第9章模具的熱處理及表面強化技術模具加工9熱處理及表面強化技術第9章模具的熱處理及表面強化技術

模具熱處理及表面強化是模具制造中的關鍵工藝之一，直接關系到模具的制造精度、力學性能、使用壽命以及制造成本，是保證模具質量和使用壽命的重要環節。模具在實際生產使用中表明，在模具的全部失效中，由于熱處理不當所引起的失效居于首位。在模具設計制造過程中，若能正確選用鋼材，選擇合理的熱處理及表面強化技術工藝，對充分發揮材料的潛在性能、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。模具加工9熱處理及表面強化技術9.1模具的熱處理9.1.l模具鋼的熱處理

模具鋼的熱處理工藝是指模具鋼在加熱、冷卻過程中，根據組織轉變規律制定的具體熱處理加熱、保溫和冷卻的工藝參數。根據加熱、冷卻方式及獲得組織和性能的不同，熱處理工藝可分為常規熱處理、表面熱處理（表面淬火和化學熱處理等）等。

熱處理可分為預備熱處理和最終熱處理。模具鋼的常規熱處理主要包括退火、正火、淬火和回火。1．退火工藝退火一般是指將模具鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時間，然后使其緩冷至室溫，獲得接近于平衡狀態組織的熱處理工藝。其組織為鐵素體基體上分布著碳化物。模具加工9熱處理及表面強化技術

退火目的：消除鋼中的應力，降低模具材料的硬度，使材料成分均勻，改善組織，為后續工序(機加工、冷加工成形、最終熱處理等)做準備。退火工藝根據加熱溫度不同可分為：

1）完全退火

2）不完全退火

3）等溫退火

4)球化退火圖9.1常用球化退火工藝圖9.2正火工藝1-一次球化退火；2-等溫球化退火；3-多次球化退火模具加工9熱處理及表面強化技術2．正火工藝正火工藝是將鋼加熱到Ac3(對于亞共析鋼)或Accm(對于過共析鋼)以上適當的溫度，保溫一定時間，使之完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻，得到珠光體類型組織的熱處理工藝。

3．淬火與回火將鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上一定溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界淬火速度的速度進行冷卻，使過冷奧氏體轉變為馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火工藝的關鍵是要控制加熱速度、淬火溫度、保溫時間以及冷卻速度。回火是緊接淬火的一道熱處理工藝，大多數淬火模具鋼都要進行回火。目的是穩定組織，減小或消除淬火應力，提高鋼的塑性和韌性，獲得強度、硬度和塑性、韌性的適當匹配，以滿足不同模具的性能要求。決定模具回火后的組織和性能最重要的因素是回火溫度。回火可分為低溫、中溫和高溫回火。模具加工9熱處理及表面強化技術4．真空熱處理在熱處理時，被處理模具零件表面發生氧化、脫碳和增碳等效應，都會給模具使用壽命帶來嚴重的影響。為了防止氧化、脫碳和增碳。利用真空作為理想的加熱介質，制成真空熱處理爐。零件在真空爐中加熱后，將中性氣體通入爐內的冷卻室，在爐內利用氣體進行淬火的為氣冷真空處理爐，利用油進行淬火的為油冷真空處理爐。模具鋼經過真空熱處理后具有良好的表面狀態，其表面不氧化、不脫碳，淬火變形小。而與大氣下的淬火工藝相比，真空淬火后，模具表面硬度比較均勻，而且還略高一點。（1）真空熱處理的特點（2）真空熱處理設備

1）真空退火爐；2）真空淬火爐；3）真空回火爐（3）真空熱處理工藝模具加工9熱處理及表面強化技術9.1.2常用冷作模具鋼熱處理

1．冷作模具的工作條件和對模具材料的性能要求冷作加工是金屬在室溫下進行沖壓、剪斷或形變加工的制造工藝，如冷沖壓、冷鐓鍛、冷擠壓和冷軋加工等。由于各種冷作加工的工作條件不完全相同，因此對冷作模具材料的要求也不完全一致。

2．碳素工具鋼的熱處理要求不太高的小型簡單冷作模具可以采用碳素工具鋼。應用較多的為T8A和Tl0A。Tl0A鋼熱處理后硬而耐磨，但淬火變形收縮明顯；T8A鋼韌性較好，但耐磨性稍差。除了碳元素以外，碳素工具鋼不含有其他合金元素，因此其淬透性較差，常規淬火后硬化層僅有1.5~3mm。碳素工具鋼淬火后得到馬氏體組織，使模具具有高硬度和耐磨性。模具加工9熱處理及表面強化技術3．低合金模具鋼的熱處理冷作模具常用的低合金工具鋼有：CrWMn、9Mn2V、9SiCr、GCrl5等。此類鋼是在碳素工具鋼的基礎上，加入了適量的Cr、W、Mo、V、Mn等合金元素。合金元素總含量低于5%為低合金工具鋼。合金元素的加入提高了鋼的淬透性以及過冷奧氏體的穩定性。

圖9.3CrWMn鋼球化退火工藝規范圖9.49SiCr鋼球化退火工藝規范模具加工9熱處理及表面強化技術4．高合金模具鋼的熱處理

高合金模具鋼有含高鉻和中鉻工具鋼、高速鋼、基體鋼等。此類鋼含有較多的合金元素，具有淬透性好、耐磨性高及淬火變形小等特點，廣泛用作承受負荷大、生產批量大、耐磨性要求高及形狀復雜的模具。（1）高碳高鉻鋼成分特點是高鉻、高碳量，是冷作模具鋼中應用范圍最廣、數量最大的。代表性鋼有Crl2、Crl2MoV、Crl2WCrl2MolVl(D2)等。該類鋼鍛后通常采用球化退火處理，退火后硬度為207~255HB。(2)高速鋼銅或鋁零件冷擠壓時，模具受力不太劇烈，一般可以采用Crl2型模具鋼。但黑色金屬冷擠壓時，受力劇烈，工作條件十分惡劣，對模具提出了更高的要求，因此高速鋼來制造模具。高速鋼熱處理后具有高的硬度和抗壓強度、良好的耐磨性，能滿足苛刻的冷擠壓條件。常用的冷擠壓高速鋼有W6Mo5Cr4V2鋼、Wl8Cr4V鋼、6W6Mo5Cr4V鋼。模具加工9熱處理及表面強化技術

9.1.3熱作模具鋼熱處理

1．熱作模具的工作條件和對模具材料的性能要求熱作模具主要用于熱壓力加工（包括錘模鍛、熱擠壓、熱鐓鍛、精密鍛造、高速鍛造等)和壓力鑄造模具。熱鍛模，承受著較大的沖擊載荷和工作壓力，模具的型腔除產生劇烈的摩擦外，還經常被加熱到較高的高溫與毛坯接觸。

2．錘鍛模具的熱處理常用作錘鍛模的鋼種有5CrNiMo,5CrMnMo,5CrMnSiMoV等。5CrNiMo鋼具有高的淬透性，良好的綜合力學性能，主要用作形狀復雜、沖擊負荷大的較大型鍛模。

3．熱擠壓及壓鑄等模具的熱處理熱擠壓及壓鑄等模具要求模具鋼有較高的高溫性能，如熱強性、熱疲勞、熱熔損、回火抗力及熱穩定性等。模具加工9熱處理及表面強化技術

9.1.4塑料模具鋼熱處理

塑料制品已在工業及日常生活中得到廣泛應用。塑料模具已向精密化、大型化方向發展，對塑料模具鋼的性能要求越來越高。一般要求塑料模具鋼有良好的綜合性能，對模具材料的強度和韌性要求不如冷作和熱作模具高，但對材料的加工工藝性能要求高，如熱處理工藝簡便、變形小或者不變形、預硬狀態的切削加工性能好、鏡面拋光性能和圖案蝕刻性能優良等。塑料模具鋼所要求的基本性能：

1)綜合力學性能

2)切削加工性能

3)鏡面加工性

4)圖案蝕刻性能

5)耐蝕性能同時還應具有良好的預硬化性能、較高的冷壓性能和補焊性能等。塑料模具鋼根據化學成分和使用性能，可以分為：滲碳型、預硬化型、耐蝕型、時效硬化型和冷擠壓成形型等。模具加工9熱處理及表面強化技術

1．滲碳型塑料模具鋼的熱處理受沖擊大的塑料模具零件，要求表面硬而心部韌，通常采用滲碳工藝、碳氮共滲工藝等來達到此目的。常用滲碳型橡塑模具鋼有20、20Cr、l2CrNi2、l2CrNi3、l2Cr2Ni4、20Cr2Ni4鋼等。2．預硬化型塑料模具鋼的熱處理預硬化型塑料模具鋼是指將熱加工的模塊，預先調質處理到一定硬度(一般分為10HRC、20HRC、30HRC、40HRC四個等級)供貨的鋼材，待模具成形后，不需再進行最終熱處理就可直接使用，從而避免由于熱處理而引起的模具變形和開裂，這種鋼稱預硬化鋼。預硬化鋼最適宜制作形狀復雜的大、中型精密塑料模具。常用的預硬型橡塑模具鋼有3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMo(P4410)、8Cr2MnWMoVS、4Cr5MoSiVl、P20SRe、5NiSCa等。

模具加工9熱處理及表面強化技術

3．時效硬化型塑料模具鋼的熱處理對于復雜、精密、高壽命的塑料模具，模具材料在使用狀態必須有高的綜合力學性能，為此，必須采用最終熱處理。但是，采用一般的最終熱處理工藝，往往導致模具的熱處理變形，模具的精度就很難達到要求。而時效硬化型橡塑模具鋼在固溶處理后變軟(一般為28~34HRC)，可進行切削加工，待冷加工成形后進行時效處理，可獲得很高的綜合力學性能。時效熱處理變形很小，而且該類鋼一般具有焊接性能好，可以進行滲氮等優點。適合于制造復雜、精密、高壽命的塑料模具。時效硬化型塑料模具鋼有馬氏體時效硬化鋼和析出（沉淀）硬化鋼兩大類。4．耐腐蝕型塑料模具鋼的熱處理生產對金屬有腐蝕作用的塑料制品時，工作零件采用耐蝕鋼制造。常用鋼種有Crl3型和9Crl8鋼等可強化的馬氏體型不銹鋼。表9.1.4為常用耐腐蝕塑料模具鋼的真空熱處理工藝。模具加工9熱處理及表面強化技術9.2模具的表面化學熱處理化學熱處理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗咬合、抗氧化性等性能。幾乎所有的化學熱處理工藝均可用于模具鋼的表面處理?；瘜W熱處理就是利用化學反應和物理冶金相結合的方法改變金屬材料表面的化學成分和組織結構，從而使材料表面獲得某種性能的工藝過程。9.2.1滲碳滲碳是一種歷史悠久、應用相當廣泛的化學熱處理方法。迄今為止，滲碳或碳氮共滲仍然屬于應用廣泛的表面強化方法，滲碳技術主要用于低碳鋼制造模具零部件的表面強化。中高碳的低合金模具鋼和高合金鋼也可以進行滲碳或碳氮共滲。滲碳是為解決鋼件表面要求高硬度、高耐磨性而心部又要求較高的韌性這一矛盾而發展起來的工藝方法。滲碳工藝按滲碳介質可以分為氣體滲碳、液體滲碳和固體滲碳。1．固體滲碳固體滲碳是在固體滲碳介質中進行的滲碳過程。滲碳劑由兩部分組成：固體炭和催滲劑。固體炭可以是木炭也可以是焦炭，堿金屬或堿金屬的碳酸鹽可用作催滲劑。模具加工9熱處理及表面強化技術1．固體滲碳固體滲碳是在固體滲碳介質中進行的滲碳過程。滲碳劑由兩部分組成：固體炭和催滲劑。固體炭可以是木炭也可以是焦炭，堿金屬或堿金屬的碳酸鹽可用作催滲劑。

典型的固體滲碳工藝規范見圖9.5。

。a)一般滲碳工藝規范b)分級滲碳工藝規范圖9.5典型的固體滲碳工藝規范模具加工9熱處理及表面強化技術

1.固體滲碳

固體滲碳是在固體滲碳介質中進行的滲碳過程。滲碳劑由兩部分組成：固體炭和催滲劑。固體炭可以是木炭也可以是焦炭，堿金屬或堿金屬的碳酸鹽可用作催滲劑。典型的固體滲碳工藝規范見圖9.5。

2.氣體滲碳固體滲碳有很多優點，如可用各種形式的加熱爐、不需要任何控制氣氛、對小批量和大工件比較經濟、不需要特殊緩冷設備等；但有很多不利之處，如工作環境條件差，在要求較淺的滲碳層時不易控制滲碳層深度、碳含量及碳濃度的梯度，需要直接淬火時操作比較困難等。常見的氣體滲碳劑有兩類：一類是碳氫化合物的有機液體，采用滴入法，將液體滲碳劑（如煤油、苯、甲苯、丙酮等）滴入高溫的滲碳爐；另一類是氣體，可直接通入滲碳爐中，有天然氣、丙烷及吸熱式可控氣氛。模具加工9熱處理及表面強化技術

氣體滲碳的主要設備是滲碳爐。氣體滲碳爐可以分為批裝式和連續式兩大類。批裝式爐是把工件成批裝入爐內，滲碳完畢后再成批出爐。連續式爐是把工件依次連續地從爐的一端送入爐中滲碳，而在滲碳完畢后從爐的另一端輸出。氣體滲碳工藝需要根據工件的鋼種、形狀、數量、滲碳層深度、滲碳層內碳的濃度及梯度等要求和現有設備條件來選擇。圖9.6所示為煤油-甲醇滴控氣體滲碳工藝規程。圖9.6煤油-甲醇滴控氣體滲碳工藝規程模具加工9熱處理及表面強化技術9.2.2滲氮滲氮也稱氮化，是在一定溫度下(一般在Ac1以下)將活性氮原子滲入模具表面的化學熱處理工藝。滲氮后模具的變形小，具有比滲碳更高的硬度，可以增加其耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗蝕性及抗高溫軟化性等。滲氮工藝有氣體滲氮、離子滲氮。滲氮工藝有以下特點。

1）氮化物層形成溫度低，一般為480~580℃，由于擴散速度慢，所以工藝時間長；

2）氮化處理溫度低，變形很小

3）滲氮工件不需再進行熱處理，便具有較高表面硬度（≥850HV）。

1．氣體滲氮（1）氣體滲氮工藝參數（2）典型滲氮工藝

2．離子滲氮圖

3．碳氮共滲圖9.745鋼碳氮共滲工藝模具加工9熱處理及表面強化技術

9.2.3滲硼

滲硼是繼滲碳、氮之后發展起來的一項重要、實用的化學熱處理工藝技術，是提高鋼件表面耐磨性的有效方法。工件置于能產生活性硼的介質中，經過加熱、保溫，使硼原子滲入工件表面形成硼化物層的過程稱為滲硼。金屬零件滲硼后，表面形成硼化物(FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2、VB2、CrB2)及碳化硼等硬度極高(1300~2000HV)的化合物，熱穩定好。

1．固體滲硼固體滲硼主要是用粉末或粒狀介質進行滲硼的化學熱處理工藝。

2．液體滲硼液體滲硼包括電解滲硼和鹽浴滲硼。電解滲硼是工件浸入到熔融狀態的硼砂浴中，用石墨或不銹鋼作陽極，以工件為陰級，以0.1~0.5A/cm2的直流電在熔融的硼砂浴中進行電解滲硼。

3．氣體滲硼氣體滲硼法是將工件密封在滲硼罐內，加熱至滲硼溫度(可低至750℃，但滲層極薄；以在950℃為宜)，并以氫氣為載流和稀釋氣體將三氯化硼(BCl3)滲硼劑通入罐內。在通入三氯化硼的滲硼劑之前應先通入氫氣10~l5min，以驅除滲硼罐內的空氣。模具加工9熱處理及表面強化技術9.3模具的其他表面處理技術模具在工作中除了要求基體具有足夠高的強度和韌性的合理配合外，其表面性能對模具的工作性能和使用壽命至關重要。這些表面性能指：耐磨損性能、耐腐蝕性能、摩擦系數、疲勞性能等。這些性能的改善，單純依賴基體材料的改進和提高是非常有限的，也是不經濟的，而通過表面處理技術，往往可以提高模具表面質量，延長模具壽命。

9.3.1激光表面處理技術激光表面處理技術是指一定功率密度的激光束以一定的掃描速度照射到工件的工作面上，在很短時間內，使被處理表面由于吸收激光的能量而急劇升溫，當激光束移開時，被處理表面由基材自身傳導而迅速冷卻，使之發生物理、化學變化，形成具有一定性能的表面層，提高材料表面硬度、強度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等。

模具加工9熱處理及表面強化技術

1．激光相變硬化激光相變硬化也稱為激光淬火，它是以高能量的激光束，快速掃描工件，使工件表層迅速加熱到奧氏體化溫度，內部材料則保持冷態，隨后通過熱量往基體深部的傳導，使加熱的表層以很快的速度冷卻，得到極細的馬氏體組織，達到自身淬火的目的。

2．激光熔凝處理激光熔凝處理是利用比激光淬火更高能量密度(104~106W/cm2)的激光束對金屬表面進行掃描，使金屬表層快速熔化，并造成熔化金屬與基體之間很大的溫度梯度，激光移開后，熔化金屬快速冷卻，所得的組織非常細密。又稱激光上釉。

3．激光涂覆激光涂覆，是采用激光加熱使材料表面層熔化，同時加入另外的材料成分一起熔化后迅速凝固形成新的合金層，在表面涂覆一層具有特殊物理、化學或力學性能的材料。

4．激光合金化激光合金化是在高能束激光作用下，將一種或多種合金元素與基材表面快速熔凝，從而使材料表層具有預定的高合金特性的技術，即利用激光改變金屬及合金表面化學成分的技術。模具加工9熱處理及表面強化技術

9.3.2電火花表面強化電火花加工技術廣泛應用于模具制造、復雜表面形狀的零件加工和難切削材料的加工。電火花表面強化技術是利用電火花強化金屬表面的部位，較其他方法簡單，效果好，因而它在實際生產中得到廣泛的應用。圖9.3.1電火花表面強化工藝的工作原理

電火花強化也存在強化層薄、表面較粗糙、表層均勻性差等不足。因此，在電火花強化之后，為了得到所要求的精度，可進行適當的磨削加工。模具加工9熱處理及表面強化技術9.3.3氣相沉積技術氣相沉積技術是在模具表面上制備硬質化合物涂層，由于其技術上的優越性及涂層的良好特性，因此，他在各種模具、切削工具和精密機械零件等進行表面強化的主要技術，有著廣闊的應用前景。根據沉積的機理不同，氣相沉積可分為化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)和等離子體化學氣相沉積(PCVD)等。它們的共同特點是將具有特殊性能的穩定化合物TiC、TiN.SiN、Cr7C3、Ti(C，N)、(Ti，Al)N、(Ti，Si)N等直接沉積于金屬工件表面，形成一層超硬覆蓋膜，使工件具有高硬度、高耐磨性、高抗蝕性等一系列優異性能。

1．化學氣相沉積

(1)化學氣相沉積的概念及特點化學氣相沉積(CVD)是指在一定的溫度條件下，混合氣體與基體表面相互作用，使混合氣體中的某些成分分解，并在基體表面形成金屬或化合物等的固態膜或鍍層。模具加工9熱處理及表面強化技術

CVD法是將工件置于有氫氣保護的爐內，加熱到高溫(800℃以上)，向爐內通入反應氣體，使之在爐內熱解，化合成新的化合物沉積在工件表面，其覆膜厚度一般為6~10μm。圖9.9化學氣相沉積TiN的設備原理2．物理氣相沉積物理氣相沉積(PVD)技術是指在真空條件下，用物理的方法，將材料汽化成原子、分子或使其電離成離子，并通過氣相過程，在材料或工件表面沉積一層具有某些特殊性能的薄膜技術。模具加工9熱處理及表面強化技術（1）物理氣相沉積技術的工藝過程物理氣相沉積技術所有方法的工藝過程均可以分為三步：第一步是成膜材料的汽化，即成膜材料的蒸發、升華、被濺射、分解，也就是成膜材料的源；第二步為成膜原子、分子或離子從源到基片的遷移過程，在這一過程中粒子間可能發生碰撞，產生離化、復合、反應、能量的變化和運動方向的改變等一系列復雜過程；第三步是成膜原子在基片表面的吸附、堆集、形核和長大成膜。（2）真空蒸鍍

真空蒸鍍是在真空條件下，加熱成膜材料，使其蒸發汽化成原子或分子，并沉積到工件表面形成薄膜的方法。（3）濺射鍍膜

濺射鍍膜是在一定的真空條件下，采用輝光放電技術，將氬氣電離產生氬離子，氬離子在電場力的作用下加速轟擊陰極，使陰極材料被濺射下來沉積到工件表面