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          模具鋼的熱處理及型腔表面強化技術
          來源: | 作者:東啟特鋼 | 發布時間: 2021-06-04 | 14 次瀏覽 | 分享到:
          模具鋼的熱處理及型腔表面強化技術
            模具鋼的熱處理及型腔表面強化技術


            模具型腔表面強化處理不僅可以提高模具的使用壽命,而且成本低廉,是一種理想的事半功倍的工藝方法。幾乎所有的模腔都可以利用表面處理技術改變其表面紋理、性質和表層形態,在不犧牲模體韌性的情況下,大大提高模腔的表面硬度(耐磨性)和耐腐蝕性。這些表面特征對于模腔來說是特別理想的,但是模具鋼不能或難以提供。這些特性可以通過不同的表面處理工藝獲得。表面處理方法很多,對模具型腔表面強化效果明顯、潛力大的表面改性技術主要有表面變形強化、表面相變強化、表面擴散強化和離子注入強化。物理氣相沉積、化學氣相沉積等薄膜技術;電化學沉積(電鍍)和熱噴涂等涂層技術。根據模具基體的不同材料、用途和工作環境,可以選擇不同的表面處理工藝,以滿足模具型腔強化的要求。這些表面強化技術都是性價比較高的模腔強化技術,其中一些已經日趨成熟,正在模具行業推廣應用,成為模具制造技術的重要發展趨勢。

          模具鋼
            1.表面變形強化在模腔強化中的應用


            表面變形強化在模腔強化中的應用主要包括噴丸強化、擠壓強化和滾壓強化。表面變形強化技術是以噴丸、擠壓、滾壓等方法為基礎,使模腔表面產生塑性變形(冷加工硬化),提高模腔表面的完整性(提高表面粗糙度,改變表面紋理,增加表面密度),形成壓應力狀態,從而提高模腔表面的疲勞性能、應力腐蝕性能和耐磨性,延長模具壽命。表面變形強化對冷加工模具型腔的強化效果最為明顯。


            擠壓和滾壓分別用于強化(內)模腔和沖頭,而噴丸可用于任何形狀的模腔。比如汽車、拖拉機活塞銷是需求量很大的零件,通常采用冷擠壓工藝生產。但冷擠壓凸模壽命短(通常在工作件到夾緊件過渡的內圓角處斷裂),影響生產率。對于相同模具鋼(W6Mo5Cr4V2)的沖頭,熱處理(淬火、回火)和機加工(磨削)工藝,滾圓角和非壓圓角。


            模具噴丸工藝是噴丸(如鋼丸、玻璃丸、陶瓷丸等)的過程。)不斷撞擊模腔表層,使表層在0.1 mm~0.7 mm范圍內累積塑性變形,噴丸可使淬硬鋼表層殘余奧氏體轉變為r→a相,并引入殘余壓應力,從而提高表層硬度和疲勞強度。例如,經過噴丸處理的3Cr2W8V熱壓機精密扳手鍛件用鋼模具,其使用壽命比未經噴丸處理的模具提高了50%。


            2.表面相變強化在模腔強化中的作用


            利用高頻感應、激光和電子束進行快速加熱,可以提高模腔表面材料的相變點Ac1和Ac3,從而提高冷卻速度和淬火硬度,既保持了模體內原有的力學性能和良好的韌性,又使模腔表面獲得極高的硬度和耐磨性,從而延長模具壽命。


            如激光淬火后的Cr12硅鋼模具壽命比未激光淬火的模具壽命長33%~60%。


            3.表面擴散處理在模具型腔強化中的應用


            金屬或非金屬沉積在型腔表面,通過擴散滲透到型腔表層,改變表層(滲透層)的化學成分和相結構,從而提高型腔表面的硬度和耐磨性。這個過程叫做表面擴散滲透或化學熱處理。表面擴散滲透的特點是:


            (1)表面浸潤層與模體金屬的化學成分不斷變化,結合良好;


            (2)擴散過程不影響模具材料的結構和力學性能;


            (3)表面滲層與模體金屬的結合實際上是一種復合材料,既發揮模體材料的高韌性,又獲得表面滲層的高硬度和耐磨性,從而獲得更好的綜合性能。


            用于型腔的表面擴散處理主要包括非金屬材料的滲碳、滲氮和滲硼;滲釩、鉻、鈦等金屬元素;復合滲硼和硫技術;此外,還有液體碳氮共滲(軟氮化)等共滲工藝。


            液體碳氮共滲(軟氮化)工藝具有處理溫度低、滲碳時間短、適用鋼種范圍廣的優點,可顯著提高模具表面的疲勞強度和耐磨性,從而延長模具壽命。


            4.離子注入在強化型腔中的應用


            模腔內離子注入是將待摻雜(添加)的元素電離成離子,通過電場加速獲得高速,然后驅動進入模腔,在模腔表面摻雜合金元素,從而提高模腔表面的耐磨性和耐腐蝕性。


            1)離子注入模具型腔表面的特征


            (1)注入元素可以任意選擇,不受溫度和固溶度的限制;


            (2)可以精確控制植入元件的數量和深度;


            (3)注入元素純度高,均勻性好;


            (4)直接離子注入不改變工件尺寸。


            2)離子注入在型腔中的應用實例


            (1)在碳化鎢-6%鈷硬質合金反擠壓模具中進行氮離子注入,模具壽命比未進行離子注入的模具延長3倍;


            (2)氮離子注入由碳化鎢-6%鈷硬質合金制成的硅鋼片沖裁模的沖頭比沒有離子注入的模具長6倍。


            5.薄膜工藝學


            薄膜技術有很多種,包括化學氣相沉積和物理氣相沉積(PVD)。過去主要用于制備功能材料,最近引入模具制造行業,以提高模具壽命。


            1)化學氣相沉積工藝


            化學氣相沉積是一種通過高溫氣相反應蒸發沉積元素并在模腔表面沉積薄膜的方法?;瘜W氣相沉積法可以制備任何金屬和非金屬薄膜,但其缺點是在800℃~1200℃反應沉積。新開發的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)和等離子體輔助化學氣相沉積(PACVD)可以將反應沉積溫度降低到400℃~800℃,但這一溫度對于處理型腔表面來說仍然偏高,目前很少用于強化模具。


            2)物理氣相沉積工藝


            物理氣相沉積(PVC)工藝包括蒸發、離子鍍和濺射,其中每一種都包括幾個工藝。PVD工藝不僅可以非常方便地沉積各種可以通過化學氣相沉積工藝沉積的薄膜,而且具有比化學氣相沉積更適合在模腔中鍍(涂)膜的兩個突出特點:


            (1)PVD可以在模具鋼回火溫度以下200℃~400℃沉積薄膜,而化學氣相沉積需要在高于模具鋼回火溫度(800℃~1200℃)的高溫下沉積薄膜;


            (2)PVD沉積速率高達4um/h~50um/h,而化學氣相沉積速率僅為1um/h~2um/h


            PVD沉積薄膜在模具型腔中具有巨大的應用潛力和廣闊的應用前景。在不同的工藝條件下,反應化學離子鍍(ARE-PVD)可以獲得硬度和耐磨性不同的TiC和TiN耐磨膜。如采用ARE-PVD工藝,在150℃的低溫和5.5×10-3pa~3×10-3pa的不同壓力條件下處理30 min~40 min,TiC薄膜的硬度可達1050 HV~1450 HV。再比如,在150℃的低溫和7.5×10-2 Pa~3×10-1 Pa的壓力下,經過30 min~40 min的ARE-PVD工藝得到的TiN薄膜硬度可以達到690 HV~2800 HV。這些硬度值已經超過了布氏硬度和洛氏硬度的測量范圍。


            6.涂層技術


            涂層技術有很多種,提高模具壽命的主要工藝方法是電化學沉積(電鍍)和熱噴涂。


            1)電化學沉積(電鍍)工藝


            電化學沉積技術是通過電化學方法在金屬或非金屬工件表面沉積一層或多層金屬涂層、合金涂層或復合涂層的技術。通常,具有導電能力的工件(模腔)被放置在電解質中并連接到陰極。在外加電流的作用下,溶液中的金屬離子或Cr離子在工件表面(陰極)發生還原反應,使金屬沉積在工件表面(型腔)。這個過程也叫電沉積,俗稱電鍍。電鍍作為表面強化技術在模具中的首次應用,促進了鍍鉻的發展,鍍鉻具有耐磨、減磨、耐熱、耐腐蝕、摩擦系數低等優點。硬鉻鍍層不僅可以作為模具的耐磨層,還可以用于模具修復。由于電鍍層與模具鋼的線膨脹系數差異較大,以及電鍍層與母材結合力的限制,不能用于快冷快熱熱加工模具,一般可用于應力較小的冷加工模具。此外,刷鍍鈷氮、鈷鉬涂層、化學鍍鎳磷涂層、鎳碳化硅、鎳硼分散涂層,都可以提高模具的使用壽命。


            2)熱噴涂工藝


            熱噴涂是利用電弧、離子弧或火焰對粉末狀或絲狀金屬或非金屬材料進行加熱、熔化或軟化,并在熱源或外部高速氣流的作用下使其霧化形成熔滴,以一定速度噴到工件表面形成具有一定結合強度的涂層的工藝方法。熱噴涂幾乎可以噴涂所有固體工程材料(如金屬、硬質合金、陶瓷等)。)形成耐磨、耐腐蝕、隔熱等特殊功能的涂層。


            熱噴涂技術在模具中應用具有以下特點:


            (1)幾乎所有固體工程材料,如金屬、硬質合金、陶瓷,都可以噴涂;


            (2)不受模具型腔形狀和尺寸的限制;


            (3)涂層厚度可控;


            (4)噴涂熱影響區小,模具不易變形;


            (5)操作簡單,效率高;


            (6)采用熱噴涂技術不僅可以延長模具壽命,還可以修復模具。


            文獻報道過45鋼滲碳鍍鉻冷拔無縫鋼管內模使用壽命僅為20~40件,可用火焰噴涂鎳基耐磨涂層代替拉拔250件鋼管。
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