模具材料的表面处理论 本文关键词：表面处理，模具，材料
模具材料的表面处理论 本文简介：模具材料及几种表面处理技术的介绍华东交通大学摘要：模具的失效一般由表面开始，因此模具表面的性能的优劣直接影响到模具的使用寿命。采用不同的表面处理技术，可提高模具的表面性能，使模具拥有耐磨耐蚀的表面使模具的寿命提高几倍甚至是几十倍。模具材料及其加工工艺的选择必须与表面强化技术结合起来全面考虑，才能充分
模具材料的表面处理论 本文内容：
模具材料及几种表面处理技术的介绍
华东交通大学
摘
要：模具的失效一般由表面开始，因此模具表面的性能的优劣直接影响到模具的使用寿命。采用不同的表面处理技术，可提高模具的表面性能，使模具拥有耐磨耐蚀的表面使模具的寿命提高几倍甚至是几十倍。模具材料及其加工工艺的选择必须与表面强化技术结合起来全面考虑，才能充分发挥模具材料的潜能，提高模具的使用寿命，获得最好的经济效益。
关键词：模具材料
表面处理
MOLD
MATERIALS
AND
INTRODUCTION
OF
SEVERAL
SURFACE
TREATMENT
TECHNOLOGIES
LI
WEI
East
China
JiaoTong
university
Abstract
The
failure
of
mold
always
starts
from
the
surface,so
the
performance
of
the
mold
surface
directly
influences
the
employ
life
of
the
mold.
The
application
of
different
surface
treatment
technologies
can
improve
its
surface
performance,can
possess
it
with
high
wear
and
corrosion
resistance
and
increase
the
service
lives
of
the
mold
by
several
times
or
even
dozens
of
times.
The
selection
of
mold
material
and
the
strengthening
technical.
So,it
can
give
full
play
to
the
potential
of
these
mold
materials
and
improve
the
service
live
of
the
mold,therefore,it
can
achieve
better
economic
benefits.
Key
words:
mold
material,surface
treatment
在模具设计与制造中，合理选择模具材料，正确地应用热处理工艺和表面处理技术，对模具的使用寿命、精度及表面质量起着重要的甚至决定性的作用。因此根据模具材料的特点选择合理的模具结构以及采取相应的维护措施就显得十分重要了。只有认真做好这方面的工作，才能有效地稳定和提高模具的使用寿命，防止模具的早期失效，降低生产成本，提高劳动生产率。
1
模具材料
1.1
模具材料的分类
模具材料的分类方法有很多，这里根据模具的用途不同分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。
冷作模具钢主要用于制作在冷状态（室温）条件下进行压制成型的模具，如冷冲压模具、冷拉伸模具、冷镦模具、冷挤压模具及压印模具等。冷作模具钢材料应用量大，应用面广，其主要性能要求有强度、硬度、韧性和耐磨性。冷作模具在工作中由于受到拉伸、压缩、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等机械力的作业，从而发生脆断、磨损、塑性变性、咬合、啃伤、软化等现象。因此，冷作模具钢印具备一定的断裂抗力、变形抗力、磨损抗力、疲劳抗力以及抗咬合的能力。
冷作模具钢的选择应遵循的原则是：首先要满足模具的使用性能要求，同时兼顾材料的工艺性和经济性。具体选择是应从模具的种类、结构、工作条件、制品的材质、制品的形状和尺寸、加工精度、生产批量等方面综合考虑，最后根据模具使用寿命和模具成本作出选择。
热作模具钢按用途可以分为锻模钢、热挤压磨用钢和锻压铸模用钢，又可细分为锤锻模具用钢、机锻模具钢、热挤压模用钢、热锻模用钢、热冲裁模用钢和压铸模用钢。
塑料模具的规格多、形状复杂、表面粗糙度值底、制造难度大，因此探讨塑料模具的选材问题，综合分析工作条件、性能，以提高模具寿命、保证加工质量、降低生产成本，就显得非常重要。
塑料模具按成型固化不同可分为热固性和热塑性模具材料。热故性模具材料工作时，受力大，并受一定的冲击，摩擦较大，机械负荷及磨损较大；热塑性塑料模具使塑料在黏流状态下通过注射、挤压等方式进入模具型腔加工成型的模具，塑料受变形抗力小，受热、受压、受磨损情况不严重，但当加入固体填充料时，磨损会大大增加。因此，对塑料模具材料的基本性能要求并不高，需要有较高的硬度、较好的耐磨性、一定的抗热性和耐腐蚀性。
1.2
常用模具材料的举例
（1）
冷作模具钢：6Cr4w3Mo2VNb(65Nb)
6CrNiSiMnMoV(GD)
7Cr7Mo2V2Si(LD)
9Cr6W3Mo2V2(GM)这些材料有较高的强韧性、耐磨性、良好的综合工艺性能，主要应用于冷挤压模、冷镦模、冷冲模、切边模等冷作模具。
（2）
热作模具钢：3Cr3Mo3W2V(HM1)
3Cr3Mo3VNb(HM3)
5Cr2W5Mo2V(RM2)
4Cr3Mo3W4VNB(GR)
这些材料具有高的稳定性、高温强度、耐磨性及抗热疲劳性，主要应用：
于热挤压模、热锻模、热镦模、压铸模。
（3）
塑料磨具钢：Y55CrNiMnMoV
Y20CrNi3AlMnMo(SM2)
06Ni6CrMoVTiAl(06Ni)
这些材料有适当的强韧性，热处理工艺简单，变形小，易于切削加工，主要应用于挤塑模、压塑模、注射模、吹塑模。
2
表面处理技术
表面处理技术是改善机械零件、电子元器件等基质材料表面性能的一种技术。
随着我国汽车、家电工业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求，如何提高模具的加工质量和使用寿命，一直是人们不断探索的课题。而表面处理技术以其广泛的功能性、良好的环保性以及巨大的增效性等优势正逐步成为提高模具质量和寿命的重要途径，它能提高模具的表面耐磨性、耐腐蚀性、耐热性及抗疲劳强度等力学性能，以保证模具在高温、高压、重载及强腐蚀介质工况下可靠而持续地运行。这对于改善模具的综合性能、充分发挥传统模具的性能潜力具有十分重要的意义,下表能充分说明这一特点
2.1
表面处理技术的分类
表面处理技术有着十分广泛的内容，仅从一个角度进行分类难于概括全面，目前也没用统一的分类方法。一般情况下，依据加工原理，可将表面处理技术分为电化学处理技术、化学处理技术、热处理技术、真空处理技术以及其他处理技术几大类。具体分类见表1-1.
表1-1
表面处理技术的分类
序号
表面处理方法
序号
表面处理方法
1
化学方法
化学转化模
9
真空处理方法
真空蒸发镀
2
化学镀层
10
溅射镀
3
电化学方法
电镀
11
离子镀
4
阳极氧化
12
气相镀
5
热处理方法
热喷涂
13
离子注入
6
热烫印
14
其他
冲击镀
7
热浸涂
15
涂装
8
化学热处理
16
激光表面处理
根据表面处理后表面形态的变化，又可按如下表格分类。具体分类见表1-2.
表1-2
表面处理技术的分类
序号
表面处理方法
序号
表面处理方法
1
表面改性技术
表面相变强化
7
薄膜技术
物理气相沉积
2
表面形变强化
8
化学气相沉积
3
表面扩散渗入
9
涂层技术
耐磨涂层
4
离子注入
10
耐腐蚀涂层
5
化学转化膜
11
功能涂层
6
电化学转化膜
另外，除了以上两种分类方法外，还有很多种分类方法，在此不一一介绍了。
2.2
模具表面化学热处理技术
表面化学热处理是在一定温度下、在不同的活性介质中向钢零件的表面渗人一些化学元素，用来改善零件表面成分、组织，以改善其使用性能和延长其使用寿命的热处理过程。普通的化学热处理按渗入元素的不同分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬等。
总体来说，表面化学处理包括化学介质的分解、活性原子的吸收和原子向内层的扩散形成一定厚度的三个基本过程。经过表面化学处理后的钢件表面可以获得比普通的淬火所具有的更高的硬度、更好的耐磨性和疲劳强度，而心部仍具有良好的塑韧性和较高的强度。
2.2.1
渗碳
将低碳放入渗碳介质中，在900℃—950℃加热保温，使活性炭原子渗入钢件表面，并获得高渗碳层的工艺方法叫渗碳。模具强化常选用的渗碳工艺主要有气体渗碳和离子渗碳等。
气体渗碳就是把零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉罐中进行碳的渗入过程的渗碳方法。这种渗碳方法通常把煤油、笨、甲烷或丙酮等液体碳氢化合物直接滴入高温渗碳炉内，使其热裂分解为活性原子渗入零件表面。渗碳温度一般在920℃—950℃.
低碳钢或低碳合金钢渗碳后，其渗层中含碳量是不均匀的，表面含碳量最高，由表面向心部含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。因此渗碳缓冷组织表面层为珠光体加二次渗碳体的过共析组织，往里是共析组织和亚共析组织的过渡区，直到原始组织。渗碳层的深度按过共析层+共析层+1/2过渡区计算。
为了充分发挥渗碳层的作用，使零件表面获得高硬度和高耐磨性，心部保持足够的强度和韧性，零件在渗碳后必须进行热处理。对于本质细晶粒钢，通常渗碳后可直接可预冷至淬火温度直接淬火，然后进行180℃—220℃低温回火。预冷的目的是减少零件与淬火介质之间的温差，减少淬火应力和变形。渗碳件经淬火并低温回火后，表层组织为高碳细针状回火马氏体组织加细粒状渗碳体，硬度可达58—62HRC。
离子渗碳属于等离子体化学热处理范畴的技术。离子渗碳的介质为甲烷、丙烷等，渗碳温度在900℃—960℃（采用炉内电阻辐射的加热方式）。与传统的气体渗碳相比，其具有渗碳效率高、碳浓度梯度平缓、工件变形小、环境污染小以及狭缝和小孔都能处理等优点。目前，离子渗碳阿紫塑料模具和冲模中的应用较多。
2.2.2
渗氮
向零件表面渗入碳元素，形成富氮硬化层的化学热处理称为渗氮，通常也称氮化处理。模具渗氮后，其表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳作用及抗咬合性都优于渗碳，模具变形小，适用于精度要求较高的模具。
目前广泛应用的渗氮工艺主要是气体渗氮，即将氨气通入被加热到渗氮温度的密封渗氮罐中，使其分解为活性氮原子并被钢件表面吸收、扩散形成一定深度的渗氮层。由于氨气分解的温度较低，故通常的渗氮温度在500℃—580℃之间。在这种较低的处理温度下，氮原子在钢中的扩散速度很慢，渗氮所需的时间较长，渗氮层也较薄。钢件渗氮后一般不进行热处理。为了提高钢件心部的强韧性，渗氮前必须进行调质处理。此外除了气体渗氮外，还有真空渗氮、离子渗氮及离子软氮化渗氮技术。
除渗碳、渗氮技术以外，还有离子渗硫及离子硫氮共渗等表面化学热处理技术。
2.3
模具表面的热喷涂技术
热喷涂技术是使基体（零件）表面强化和表面防护的一门技术，是表面工程中的一门重要科学。所谓热喷涂，就是利用一种热源，如电弧、离子弧或燃烧的火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定速度喷向经过预处理干净的基体表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学变化。与基体形成结合层的工艺方法。喷涂技术可以对材料表面的性能（如耐腐蚀性、耐磨性、耐高温隔热性等）进行强化和再生，起到保护作用，并对
因磨损、腐蚀或加工操作引起的零件减小进行修补恢复。因此，喷涂对于提高模具的质量、延长模具的寿命、改进模具的结构、节约能源、节约贵重金属材料及降低成本等都有重要作用。
2.3.1喷涂的分类
按热源的种类可以将喷涂分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和激光喷涂四种基本方法。喷涂材料主要有丝状和粉末状。
2.3.2热喷涂技术的特点
与其他表面处理技术比较，热喷涂技术具有以下几个突出的特点。
（1）喷涂材料广泛。除了金属和合金外，陶瓷、金属陶瓷、许多化合物和物理混合物甚至是机械树脂都可以用热喷涂工艺进行喷涂。
（2）实用于各种基体材料的零件，各种金属和非金属（如玻璃、陶瓷、甚至是木材、塑料）零件表面都可以进行热喷涂。
（3）操作程序少、速进行度快、生产效益高。
（4）喷涂零件的尺寸范围较宽，既可以进行大面积的喷涂，也可以对大型构件进行局部喷涂。
（5）基材变形小，除喷熔外，热喷涂是一种冷工艺。
（6）可赋予普通材料以特殊的表面性能。
（7）成本低，经济效率显著。
2.3.3
火焰喷涂
火焰喷涂是利用燃气（乙炔、丙烷、甲基乙炔—丙二稀、氢气或天然气等）及助燃气体（氧气）混合燃烧作为热源，喷涂材料则以一定的传送方式进入火焰，加热到熔融或软化状态，然后依靠气体或火焰的加速喷射到基本体上。根据喷涂材料的不同，可分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂两种。
图2.3.2
粉末火焰喷涂的典型装置
图2.3.3
粉末火焰喷涂的原理示意图
2.3.4
等离子喷涂
等离子喷涂是以氮气、惰性气体如氩气等为工作介质，子专用的喷枪内发生电离形成热等离子体，再将进入该等离子弧区的粉末状的涂层材料熔融、雾化，并高速喷送到被涂工件表面，形成涂层。等离子涂层所获组织致密，结合牢固，结合牢固，因此在涂层技术中占主导地位。但等离子喷涂也存在如需要高纯度气体且成本较高等缺点。
图2.3.4等离子喷涂原理
图2.3.5
等离子喷涂
图2.3.6
等离子焰流的温度分布
2.4
其他表面处理技术
除上述介绍的表面处理技术以外，还有激光表面处理技术、电子束表面处理技术、电镀与化学镀、气相乘积技术和堆焊技术等。每种表面处理技术各有其优缺点，具体选择过程中要综合考虑零件的实际要求、加工条件及成本控制等因素，选择最适合该工件的表面处理技术。
3
结论
通过大量的实践证明。表面工程技术应用于模具表面，可以大大提高模具表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗高温氧化性能，大幅度提高了模具的使用寿命。此外，表面工程还能提高模具表面的抗擦伤能力和脱模能力，提高生产率，还可用于模具的修复，尤其是电刷镀技术可在不拆卸的前提下完成对模具的修复，且能保证修复后的工作表面仍有足够的粗糙度。由此可见，表面工程在模具生产中对提高模具的质量有重要意义。
表面工程中的表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高新技术的发展具有重要作用。因此表面工程越来越受到科研人员的重视,表面工程技术也将成为未来一个永恒的研究课题。
参考文献
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