我国模具材料与模具热处理研究进展

时间：2013-04-23 17:59:28 来源：武汉华中科技大学模具技术与成形模拟国家重点实验室作者：崔崑

5 模具热处理

模具制造的成本高，特别是一些精密复杂的冷冲模、塑料模、压铸模等。采用热处理技术提高模具的使用性能，可以大幅度提高模具寿命，有显著的经济效益，我国模具技术工作者十分重视模具热处理技术的发展。

5.1 真空热处理[19，20]

模具钢经真空热处理后有良好的表面状态，变形小。与大气下的淬火比较，真空油淬后模具表面硬化比较均匀，而且略高一些，主要原因是真空加热时，模具钢表面呈活性状态，不脱碳，不产生阻碍冷却的氧化膜。在真空下加热，钢的表面有脱气效果，因而具有较高的力学性能，炉内真空度越高，抗弯强度越高。真空淬火后，钢的断裂韧性有所提高，模具寿命比常规工艺普遍提高40%~400%，甚至更高。冷作模具真空淬火技术已得到较广泛的使用。

5.2 深冷处理[21]

近年来的研究工作表明，模具钢经深冷处理（-196℃），可以提高其力学性能，一些模具经深冷处理后显著提高了使用寿命。模具钢的深冷可以在淬火和回火工序之间进行，也可在淬火回火之后进行深冷处理。如果在淬火、回火后钢中仍保留有残余奥氏体，则在深冷处理后仍需要再进行一次回火。深冷处理能提高钢的耐磨性和抗回火稳定性。深冷处理不仅用于冷作模具，也可用于热作模具和硬质合金。深冷处理技术已越来越受到模具热处理工作者的关注，已开发出专用深冷处理设备。不同钢种在深冷过程中的组织变化及其微观机制及其对力学性能的影响，尚需进一步研究。

5.3 模具的高温淬火和降温淬火[22]

一些热作模具钢，如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等，采用高于常规淬火温度加热淬火，可以减少钢中碳化物的数量、改善其形态和分布，使固溶于奥氏体中碳的分布均匀化，淬火后可在钢中获得更多的板条马氏体，提高其断裂韧性和冷热疲劳抗力，从而延长模具使用寿命。例如3Cr2W8V钢制的一种热挤压模具，常规淬火温度为1080~1120℃，回火温度为560~580℃。当淬火温度提高至1200℃，回火温度为680℃（2次），模具寿命提高了数倍。

W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速钢和Cr12MoV等高合金冷作模具钢，可适当降低其淬火温度，以改善其塑韧性，减少脆性开裂倾向，从而提高模具寿命。例如W6Mo5Cr4V2的淬火温度可选用1140~1160℃。

5.4 化学热处理[23，24]

化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化性等性能。几乎所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。

研究工作表明，高碳及低合金工具钢和中高碳高合金钢均可进行渗碳或碳氮共渗。高碳低合金钢渗碳或碳氮共渗时，应尽可能选取较低的加热温度和较短的保温时间，此时可保证表层有较多的未溶碳化物核心，渗碳和碳氮共渗后，表层碳化物呈颗粒状，碳化物总体积也有明显增加，可以增加钢的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb钢制模具进行渗碳以及65Nb钢制模具真空渗碳后，模具的寿命均有显著提高。

采用500~650℃高温回火的合金钢模具，均可在低于回火温度的范围内或在回火的同时进行表面渗氮或氮碳共渗。

渗氮工艺目前多采用离子渗氮、高频渗氮等工艺。离子渗氮可以缩短渗氮时间，并可获得高质量的渗层。离子渗氮可以提高压铸模的抗蚀性、耐磨性、抗热疲劳性和抗粘附性能。

氮碳共渗可在气体介质或液体介质中进行，渗层脆性小，共渗时间比渗氮时间大为缩短。压铸模、热挤压模经氮碳共渗后可显著提高其热疲劳性能。氮碳共渗对冷镦模、冷挤压模、冷冲模、拉伸模等均有很好的应用效果。

冷作模具和热作模具还可以进行硫氮或硫氮碳共渗。近年许多研究工作都表明稀土有明显的催渗效果，从而发展了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。

5.5 渗硼和渗金属[23，24，25]

渗硼可以是固体渗硼、液体渗硼和膏剂渗硼等，应用最多的是固体渗硼，市场上已有固体渗硼剂供应。固体渗硼后，表层的硬度高达1400`2800HV，耐磨性高，耐腐蚀性和抗氧化性能都较好。

渗硼工艺常用于各种冷作模具上，由于耐磨性的提高，模具寿命可提高数倍或十余倍。采用中碳钢渗硼有时可取代高合金钢制作模具。渗硼也可应用于热作模具，如热挤压模等。

渗硼层较脆，扩散层比较薄，对渗层的支撑力弱，为此，可采用硼氮共渗或硼碳氮共渗，以加强过渡区，使其硬度变化平缓。为改善渗硼层脆性，可采用硼钒、硼铝共渗。

渗金属包括渗铬、渗钒、渗钛等工艺均可用于处理冷作和热作模具，其中TD法（熔盐渗金属）已得到一些应用，可使模具寿命提高几倍乃至十几倍。

5.6 气相沉积[23，25]

气相沉积按形成的基本原理，分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。

PVD分为真空蒸镀、溅射镀和离子镀。离子镀是蒸镀和溅射镀相结合的技术，离子镀膜具有粘着力强、均镀能力好、被镀基体材料和镀层材料可以广泛搭配等优点，因而获得较广泛的应用。近年来多弧离子镀受到人们的重视。目前在模具上应用较多的是离子镀TiN，这种膜不仅硬度高而且膜的韧性好、结合力强、耐高温。在TiN基础上发展起来的多元膜，如(TiAl)N、(TiCr)N等，性能优于TiN，是一类更有前途的新型薄膜。

CVD是用化学方法使反应气体在基础材料表面发生化学反应形成覆盖层（TiC、TiN）的方法。CVD有多种方法。通常，CVD的反应温度在900℃以上，覆层硬度达到2000HV以上，但高的温度容易使工件变形，沉积层界面易发生反应。发展趋势是降低温度，开发新的涂层成分。例如，金属有机化合物CVD(MOCVD)，激光CVD(LCVD)，等离子CVD(PCVD)等。

5.7 高能束热处理[26]

高能束热处理的热源通常是指激光、电子束、离子束等。它们共同的特征是：供给材料表面功率密度至少103W/㎝2。它们的共同特点是：加热速度快，加热面积可根据需要选择，工件变形小，不需要冷却介质，处理环境清洁，可控性能好，便于实现自动化处理。国内外对高能束热处理的原理、工艺等均投入较多的研究，比较成熟的是激光相变硬化、小尺寸电子束处理和中等功率的离子注入，并在提高模具寿命方面获得了应用。