模具表面强化技术47页PPT

为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
二、表面淬火 surface quenching
1、感应加热表面淬火
1）基本原理，见图4-36 铜制感应器—电流，工件表层 同步感应电流—涡流，具有集 肤效应，表层迅速加热到淬火 温度，喷水淬硬。
2、渗碳(carburizing)
钢在渗碳介质中，加热、保温，碳原 子渗入工件表层，淬火后，提高表层 硬度、耐磨性。 1）渗碳方法 包括固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、 液体渗碳等。
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2）渗碳用钢、渗碳层的组织及热处理 ①渗碳用钢 低碳、低合金钢（WC=0.1％~0.25％） 渗碳后表层WC=0.8~1.1%
②组织： 工件渗碳后的组织由表面到心部依次为过 共析（P+Fe3CⅡ）、共析（P）、亚共析 （P+F）和原始组织（F+P）。
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包括机械的、物理的、化学的等一 系列表面强化处理方法。
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表面强化技术的分类 Types of surface reinforcing technology
表面冶金强化（堆焊、热喷涂等）； 表面形变强化（喷丸、滚压、挤压等）； 表面热处理强化（表面淬火、化学热处理等）； 表面薄膜强化（电镀、气相沉积等）； 表面非金属化处理（喷塑、粘涂等）； 高能束表面强化（电子、离子束等）。

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。

模具表面强化技术第一 章综述
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2020/11/20
模具表面强化技术第一章综述
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主要内容
1 模具及模具材料分类 2 模具材料性能 3 模具零件失效形式 4 模具材料热处理 5 模具材料表面强化技术
模具表面强化技术第一章综述
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决定形式
受力、受热
塑性变形、磨损、疲劳、冷热疲劳、断裂开裂
模具表面强化技术第一章综述
1.1 模具—— 工业之母
模具的地位：现代工业产品的发展和生产效益的提高，很大程度 上取决于模具的发展和技术水平。 作用：以其特定的形状通过一定的方式使原材料成型 优点：生产效率高、质量稳定、一致性好、省料、生产成本低 应用：汽车、冶金、电子、轻工、机械制造等
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模具表面强化技术第一章综述
1.2.2 工艺性能
模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序 。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的工 艺性能。
1. 机械加工性能 主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。
一般来说，材料的硬度越高，加工硬化能力越强，切屑不易断排， 刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。但若硬度太低，切削会变 得连续不断，使得表面粗糙。
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模具表面强化技术第一章综述
1.2.1 使用性能
4． 冲击韧性 以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用 下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性，反应了模具的脆断韧性，常用冲击 韧度来评定。
5． 疲劳 前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能 指标。实际上，许多机器零件都是在交变载荷下工作的，在这种条件 下零件会产生疲劳。疲劳性能反映了材料在 交变载荷作用下抵抗疲劳 破坏的性能指标。

第13讲 表面强化技术
目
1 2 3
录
表面强化技术的定义及分类 金属表面形变强化 表面淬火 热扩渗技术 等离子体扩渗技术 激光表面强化技术 电子束表面强化技术
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4
5 6 7
目
8 9 10
录
电镀和化学镀 气相沉积技术 热喷涂、堆焊和热喷焊 离子注入和电火花表面强化
11
2018/5/22
表2-1 喷丸对模具寿命的影响
模具名称 电动机定、转 子模 定子单模冲模 一字槽光冲模 活扳手热精压 模 模具材料 喷丸介质d/mm 铸钢丸0.5 玻璃丸0.25~0.35 玻璃丸0.25~0.35 铸钢丸0.5 玻璃丸0.25~0.35 一次刃磨使用寿命/万次 喷丸前 1.2~3.2 52 0.96~1.35 0.175 0.388 喷完后 11.49 70 2.0~2.3 0.263 0.517
1.2 表面强化技术定义
定义：采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料 的组织结构，性能不同的一种技术。 优点：延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料， 促进高新技术发展。
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1 表面强化技术的定义及分类
1.3 表面强化技术分类
金属表面形变强化 电子束表面强化技术
表面淬火
电镀和化学镀
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2 金属表面形变强化
2.2.2 喷丸材料
1 钢丝线切割丸 2
铸钢丸
铸钢丸
常用钢丝直径d=0.4~1.2mm，硬度为45~50 HRC 为最佳，组织最好好回火M或者B。
弹丸尺寸为0.2~1.5mm，退火处理，硬度为 30~57 HRC，易碎，耗量大，但价格便宜 一般来说，黑色金属制件可用铸铁丸、钢铸丸、 铸钢丸的品质与含碳量有关，一般含碳量在 钢丝线切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如 0.85%~1.2% ，锰含量在0.65%~1.2% 铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢则采用不锈 含质量分数为60%的SiO2，硬度46~50HRC， 钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 脆性大，适用于零件硬度低于弹丸的硬度的场 合。 弹丸硬度高，但脆性大，喷丸后可或得较高的 残余压应力。 包括SiO2颗粒和Al2O3颗粒。喷丸时用水混合 SiO2颗粒，利用压缩空气

② 缺点：Ac3+30~50℃加热淬火，对于C含量处于过共析的渗层，会 使共析碳化物溶入奥氏体中，导致淬火后残余奥氏体数量↑，耐 磨性↓；略高于Ac1以上加热淬火，心部出现较多先共析铁素体
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

(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

❖ 常用方法：风动旋片式和机械离心式喷丸。
二、表面热处理强化
和表面化学热处理强化
❖ 1、表面热处理：
❖ 定义：通过对零件表层加热，冷却，表层发生相变，从而改 变表层组织和性能而不改变成分的一种技术，它是最基本、应 用最广泛的表面强化技术之一。
❖ 原理：当零件表面层快速加热时，零件截面上的温度分布是 不均匀的，表层温度高而且由表及里逐渐降低。当表面的温度 超过相变点以上达到奥氏体状态时，随后的快冷使表面获得马 氏体组织，而零件的心部仍保留原组织状态，表面得到硬化层， 这样就达到强化零件表面的目的。
5)强化过程变形非常小，因此可安排为末道工序。
((❖12))超 与高激速光淬相优火比，点电使火用：花成放本提电低使高工件金表面属极小表面积面的金的属熔强化。度、硬度和耐磨性，提高表面疲劳 强度，提高表面的耐腐蚀性，使金属表面具有良好的抗粘着能 4．激光表面处理技术：
原理：当零件表面层快速加热时，零件截面上的温度分布是不均匀的，表层温度高而且由表及里逐渐降低。
❖ 常用方法：高频和中频感应加热表面淬火，火焰加热表面淬 火，接触电阻加热表面淬火，浴炉(高温盐浴炉)加热表面淬火 等。以上除接触电阻加热表面淬火外，其它均为常规的热处理 方法。
2．表面化学热处理强化
❖ 定义：利用合金元素扩散性能，使合金元素渗入到零件金属 表层的一种热处理方法。 工艺参数(决定强化效果)：弹丸直径，弹丸硬度、弹丸速度、弹丸流量及喷射角度，通常采用喷丸强度和表面覆盖率来评定喷丸强化的
❖ 弹丸要求：近似球形、实心无尖角；具有一定的冲击韧性和 较高的硬度。弹丸直径一般为0.05~1.5mm，弹丸越细获得的零 件表面粗糙度越小，反之越高。
❖ 弹丸选择：黑色金属零件用钢丸，铸铁丸或玻璃丸，有色金 属零件应避免采用钢丸或铸铁丸，以免零件表面与附着的铁粉 产生电化学反应。

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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• 4.感应加热面淬火的应用
• （1）齿轮的表面淬火。齿轮一般用调质钢制 造，如45、40Cr钢经调质处理后进行表面淬 火，然后自回火得表面组织为隐晶回火M， 硬度54-58HRC，心部组织为回火S，硬度 20-25HRC。
•（2）机床导轨表面淬火。车床导轨由 HT320制造，原始组织为珠光体+细片状石 墨，导轨表面要求耐磨，因此用高频加热表 面 淬 火 ， 获 得 马 氏第体38页+/共细54页片 状 石 墨 ， 硬 度 提 高
• 表面形变强化 • 表面相变强化
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• 原理 • 喷丸强化 • 表面滚压技术 • 孔挤压强化
第2页/共54页
一、原理
• 1.定义：是指在金属材料表面施加外力，使表面比较薄的一层发生塑性变形， 晶粒得到细化，从而提高零件表面疲劳强度和抗应力腐蚀能力的工艺手段。
• 2.机理： 加工硬化机理。即随变形量的增 加，金属强度硬度升高，塑性韧性下降。
（5）因为加热快，可以靠自冷淬火，工艺过程 简单，表面氧化倾向小。
• 2. 目的：使钢铁获得高的表面硬度和 压应力状态，从而提高其耐磨性和疲 劳强度。
• 特别适合承受弯曲、扭转、摩擦或冲 击的零件。
第28页/共54页
• 3、表面淬火用材料 • 含碳量为％％的中碳钢。 • 4、表面淬火后组织 • 表面：M回 • 心部：回火索氏体（调质处理）或铁素体+索氏体（正火）
为对飞机等重要大型结构件的表面进行表面无 损检测寻找疲劳裂纹和硬性损伤，首要的表面工 艺是退漆。传统的方法是使用化学剂剥离或用砂 轮手工打磨，这两种方法均存在不足之处。
塑料喷丸退漆是近年来发展起来的新工艺。其 原理为：颗粒状塑料在压缩空气的作用下．通过 喷管高速喷射到工件表面在塑料丸较锋利的棱角 切割和冲撞击打双重作用下使漆层表面发生割裂