模具鋼的表面強(qiáng)化技術(shù)、改善模具的綜合性能進(jìn)行分析

為了提高模具的使用壽命，不僅需要高質(zhì)量、性能好的模具材料，還應(yīng)該采取合理的熱處理工藝來提高它的使用性能，但常規(guī)的總體淬火已很難滿足模具高的表面耐磨性和基體的強(qiáng)韌性要求。表面強(qiáng)化技術(shù)不僅能提高模具表面的耐磨性及其他性能，而且能使基體保持足夠的強(qiáng)韌性。這對改善模具的綜合性能，節(jié)約合金元素，大幅度降低成本，充分發(fā)揮材料的潛力，以及更好地利用新材料，都是十分有效的。

根據(jù)生產(chǎn)實踐表明，表面強(qiáng)化技能是提高模具質(zhì)量和延長模具使用壽命的重要措施。常用的表面強(qiáng)化技術(shù)有以下幾種：
⒈化學(xué)熱處理
化學(xué)熱處理是將模具加熱到一定溫度與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其表面按需要滲入一定量的其他元素，從而改善其表層的化學(xué)成分、組織與性能、從而有效地提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗氧化和抗咬合等性能，使模具的壽命有顯著的提高。幾乎所有的化學(xué)熱處理工藝均可用于模具熱處理。
⑴、滲碳和滲氮共滲
滲碳是目前機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理方法。其工藝特點是將低高碳的低合金模具鋼和中高碳的高合金模具鋼在增碳的活性介質(zhì)中（滲碳劑）加熱到900~930℃使碳原子滲入模具表面層，繼之以淬火并低溫回火，使模具的表層和心部具有不同的成分、組織和性能。滲碳又分為固體滲碳、液態(tài)滲碳、氣體滲碳。近期又發(fā)展到可控氣氛滲碳、真空滲碳、苯離子滲碳等。
滲氮共滲是模具零件表層同時滲入碳氮的熱處理過程。
3Cr2W8V鋼壓鑄模具，先滲碳再經(jīng)1150℃淬火，550℃回火兩次，表面硬度可達(dá)58~61HRC,使用壽命可提高1.8~3倍。6CrW3Mo2VNb等基體鋼有高的強(qiáng)韌性，但其表面的耐磨性常常較差，用這類鋼制造的模具進(jìn)行滲碳或滲氮共滲，可顯著提高其使用壽命。
⑵、滲氮或氮碳共滲
將氮滲 入鋼表面的過程稱為鋼的氮化。氮化能使模具零件獲得比滲碳更高的表面硬度、耐磨性能、疲勞性能、紅硬性和耐蝕性能。因為氮化溫度較低（500~570℃），氮化后模具零件變形較小。
滲氮方法有固體滲氮、液態(tài)滲氮、氣體滲氮。目前正在廣泛應(yīng)用離子滲氮、真空滲氮、電解催滲滲氮、高頻滲氮等新技術(shù)，縮短了滲氮時間，并可獲得高質(zhì)量的滲氮層。
滲碳共滲是在含有活性碳、氮原子的介質(zhì)中同時滲入氮和碳，并以滲氮為主的低溫氮碳共滲工藝（530~580℃），滲碳共滲的滲層脆性小，共滲時間比滲氮時間大為縮短。壓鑄模、熱擠壓模經(jīng)氮碳共滲后，可顯著提高其熱疲勞性能。
生產(chǎn)實踐證明，經(jīng)過滲氮和氮碳共滲的合金鋼模具其使用壽命，均有較大幅度提高。
⑶、氧氮共滲、硫氮共滲、硫氮碳共滲、稀土催滲和多元共滲
在氣體滲氮的同時，通入含氧介質(zhì)（一般是空氣，體積分?jǐn)?shù)在5%以下），可實現(xiàn)模具鋼的氧氮共滲，其兼有滲氮和蒸汽處理的結(jié)果。由于氧降低了氫分壓，提高了氮原子活性，加快了滲入速度，因此氧氮共滲的化合物層和擴(kuò)散層的厚度要比相應(yīng)的酒精-氨作滲劑的氮碳共滲層要厚，特別是化合物層要厚50%~100%，而且沒有脆性，模具氧氮共滲后，其使用壽命比氮碳共滲有大幅度提高。氧氮共滲溫度為540~590℃，保溫時間1~3h。
氣體硫氮共滲是在滲氮爐內(nèi)進(jìn)行，滲劑為氨（體積分?jǐn)?shù)為30%~50%）和硫化氫（體積分?jǐn)?shù)為0.02%）。氣體硫氮碳共滲則采用通氨滴硫脈熔液，共滲溫度一般為540~570℃，共滲時間為1~3h。硫能與鐵形成化合物FeS和FeS2，覆蓋在表層，可以降低摩擦因數(shù)，有效地提高表面抗咬合和抗擦傷的能力。此工藝在模具上使用后，模具使用壽命有明顯提高。近年來已發(fā)展了氧、硫、硼、氮、碳五元共滲工藝，五元共滲后，能在模具表面形成碳化物、硫化物、氧化物、硼化物和氮化物，使模具表層的硬度明顯提高，擴(kuò)散層中則滲入了氮和碳，硬度也有所提高，模具的使用壽命能大幅度提高。
許多單位的生產(chǎn)實踐表明，在化學(xué)熱處理加入少量稀土元素，有較明顯的催滲效果，加速：[C]、[N]、[B]等活性輕原子的產(chǎn)生，可改變工件表面化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)，改善材料性能，提高滲劑的使用，從而發(fā)展了稀土氮共滲、稀土氮碳共滲等新工藝。減少了滲氮和氮碳共滲時間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了模具使用壽命。
⑷、滲硼和滲金屬
滲硼是模具制造行業(yè)常用的一種高溫化學(xué)熱處理工藝。按所用介質(zhì)的物理狀態(tài)，滲硼可分為固體滲硼、液體滲硼、氣體滲硼、膏劑滲硼和電解滲硼等。固體滲硼的溫度為800~950℃，保溫時間2~6h，硼化物層的厚度為0.10~0.20mm，固體滲硼后表層的硬度高達(dá)1400~2800HV，優(yōu)點是設(shè)備簡單、操作方便、工件表面易清洗，因而應(yīng)用廣泛。滲硼層較脆、擴(kuò)散層較薄，對滲層的支撐力強(qiáng)，為此，可采用硼氮共滲，或硼碳氮共滲，以加強(qiáng)過渡區(qū)，使其硬度變化平緩。稀土元素可明顯提高滲硼速度，使?jié)B層均勻致密，提高其與基體間的結(jié)合力。滲硼后的零件可進(jìn)行滲硼后的熱處理以求滲層與基體性能的合理配合。
滲硼熱處理工藝常應(yīng)用與各種冷作模具上，由于耐磨性的提高，模具的使用壽命可提高數(shù)倍或十余倍。采用中碳鋼滲硼有時可取代高合金鋼制作模具。滲硼也可應(yīng)用于熱作模具，如熱擠壓模等。
隨著工業(yè)的發(fā)展，對鋼材的性能提出了更多的特殊要求。采用滲金屬的化學(xué)熱處理方法，可使模具的表面獲得特殊性能，以滿足使用要求。滲金屬包括滲鉻、滲釩、滲鈮、滲鈦等工藝均可應(yīng)用于處理冷作模具和熱作模具。熔鹽滲金屬法（熔鹽碳化物覆層工藝和TD法），可在鋼的表面獲得一系列高硬度碳化物，滲層硬度高達(dá)1800~3200HV，可使模具的使用壽命提高幾倍乃至十幾倍。
⒉高能束表面強(qiáng)化技術(shù)
以極大密度的能量瞬時供給模具表面，使其發(fā)生相變硬化、熔化快速凝固和表面合金化效果的熱處理稱高能束表面強(qiáng)化技術(shù)（也稱高密度表面強(qiáng)化），其熱源通常是指激光、電子束、離子束等。
其共同特點：加熱速度快、工件變形小、不需冷卻介質(zhì)，可控性能好、便于實現(xiàn)自動化處理。國內(nèi)常采用激光表面相變硬化、小尺寸電子束和中等功率的離子注入來提高模具的表面硬度，并取得較好的效果。
⒊模具表面氣相沉積強(qiáng)化
氣相沉積按形式的基本原理，可分為化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。氣相沉積在模具表面覆蓋一層厚度為0.5~10μm的過度族元素（Ti、V、Cr、W、Nb等）的碳、氮、氧、硼化合物或單一的金屬及非金屬涂層。
氣相沉積層具有很高的硬度、低的摩擦因數(shù)和自潤滑性能，抗磨粒磨損性能良好，并有很強(qiáng)的抗蝕能力和良好的抗大氣氧化能力，是一種很有前途的新型模具表面強(qiáng)化技術(shù)。
CVD是采用化學(xué)成分使方法使反應(yīng)氣體在模具基材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成覆蓋層的方法，可獲得超硬內(nèi)磨鍍層，是提高模具使用壽命的有效途徑。
將金屬、合金或化合物放在真空室中蒸發(fā)（或稱濺射），使這些氣相原子或分支在一定條件下在模具表面上沉淀的工藝稱物理氣相沉積（簡稱PVD）。物理氣相沉積可分為真空蒸鍍、陰極濺射鍍和離子鍍?nèi)?，具有處理溫度低、沉積速度快、無公害等特點，十分適合模具的表面強(qiáng)化，可大大提高模具的使用壽命。