模具表面的化学热处理技术概述

化学热处理渗碳：为了获得高硬度、高耐磨的表面及强韧的心部，渗碳后必须进行淬火加低温回火处理。

按渗碳介质可分为：气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳。

渗氮：①渗氮层具有高硬度、高耐磨性；②渗氮层比热容打，在钢件表面形成压应力层可显著提高耐疲劳性能，渗氮层的耐疲劳性优于渗碳层；③渗氮层表面有化学稳定性高的ε相，能显著提高耐腐蚀性。

渗氮能形成性能优越的渗氮层，但由于工艺时间太长，使得生产率太低，成本高，应尽量少采用。

渗氮一般用在强烈磨损、耐疲劳性要求非常高的零件，有的场合是除要求机械性能外还要求耐腐蚀的零件。

碳氮共渗（俗称“氰化”）：按工艺温度分：低温碳氮共渗（520-580℃），工艺温度低，共渗过程是以氮原子为主、碳原子为辅的渗入过程，俗称“软氮化”；中温碳氮共渗（780-880℃）；高温碳氮共渗（880-930℃）。

优点：①与渗碳相比处理温度低，渗后可直接淬火，工艺简单，晶粒不易长大，变形裂倾向小，能源消耗少，共渗层的疲劳性和抗回火稳定性好；②与渗氮相比，生产周期大大缩短，对材料适用广。

氮碳共渗：氮碳共渗起源于西德，是在液体渗氮基础上发展起来的。

早期氮碳共渗是在含氰化物的盐浴中进行的。

由于处理温度低，一般在500-600℃，过程以渗氮为主，渗碳为辅，所以又称为“软氮化”。

氮碳共渗工艺的优点如下：①氮碳共渗有优良的性能：渗层硬度高，碳钢氮碳共渗处理后渗层硬度可达HV570-680；渗氮钢、高速钢、模具钢共渗后硬度可达HV850-1200；脆性低，有优良的耐磨性、耐疲劳性、抗咬合性和耐腐蚀性。

②工艺温度低，且不淬火，工件变形小。

③处理时间短，经济性好。

④设备简单，工艺易掌握。

存在问题是：渗层浅，承受重载荷零件不宜采用。

渗硼：渗硼是一种有效地表面硬化工艺。

将工件置于能产生活性硼的介质中，经过加热、保温，使硼原子渗入工件表面形成硼化物层的过程称为渗硼。

金属零件渗硼后，表面形成的硼化物（FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2、VB2、CrB2）及碳化硼等化合物的硬度极高，热稳定性。

目前常用的塑胶模具表面处理方法有氮化、电镀、晒纹及喷砂。

其中氮化与电镀就是一种提高模具寿命的方法,而晒纹与喷砂则就是一种模具表面的装饰方法。

一、氮化氮化分为渗氮与氮碳共渗。

此种工艺的最大优点就是热处理温度低(一般就是500—600℃),热处理后变形小,生成氮化物层很硬,使模具的耐磨性及抗咬合性提高。

模具的耐蚀性耐热性及抗疲劳强度有很大改善。

1.渗氮:渗氮的方法分为气体渗氮、液体渗氮、固体渗氮、离子渗氮等。

我们目前比较常用的就是气体渗氮,就是将氨气(NH3)通入约550℃的炉中,靠氨气分解所得的氮渗入钢中。

氮化时间较长,一般浅层每小时大约在0、015-0、02mm左右,深层渗氮速度每小时约0、005-0、015mm。

而在高合金钢中,由于合金元素含量较多,氮的扩散速度低,渗氮速度会较上述数据低。

气体渗氮的时间(工件小于300X300X50mm)一般为8-9小时,渗层深度为0、1-0、2mm之间,渗氮后的表面硬度为HV850—1200之间(HRC65-72),且表面颜色泛亮。

2.氮碳共渗:即就就是我们所说的软氮化,也称之为液氮。

氮碳共渗温度比渗氮温度稍高,对渗层硬度不会造成很大的影响。

也不会增加渗层脆性,但可增加扩散速度。

氮碳共渗一般采用570℃左右为好,低碳钢可以在600℃以上进行氮碳共渗,以获得较厚的化合物层。

氮碳共渗的最初3小时内渗层深度增加最快,超过6小时后,渗层深度增加不很明显,因而氮碳共渗的时间一般不超过6小时。

氮化层的深度一般为0、05-0、100mm,表面硬度为HV1000(RC68以上)表面颜色呈深灰色。

3.氮化对材料的一些要求:(1)在氮化温度下,只要不发生退火的材料均可进行氮化。

(2)含铬量比较高的金属(如420、S136、2083、M300)等均不可进行气氮(因含铬过高气体难以打入到钢材里面)。

4.氮化以后的一些现象(1)工件氮化后表面会出现一些“肿胀”现象,这就是在工件表面上形成一层很薄(0、02—0、03mm)的白亮层,且比较软,此层必须打磨掉以后工件才能恢复到它原来的尺寸,取掉此层后的硬度也就是最硬的。

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。

金属模具表面超硬化处理—TD技术简介TD能做什么？1、能让磨损失效的冷作模具在同等工况下使用寿命平均提高10倍。

2、能让模具（工装）的使用成本降低50%甚至以上。

一、原理TD模具表面超硬化处理技术，采用金属碳化物扩散覆层TD (Thermal Diffusion Coating Process)原理，是在一定的处理温度下将工件置于硼砂熔盐及其特种介质中，通过特种熔盐中的金属原子和工件中的碳、氮原子产生化学反应，扩散在工件表面而形成一层几微米至二十余微米的钒、铌、铬、钛等金属碳化层。

经本公司不断地持续改进，目前在解决冷作模具磨损失效的应用其技术、品质、成本和响应速度等综合优势居行业领先地位。

二、技术特点---只适合于磨损失效且在常温下工作的工件（模具、标准件、机械部件）。

λ模具表面硬度大大提高，全面解决磨损、拉毛等现象。

同等工况下，使用寿命平均提高十倍以上；λ与基体冶金结合，表现出最优异的抗剥离性；可反复处理；λλ不论工件形状如何，都能形成均匀的被覆层，处理过程中模具变形较小；λ被覆后的表面粗糙度与处理前大致相同，若母材表面加工光滑，处理后可直接使用。

三、选择TD的理由成本理由：λ直接成本模具使用寿命大大提高，降低了模具的制作和维修费用。

间接成本产品废次品率大幅降低；不用经常拆装、维修模具，劳动效率大幅提高。

λ技术及工艺理由：彻底解决模具磨损、拉毛等现象，产品外观好（无划伤），工差小(理论工差≤15um)。

λ环保理由：部分冲压加工工艺中可完全省去原用的磷化、皂化工序，生产过程更环保、更安全，生产现场更易于管理。

λ营销及企业核心竞争力理由：综合成本低（价廉）、产品质量高（外观好、工差小）、供货及时（不用经常拆修模具，产量能得到基本保证）是提高核心竞争力的最原始也是最根本的、最高级的利器。

四、TD最直接的应用λ所有以磨损失效的冷作模具、标件：冲压、挤压、冷镦工艺中的成形、整形、翻边、翻孔、引伸类模具（工件）。

冷作模具：冲裁模的失效形式有：不均匀磨损、凸模整体折断和凸凹模局部掉块。

拉伸模失效形式有磨粒磨损和黏着磨损。

冷镦模失效形式有模口胀大、棱角堆塌、腔壁胀裂。

冷挤模失效形式有塑性变形、磨损失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效、纵向开裂失效。

热作模具：锤锻模失效形式有磨损失效、断裂失效、热疲劳开裂失效及塑性变形失效。

压力机锻模失效形式有脆性断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔的表面腐蚀失效。

热挤压模失效形式有早起断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效、模具型腔表面的氧化失效和磨损沟痕等。

热冲裁模失效形式有热磨损失效、崩刀失效、卷刀失效和断裂失效。

压铸模的失效形式主要有热疲劳失效、热熔蚀失效、冲蚀和气蚀磨损、粘模失效。

塑料模具失效形式有磨损失效、腐蚀失效、塑性变形失效、断裂失效、疲劳失效及热疲劳失效。

冷作模具的表面热处理:1.冲裁模的工作部位的表面处理工艺有氮碳共渗，TD法渗钒渗铌，CVD法沉积TiN或TiC，镀硬铬，化学镀镍磷合金，电火花熔渗等。

2.冷挤模常采用氮化渗碳，沉积氮化物或碳化物等表面强化技术。

3.拉伸模采用渗氮，氮碳共渗，渗硼，渗钒，镀硬铬，气相沉积TiC以及盐浴涂覆碳化物、碳化物于模具表面，通过渗硫提高模具抗咬合的能力。

4.冷镦模需要对模具进行使之整体强韧化的热处理，再对之进行表面强化处理，其常见的表面处理方法有氮碳共渗，气相沉积，TiN 等超硬化合物层，硼-硫复合渗等。

热作模具的表面处理：1.锤锻模对模具型腔表面进行渗氮、渗硼、氮碳硼三元共渗等表面强化处理。

2.压力机锻模及热挤压模常用的表面处理有渗氮、硫碳氮三元共渗、硼氮共渗。

3.热冲裁，模在模具刃口处用电焊条堆焊或用等离子喷焊一层高耐磨、高热强的钴基合金。

4.渗氮和氮碳共渗能提高模具的耐磨性、抗熔蚀性，及防止铝合金的粘模现象；渗铬、渗铝可提高模具的抗氧化性，尤其对高温工作的压铸模有利；磷化、镀铬也可提高抗氧化性，降低摩擦系数，防止粘模。

模具热处理1、退火处理：将工件加热到临界温度（固态金属发生相变的温度）以上某一温度，经保温一段时间后，随暖炉缓慢冷却至500℃一下，然后在空气中冷却的一种热处理工艺。

目的：降低钢的硬度，改善切削性能，细化晶粒，减少组织不均匀性。

同时可消除内应力，稳定工件尺寸，减少工件的变形与开裂。

2、正火处理：将工件加热到临界温度以上的某一温度值，保温一段时间后从炉中取出在空气中自然冷却的一种热处理工艺。

目的：与退火相似，区别在于冷却速度比退火快，同样的工件正火后的强度、硬度比退火后要高。

注：低碳正火可适当提高其硬度，改善切削加工性能。

对于性能要求不高的零件，正火可作为最终热处理。

一些高碳钢件可利用正火来消除网状渗碳体，为以后热处理做好组织准备。

3、淬火热处理：将工件加热到临界温度以上的某一温度，保持一定时间后，在水、盐水或油中急剧冷却的一种热处理工艺。

目的：提高钢的硬度和耐磨性。

（淬硬性、淬透性）4、回火处理：把淬火后的工件从新加热到临界温度一下的某一温度，保证后再以适当冷却速度冷却到室温的热处理工艺。

目的：稳定组织和尺寸，减低脆度，消除内应力：调整硬度，提高韧性，获得优良的力学性能和使用性能。

5、表面淬火处理：利用快速加热的方法，将工件表面温度迅速升温至淬火温度，待热量传至心部之前立即给予冷却使得表面得以淬硬。

目的：获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持原来的组织结构，使其具有良好的塑性和韧性。

注：这种热处理适用于要求外硬内韧的机械零件，如凸轮、齿轮、曲轴、花键轴等。

零件表面淬火前需进行正火或调质处理，表面淬火后进行低温回火。

6、化学热处理：将钢件放在某种化学介质中，通过加热和保温使介质中的一种或几种元素渗入钢的表面，以改变表面化学成分、组织及性能的热处理工艺。

2012-01-20程志鹏。