模具的强韧化及表面强化处理工艺

随着工业自动化程度的提高，用模具成型的产品愈来愈多。目前在我国的许多企业中，模具的使用寿命还比较低，仅相当于国外的1/3或1/5。据统计，由于模具寿命低而造成浪费，以及对产品质量影响所带来的损失，每年达数十亿人民币。实践证明，在模具设计和制造过程中，若能选用恰当的钢材，确定合理的热处理工艺，妥善安排工艺路线，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。今后对模具的要求更严格，为了使之寿命更长，对强韧化处理、表面处理的期待将愈来愈高。
　　模具使用寿命与许多因素有关，各种因素在模具失效中所占比例是：
　　热处理占52.2%；
　　原材料占17.8%；
　　使用占10%； 
　　机械、电加工占8.9%；
　　锻造占7.8%；
　　设计占3.3%。 
　　实际使用表明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起失效居首位。
　　一、模具强韧化工艺
　　鉴于模具苛刻的工作环境，为提高模具使用寿命，我们要求模具具有优良的整体强韧化性能。此外，还要求模具具有优异的型腔表面性能，在这种情况下出现了对模具整体强韧化的基础上再对其表面进行强化的各种处理。
　　我们知道，在一般工艺条件下，往往强度与韧性之间存在着制约关系，材料强度增加，通常总伴随着材料韧性的降低。要求高强度的同时，又要求材料有较高的韧性，常常是很困难的。但是采取强韧化处理的措施，却能使钢的强度和韧性都能得到提高。多次冲击抗力的理论认为在同一强度水平下，随着冲击韧性增加，多次冲击抗力提高，也就是破断次数N增加；强度水平越高，冲韧性对多次冲击抗力所起的作用就越大。因此，在含碳量较高的模具钢中，采用强韧化处理，在保证模具主强度的条件下，适当提高冲击韧性，使强度和韧性得到最佳配合，必然有利于进一步提高多次冲击抗力。
　　强韧化处理多种多样，但归结起来却基本上都是通过下列途径来取得强韧化效果的：充分利用板条马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢的奥氏体晶粒和过剩碳化物，获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织；形变热处理。
　　1、热作模具钢高温淬火和高温回火：热作模具钢5CrMnMo采用850℃淬火，淬火时马氏体形态以片状为主，如把淬火温度提高到900℃，使奥氏体充分均匀化，消除富碳微区，淬火后可得板条状马氏体，从而提高了钢的回火稳定性，冲击韧性和断裂韧性，可延长模具寿命。
　　2、高温快速短时加热：于高碳钢模具在快速加热条件下，奥氏体化不均匀，组织中保留未溶碳化物，奥氏体晶粒细小，并使奥氏体中固溶碳和合金元素量减少，提高了Ms点，有利于板条马氏体的形成，短时加热溶于奥体中的碳量可减少到0.6%以下，阻上了富碳区的形成，减少了片状马氏体量，提高了韧性，可使模具得到较高强韧性。
　　3、高碳高合金钢的低温淬火：采用低温淬火时，奥氏体中碳和合金元素溶解度减少，Ms点提高，可获得较多的板条状马氏体，且奥氏体晶粒细小，在保证高硬度前提下具有较好韧性和强度，提高多冲抗力，从而有效提高了模具寿命。
　　4、形变热处理是把钢的强化与相变强化结合起来的一种强韧化工艺。形变热处理的强韧化本质在于获得细小的奥氏体晶粒、细化马氏体增加了马氏体中位错密度，并形成胞状亚结构，同时促进碳化物的弥散硬化作用。
　　二、模具表面强化处理工艺
　　模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼法、TD法、PVD法、饺硬铬法、激光表面强化法、堆焊法等离子喷涂法等等。
　　1、气体氮化时，氨在氮化温度分解后产生活性氮原子为金属表面吸收渗入钢中，并且不断自表面向内扩散，形成氮化层，经氮化处理后，表面硬度可达HV950-1200，并能使模具具有很高的红硬性和高的疲劳强度，并提高了模具表面光洁度和抗咬合能力。
　　2、离子氮化法是将待处理的模具放在真空容器中，充以一定的压力的含氮气体然后以被处理模具作阴极，以真空容器的罩壁作为阳极，在阴阳极之间加上400-600伏的直流电压，阴阳极间便产生辉光放电，容器里的气体被电离，在空间产生大量的电子与离子。在电场的作用下，正离子冲向阴极，以很高速度轰击模具表面，将模具加热。高能正离子冲入模具表面，获得电子，变成氮原子被模具表面吸收，并向内扩散形成氮化层，离子氮化可提高模具耐磨性和疲劳强度。
　　3、电火花表面强化是直接利用电能的高能量密度对表面进行强化处理的工艺。它是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料溶渗进金属工作的表层，从而形成合金化的表面强化层，使工作表面的物理、化学性能和机械性能得到改善。例如采用WC、Tic等硬质合金电极材料强化高速钢或合金工具钢强化表面，能形成硬度在HV1100以上的耐磨、耐蚀和具有红硬性的强化层，使模具的使用寿命明显地得到提高，电火花表面强化的优点是设备简单、操作方便、耐磨性提高显著，缺点是强化表面粗糙，强化层厚度较薄，效率较低。
　　4、参硼能显著提高模具表面硬度(HV1300-2000)和耐磨性，渗硼层还具有良好的红硬性、耐磨性、可广泛用于模具表面强化，尤其适合在磨粒磨损条件下的模具，但渗硼层往往存在着较大的脆性，困扰着它的应用。
　　5、TD法(托氏沉积法)是在空气炉或盐槽中放入一个耐热钢制的坩埚，将硼砂放入坩埚加热至800-1200℃，然后放入相应的碳化物形成粉末，如钛、钡、铌、铬，再将钢或硬质合金工件放入坩埚中浸渍一定的时间，加入元素就会扩散至工作表面并与钢中的碳起反应形成碳化物层，TD法所得的碳化物层具有很高的硬度和耐磨性。
　　6、CVD法(化学气相沉积法)是将模具放在氢气(或其它气体)保护气氛中加热至900-1200度后，以此气体为载气，把低温气化挥发金属的化合物气体，如四氯化钛(TiCl4)和甲钵(或其它碳氢化合物)蒸气带入炉中，如使TiCI4中的钛和碳氢化合物中的碳(以及钢表面的碳分)在模具表面进行化学反应，从而生成一层所需金属化合物涂层(如碳化钛)。
　　7、PVD法(物理气相沉积法)是在真空室中，把强化用的金属原子蒸发，或通过荷能粒子的轰击，在一个电流偏压的作用下，将其吸引并沉积到工作表面形成强化层。利用PVD法可在工作表面沉积碳化钛、氮化钛、氧化铝等多种化合物。
　　8、激光表面强化法经过黑化处理的模具表面，经激光加热后，可靠工件自身冷却淬硬，其冷速远比常规淬火介质中的冷速大。激光表面处理具有淬硬层深度可控，不需回火，硬度可提高15-20%，淬火组织细小，耐磨性高、节能效果显著，可改善工作条件等优点。