真空室内部, 与传统的“外炉罩”式的 加热方式相比, 它有许多优点, 如重量轻, 内热式加 热系统仅相当于外热式系统总重量的1/ 3～1/ 5; 加
2T iCl4+ H2 →2T iCl3 + 2HCl 2T iCl3+ H2 →2T iCl2 + 2HCl 然后是气相沉积形成薄膜的反应: 2T iCl2+ N 2 + 2H2→2T iN + 4HCl 2T iCl3+ N 2 + 3H2→2T iN + 6HCl 除了上述化学反应外, 还存在着复杂的等离子 反应, 如离子的定向运动、电子碰撞等, 均对整个反 应过程起到激活和促进作用。 如果按比例通入 CH4、H2 和 T iCl4等 工作气体, 按上述工艺则可以沉积 T iC 薄膜; 也可以按比例通 入 CH4 、N 2、H2和 T iCl4 等工作气体, 实现沉积 T iCN 薄膜。若交替沉积 T iN 和 T iCN , 则可形成多层复合 膜。国外刀具强化多采用复合膜, 多者可达11层。复
90 年 代 以 来, 国 际 上 投 入 工 业 生 产 使 用 的 PCV D 设备均为热壁的脉冲直流式设备。
—4—
2. 新研制的工业生产型脉冲直流 PCVD 设备 我 们 于 1995年 底 研 制 出 了 新 型 的 脉 冲 直 流 PCV D 工模具表面强化工业生产设备。设备结构框 图如图1所示, 主要由真空系统、脉冲直流等离子电 源系统、蒸发与气流控制系统、温控加热系统、工件 装载系统、电极和气流分式系统以及其他辅助系统 组成。下面简要介绍该设备的原理和主要设计思想。
1 前 言
气相沉积硬质薄膜技术作为一种有效的表面强 化方法已广泛地用于刀具表面强化, 可以显著提高 刀 具寿命。其中, 化学气相沉积法( CV D 法) 国外在 70 年代 初投 入 工业 应用 。它 具有 薄 膜结 合 力优 良、绕 ( 均) 镀性好、可实现成分连续调控等优点, 但是, 这 种方法工艺温度高达1273K 以上, 限制了其应用范 围, 一般只用于硬质合金工具的表面强化。物理气相 沉积法( P V D 法) 国外在80年代初投入工业应用, 该 方法工艺温度可降至773K , 因此, 除了硬质合金工具 外, 也 适用于高速钢 刀具。它的主 要缺点是绕 镀性 差, 只有面对靶的区域能够均匀镀覆, 对于多元薄膜 不能实现成分连续调控。等离子体化学气相沉积法 ( P CV D 法) 是90年代初期投入工业应用的表面强化 新技术。它具有工艺温度低, 绕镀性好, 结合力良好, 可 实 现成 分 连 续调 控 等 特 点, 即兼 有 CV D 法 和 PV D 法的优点, 同时避免了二者的缺点。PCV D 法 由于具有绕镀性良好的特点, 特别适用于复杂形状 的各类模具的表面强化, 对复杂的曲面、型腔、内孔、 狭缝均可均匀镀覆。所以 P CV D 法是目前唯一既适 用于各类模具表面强化, 又适用于各类刀具表面强 化, 应用范围最广泛的气相沉积表面强化技术。
( 5) 装载系统 采用小车式装载架, 在装卸工件时, 装载架可以 拉出真空室, 便于装卸较重的工件。最大装载量可达 300kg 以上。 ( 6) 电极和气流分布系统 电极系统的关键是阴阳极界面的设计。在大功
早期的 PCV D 设备均采用直流电源, 直流电源 结构简单、廉价, 但用直流电源所形成的直流等离子 场有两大缺点: 其一是离化率太低, 在直流等离子场 中, T iCl4的离化率仅有0. 5% ～1% 。另一点是附加的 离子轰击热效应大, 容易造成工件过热失效。也曾有 人试用过射频电源( RF ) , 发现射频等离子场中的气 体离化率显著高于直流等离子场, T iCl4 的离化率可 达到10% ～20% , 提高了10倍以上。离化率的提高使 沉积工艺条件得以优化, 从而可以改善薄膜的微观 结构和性能。但射频场对形状匹配要求过严, 不能适 合复杂形状工模具强化的要求。若采用微波电源, 因 微波等离子场有极高的离化率, 虽可实现室温沉积, 但也不适用于大型、复杂形状的实际工件。