五模具表面钢的热处理.docx
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五模具表面钢的热处理
五、模具表面强化技术
现代模具的要求:
“三高”
——高精度、高效率、高寿命。
模具主要的失效形式:
磨损和疲劳。
提高寿命的根本措施:
①提高模具的冲击韧性;
②提高模具表面的耐磨性。
(一)模具表面的耐磨技术
-----表面强化技术
1、表面改性技术分类
1)表面喷丸强化。
2)表面相变强化:
(1)表面淬火;
(2)表面溶扩处理:
①渗C、N、B;
②渗V、Cr、Ti;
③复合渗技术。
3)离子注入:
N+、N++Ag+。
2.涂镀技术
1)电火花强化覆层。
2)电镀层:
①镀硬质合金或合金;
②化学镀层(Ni+P合金);
③弥散镀层(如镀Ni+SiC)。
3)热喷涂层:
火焰、电弧、等离子、气体爆炸等。
4)涂覆层:
防锈剂,润滑济。
3、薄膜技术
1)化学气相沉积
(1)TiC化学气相沉积装置组成:
(2)TiC沉积工艺过程:
A、将模具7置于氢气保护下,加热至1000~1500℃;
B、然后以氢气1作载流气体把四氯化钛5和甲烷10气体带入炉内反应室9中;
C、使TiCl4中钛与甲烷中的碳(以及钢件表面的碳)化合,形成碳化钛TiC;
D、反应的副产物则被气流带出室外。
其沉积反应如下:
(3)CVD特点与应用范围:
●基本与涂层结合力强,但变形大和需作热处理。
●作为表面保护,它可用于制取多种耐磨、耐蚀、耐热、耐火及装饰镀层。
(4)应用效果
2)物理气相沉积(PVD)
(1)定义
将金属、合金或化合物放在真空空中蒸发(或称溅射),使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺。
(2)分类:
真空蒸镀、阴极溅射和离子镀三类。
(3)特点(与CVD法相比)
A、优点:
处理温度较低,无需热处理;沉积速度较快、无公害等,因而有很高的实用价值。
B、不足:
沉积层与工件的结合力较小,镀层的均匀性稍差。
此外它的设备造价高,操作维护的技术要求也较高。
(4)真空蒸镀
A、定义
在高真空中使金属、合金或化合物蒸发,然后凝聚在基体表面上的方法。
B、应用
目前,真空蒸镀的方法和设备已有多种,不仅用于电气、电子设备,还广泛用于无公害的表面处理。
C、真空蒸镀原理
蒸发用热源:
电阻加热源、电子束加热源、高频感应加热源、激光、离子。
蒸镀过程:
①首先对真空装置及被镀零件(如模具)进行处理,去掉污物、尘埃、油迹等;
②把清洗过的零件装入镀槽支架上;
③补足蒸发物质(如TiC);
④抽真空,先用回转泵油至13.3Pa,再用扩散泵抽至133×10-6Pa;
⑤在高真空下对零件加热,加热的目的是去除水分(150-200℃)和增加结合力(300~400℃);
⑥对蒸镀物通电加热。
先输入较低的功率使蒸发物脱水、脱气之后,增大到蒸镀所需要的功率,打开蒸发源上部的盖板,蒸镀即开始,膜厚可根据蒸发源的功率大小及时间长短确定,但多用膜厚监测器控制。
达到厚度后,关闭盖板并停电;
⑦停镀后不要马上放入空气,需在真空条件下放置15~30min,使之冷却到100℃左右,以防镀层的蒸发源氧化损坏;
⑧关闭真空阀,导入空气,取出锻件。
D、真空蒸镀的主要缺点
(1)膜-基结合力弱,镀膜不耐磨,并有方向性;
(2)但设备简单工艺操作容易,可镀材料广,镀膜纯洁,广泛用于光学、电子器件和塑料制品的表面处理。
(5)阴极溅射
A、定义
用离子轰击某一靶材(阴极),使靶材表面原子以一定能量逸出,然后在工件(模具)表面沉积的过程。
B、阴极溅射系统
C、过程
(1)用沉积的材料(如TiC)作阴极靶,并接1~3kV的直流负高压;
(2)在真空室内通入压力为13.3-0.133Pa的氩气作为工作气体;
(3)在电场的作用下,氩气电离后产生的氩离子轰击阴极靶面;
(4)溅射出的靶材原子或分子以一定的速度落在工件表面产生沉积;
(5)使工件受热,工件的温度可达500℃左右。
D、特点
溅射下来的材料原子具有10~35eV的动能,比蒸镀时的原子动能大得多,因而溅射膜的附着力也比蒸镀膜大。
E、应用
离子轰击所产生的投射作用可用于任何类型的材料,难熔材料W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能像那些低熔点材料一样容易被沉积。
(二)表面处理的目的
----在模具表面形成一层强化层或润滑层
1、强化层
应具有比基体更高的强度,并与基体牢固结合,不易脱落。
2、润滑层
使模具材料与炽热工件相互隔开,减小摩擦系数。
(三)表面强化技术与模具寿命
1、喷丸强化
1)作用:
(1)冷作强化;
(2)改善表面粗糙度;
(3)去除电火花加工后的变质层(白亮层);
(4)表面产生高的压应力,细晶强化。
2)应用:
落料模、冷冲模、冷镦模、热锻模等以疲劳失效形成为主的模具。
3)喷丸模具的寿命
例1、电动机定、转子模(Cr12):
①喷丸前:
1.2~3.3万次;
②φ0.5mm铸钢丸喷丸:
11万次(一次刃磨使用寿命)。
例2、定子单槽冲模(Cr12):
①喷前:
52万次;
②φ0.25~0.35玻璃丸喷后:
70万次/刃。
例3、活动板热精压模(3Cr2W8V):
①喷丸前:
0.175万次;
②φ0.5铸钢丸喷后:
0.263万次;
③φ0.25~0.35玻璃丸喷后:
0.517万次。
2.表面扩渗处理
1)目的
提高表面的耐磨性,抗咬合性,疲劳强度等。
2)工艺
C、N、C+N、C+N+B、S+N+C、Cr、V、Ti等扩渗。
例如、稀土表面强化:
①提高渗速(催渗作用);
②强化表面;
③净化表面。
3)对模具寿命的影响
(1)渗硼模具
例1、冷镦M16六方螺母凹模(Cr12MoV)
①淬火+低温回火:
0.3~0.5万件;
②渗硼+淬火+低温回火:
5.0~6.0万件。
例2、汽车轮胎热压冲模(3Cr2W8V)
①淬火+高温回火:
0.1万件;
②渗硼+淬火+高温回火:
0.42万件。
例3、釉油砖模板(Cr12MoV)
①淬火+低温回火:
6~7个班;
②45:
渗硼:
28个班。
例4、运输机连接环锤锻模(5CrMnMo)
①淬火+高温回火:
400~1200件;
②固体渗硼+淬火:
2500~4000件。
(2)渗金属
例1、螺母拉深模(Cr12MoV)
①淬火+低温回火:
0.1~0.2万件;
②淬火+低温回火+渗矾:
1.0万件。
例2、纪念币(Cr12MoV)
①淬火+低温回火:
3.0万件;
②淬火+低温回火+渗矾:
7.0万件。
例3、65Nb孔用档圈凸凹模:
常规:
1.0万件;
盐溶渗矾:
8.0万件。
例4、拉深凹模(Cr12MoV):
常规:
20~30件/刃磨;
渗矾:
7130件/刃磨。
3.离子注入
1)目的
①形成多种极其弥散的硬质化合物;
②细晶强化;
③固溶强化;
④保证模具精度。
①②③可有效提高模具表面硬度和耐磨性。
2)对寿命的影响
例1、铜拉丝模(WC-6%Co)
注入N离子后,延寿4~6倍。
例2、环形冲压模(工具钢):
注入N离子,寿命提高10倍。
例3、注塑模(WC-6%Co):
注入N离子,延寿5~8倍。
例4、硅钢片冲头(WC-6%Co):
注入N离子,延寿6倍。
例5、塑料挤压模(P-20工具钢):
注向N离子,延寿2倍。
4.电火花强化覆层
1)目的
①将硬质导电材料溶渗到工件表面,构成合金化表面强化层。
②大大提高了模具表面的耐热性,耐蚀性,红硬性,耐磨性;
③但强化层薄,表面较粗糙,涂层均匀性差等缺点。
2)对模具寿命的影响
例1、冲压硅钢片(0.35~4mm厚)的落料模,电火花强化后,延寿2~3倍。
例2、电火花溶渗处理后的前轮壳锻模,寿命提高20%左右。
5.电镀层(镀铬层)
1)特性
耐磨、减摩、耐热、耐腐蚀、摩擦系数低、防咬合、便于脱模、表面光亮等特点;但与钢的结合强度有限,热膨胀系数差异大。
2)应用
非金属材料成形型腔模的表面硬化,不适合用于受急冷急热的热作模。
6.热喷涂层
1)特点:
耐磨,耐蚀,减摩,抗咬合等。
2)应用
适合大型模具,严重磨损条件的模具,具广泛修补模具。
例1、冷拨无缝钢管内模:
①原工艺:
45渗碳+镀铬,寿命为冷拨20~40根;
②现工艺:
火焰的喷涂镍基耐磨涂层,可冷拨250根。
例2、玻璃模具(灰口铸铁)
经热喷涂镍基自熔合金,寿命提高5倍以上。
7.薄膜技术
1)化学气相沉积(CVD)特点:
①可沉积各种材料;
②有较好的覆盖性;
③但沉积温度高800~1200℃。
2)物理气相沉积(PVD)特点:
①沉积温度低(200~400℃);
②沉积速度高达4~50m/h(CVD为1~2m/h)。
3)对模具寿命的影响(TiC、TiN)
例1、Cr12MoV钢落料模,拉沉模,弯曲模,冲孔模等:
采用PVDorCVD沉积TiC,模具寿命提高3倍以上。
例2、高速钢冷作模具:
沉积TiC和TiN后,使用寿命提高6~10倍。
例3、65Nb和LM2钢制电池冲模:
采用PVD沉积TiN,模具寿命由6~10万件提高到22万件以上。
总之,采用表面强化处理的方法合理,模具使用寿命可提高几倍甚至数十倍。
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