模具的強(qiáng)韌化和表面處理工藝

模具的強(qiáng)韌化和表面處理工藝

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，用模具成型的產(chǎn)品愈來(lái)愈多。目前在我國(guó)的許多企業(yè)中，模具的使用壽命還比較低，僅相當(dāng)于國(guó)外的1/3-1/5。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于模具壽命低而造成的鋼材工時(shí)和能源浪費(fèi)，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響所帶來(lái)的損失，每年達(dá)數(shù)十億人民幣。

實(shí)踐證明，在模具設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，若能選用恰當(dāng)?shù)匿摬?，確定合理的熱處理工藝，妥善安排工藝路線，

對(duì)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(zhì)量和使

用壽命都將起到重大的作用。今后對(duì)模具的要求更嚴(yán)格，為了使之壽命更長(zhǎng)，對(duì)強(qiáng)韌化處理

、表面處理的期待將愈來(lái)愈高。

模具使用壽命與許多因素有關(guān)，各種因素在模具失效中所占比例是：

熱處理占52.2%；

原材料占17.8%；

使用占10%；

機(jī)械、電加工占8.9%；

鍛造占7.8%；

設(shè)計(jì)占3.3%。

實(shí)際使用表明，在模具的全部失效中，由于熱處理不當(dāng)所引起失效居首位。

一、模具強(qiáng)韌化工藝

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(qiáng)韌化性能。此外，還要求模具具有優(yōu)異的型腔表面性能，在這種情況下出現(xiàn)了對(duì)模具整體

強(qiáng)韌化的基礎(chǔ)上再對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化的各種處理。

我們知道，在一般工藝條件下，往往強(qiáng)度與韌性之間存在著制約關(guān)系，材料強(qiáng)度增加，通常

總伴隨著材料韌性的降低

。要求高強(qiáng)度的同時(shí)，又要求材料有較高的韌性，常常是很困難

的。但是采取強(qiáng)韌化處理的措施，卻能使鋼的強(qiáng)度和韌性都能得到提高。多次沖擊抗力的理

論認(rèn)為在同一強(qiáng)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(qiáng)度水平越高，沖韌性對(duì)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(qiáng)韌化處理，在保證模具主強(qiáng)度的條件下，適當(dāng)提高沖擊韌性，使強(qiáng)度和韌性得到

最佳配合，必然有利于進(jìn)一步提高多次沖擊抗力。

強(qiáng)韌化處理多種多樣

，但歸結(jié)起來(lái)卻基本上都是通過(guò)下列途徑來(lái)取得強(qiáng)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(xì)化鋼的奧氏體晶粒和過(guò)剩碳化

物，獲得馬氏體與具有良好塑性的第二相的復(fù)合組織；形變熱處理。

1、熱作模具鋼高溫淬火和高溫回火：熱作模具鋼5CrMnMo采用850度加淬火，淬火時(shí)馬氏體

形態(tài)以片狀為主，如把淬火溫度提高到900度，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大大延長(zhǎng)模具壽

命。

2、高溫快速短時(shí)淬火：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(xì)小，并使奧氏體中固溶碳和合金元素量減少，提高了Ms點(diǎn)，有利于

板條馬氏體的形成，短時(shí)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(qiáng)韌性。

3、高碳高合金鋼的低溫淬火：采用低溫淬火時(shí)，奧氏體中碳和合金元素溶解度減少，Ms點(diǎn)

提高，可獲得較多的板條狀馬氏體，且?jiàn)W氏體晶粒細(xì)小，在保證高硬度前提下韌性強(qiáng)度，多

沖抗力都有提高，從而有效提高了模具壽命。

4、形變熱處理是把鋼的強(qiáng)化與相變強(qiáng)化結(jié)合起來(lái)的一種強(qiáng)韌化工藝。形變熱處理的強(qiáng)韌化

本質(zhì)在于獲得細(xì)小的奧氏體晶粒、細(xì)化馬氏體增加了馬氏體中位錯(cuò)密度，并形成胞狀亞結(jié)構(gòu)

，同時(shí)促進(jìn)碳化物的彌散硬化作用。

二、模具表面處理工藝

模具表面處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、電火花表面強(qiáng)化法、滲硼法

、TD法、PVD法、餃硬鉻法、激光表面強(qiáng)化法、堆焊法等離子噴涂法等等。

1、氣體氮化時(shí)，氮在氮化溫度分解后產(chǎn)生活性氮原子(2NH33H2+2［N］)為金屬表面

吸收滲入鋼中，并且不斷自表面向內(nèi)擴(kuò)散，形成氮化層，經(jīng)氮化處理后，表面硬度可達(dá)HV95

0-1200，并能使模具具有很高的紅硬性和高的疲勞強(qiáng)度，并提高了模具表面光潔度和抗咬合

能力。

2、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?dú)怏w(如氮或氮、氫混合氣)然后以被處理模具作陰極，以真空容器的罩壁作為

陽(yáng)極，在陰陽(yáng)極之間加上400-600伏的直流電壓，陰陽(yáng)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(chǎng)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(nèi)擴(kuò)散形成氮化層，離子氮化可提高模具耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

3、電火花表面強(qiáng)化是直接利用電能的高能量密度對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化處理的工藝。它是通過(guò)火

花放電的作用，

把作為電極的導(dǎo)電材料溶滲進(jìn)金屬工作的表層，從而形成合金化的表面強(qiáng)

化層，使工作表面的物理、化學(xué)

性能和機(jī)械性能得到改善

。例如采用WC、Tic等硬質(zhì)合金電極材料強(qiáng)化高速鋼或合金工具鋼強(qiáng)化表面，能形成顯微鏡

硬度HV1100以上的耐磨、耐蝕和具有紅硬性的強(qiáng)化層，使模具的使用壽命明顯地得到提高，

電火花表面強(qiáng)化的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、耐磨性提高顯著，缺點(diǎn)是強(qiáng)化表面粗糙，強(qiáng)

化層厚度較薄，效率較低。

4、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(qiáng)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，因擾著它的應(yīng)用。

5、TD法(托氏沉積法)是在空氣爐或鹽槽中放入一個(gè)耐熱鋼制的坩堝，將硼砂放入坩堝加熱

至800-1200度，然后放入相應(yīng)的碳化物形成粉末，如鈦、鋇、鈮、鉻，再將鋼或硬質(zhì)合金工

件放入坩堝中浸漬一定的時(shí)間，加入元素就會(huì)擴(kuò)散至工作表面并與鋼中的碳起反應(yīng)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。

6、CVD法(化學(xué)氣相沉積法)是將模具放在氫氣(或其它氣體)保護(hù)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(TiCI4)和甲缽(或其它

碳?xì)浠衔?蒸氣帶入爐中，如使TiCI4中的鈦和碳?xì)浠衔镏械奶?以及鋼表面的碳分)在

模具表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而生成一層所需金屬化合物涂層(如碳化鈦)。

7、PVD法(物理氣相沉積法)是在真空室中，把強(qiáng)化用的金屬原子蒸發(fā)，或通過(guò)荷能粒子的轟

擊，在一個(gè)電流偏壓的作用下，將其吸引并沉積到工作表面形成強(qiáng)化層。利用PVD法可在工

作表面沉積碳化鈦、氮化鈦、