模具热处理和表面处理技术

塑料模具零件的热处理工艺


选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线
1.低碳钢及低碳合金钢制模具
例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。
2.高合金渗碳钢制模具
例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。
3.调质钢制模具
例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。
4.碳素工具钢及合金工具钢制模具
例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。
5.预硬钢制模具
例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点

（一）渗碳钢塑料模的热处理特点
1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。
2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。
3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。
4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理
1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。
2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。
3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理
1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。
2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。
3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。
表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺
钢 号    加热温度/℃    冷却方式    回火温度/℃    预硬硬度HRC
3Cr2Mo    830～840    油冷或160～180℃硝盐分级    580～650    28～36
5NiSCa    880～930    油冷    550～680    30～45
8Cr2MnWMoVS    860～900    油或空冷    550～620    42～48
P4410    830～860    油冷或硝盐分级    550～650    35～41
SM1    830～850    油冷    620～660    36～42

（四）时效硬化钢塑料模的热处理
1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。
2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。
3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。
表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范
钢 号    固溶处理工艺    时效处理工艺    时效硬度HRC
06Ni6CrMoVTiAl    800～850℃油冷    510～530℃×（6～8）h    43～48
PMS    800～850℃空冷    510～530℃×（3～5）h    41～43
25CrNi3MoAl    880℃水淬或空冷    520～540℃×（6～8）h    39～42
SM2    900℃×2h油冷+700℃×2h    510℃×10h    39～40
PCR    1050℃固溶空冷    460～480℃×4h    42～44

三、塑料模的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。
1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。
2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。
适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等

模具表面处理技术的选择与比较


模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，因此在模具使用之前，同时也是模具制造的最后阶段，通常要进行研磨与抛光处理，以提高模具表面质量。而在研磨与抛光处理后，有很多模具制造企业和模具使用企业还运用了表面处理技术，目的在于延长模具使用寿命，提高工件的加工品质，降低模具使用成本，提高生产效率。
目前，市场上有很多种表面处理技术，形成的表面涂层也是多种多样，我们按照表面处理技术的历史选择三类具有代表性的涂层，进行比较，如下：

氮化钛膜 类金刚石膜 非晶金刚石膜
TiN DLC ta-C
技术历史 40年 20年 5年
硬度HV 2400 2000～6000 7000～8500
成膜技术 化学气相沉积 化学气相沉积 滤质阴极真空电弧
成膜温度 500℃ 500℃ <80℃
膜层厚度范围 1～7um 0.5～4um 0.002～2um
表面摩擦系数 0.55 0.15 0.08
膜基结合力 低 低 高
工作环境最高温度 600℃ 400～600℃ 600℃
耐腐蚀性 较好 较好 好
装饰性 好 较好 一般
价格 较低 较高 较高

重要参数说明：
1．成膜温度会影响原有钢材的质量，较高的温度使钢材产生退火或回火效应，降低基材的硬度和韧性。
2．成膜技术决定了膜层是否容易脱落，通常，较新的技术都采用离子注入法，使膜层嵌入基体表面，从而提高了膜基结合力
3．膜层硬度决定了镀件的耐磨性能
4．膜层表面摩擦系数低，有利于工件表面的润滑，也是提高耐磨性的一

表面功能覆层技术



一、技术概述  
     新型表面功能覆层技术，包括低温化学表面涂层技术及超深层表面改性技术，它运用物理、化学或物理化学等技术手段来改变“材料及其制件表面成份和组织结构”，其特点是保持基体材料固有的特征，又赋予表面化所要求的各种性能，从而适应各种技术和服役环境对材料的特殊要求，因而它是制造和材料学科最为活跃的技术领域，又是涉及表面处理与涂层技术的交叉学科。其最大的优势在于能以极少的材料和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层，从而获得最大的经济效益，它是一种优质高效的表面改性与涂层技术。
    优质、高效的表面改性与涂层技术其范围广阔：如热化学表面技术；物理气相沉积；化学气相沉积；物理化学气相沉积技术；高能等离体表面涂层技术；金刚石薄膜涂层；多元多层复合涂层技术；表面改性及涂层性能预测及剪栽技术；性能测试与寿命评估等等。
    新型低温化学气相沉积技术引入等离子体增强技术，使其温度降至600度以下，获得硬质耐磨涂层新工艺，所生产的高强度、高性能的涂层工艺，在高速、重负荷、难加工领域中有其特殊的作用。
    超深层表面改性技术可应用于绝大多数热处理件和表面处理件，可替代高频淬火，碳氮共渗，离子渗氮等工艺，得到更深的渗层，更高的耐磨性，产品寿命剧增，可产生突破性的功能变化。  
     
二、现状及国内外发展趋势  
     随着基础工业及高新技术产品的发展，对优质、高效表面改性及涂层技术的需求向纵深延伸，国内外在该领域与相关学科相互促进的局势下，在诸如“热化学表面改性”、“高能等离子体表面涂层”、“金刚石薄膜涂层技术”以及“表面改性与涂层工艺模拟和性能预测”等方面都有着突破的进展。
    1.热化学表面改性技术现状及发展趋势
    国外近年来重视对“可控气氛条件和真空条件下的渗碳，碳氮共渗等技术的研究，并已实现工业化。而在我国应用很少，相关的技术研究工作亦不够。可控气氛渗碳和真空渗碳技术是显著缩短生产周期，节能、省时，同时可提高工件质量，不氧化、不脱碳，保证零件表面耐腐蚀和抗疲劳性，并减少热处理后机加工余量及清理工时。
    目前国际上碳势控制和监测，渗层布型控制等方面的研究成果已应用于实际生产，并用计算机进行在线动态控制。
    2.PVD、CVD、PCVD技术现状及发展趋势
    各种气相沉积是当前世界上著名研究机构和大学竞相开展的具有挑战的性的研究课题。目前该技术在信息、计算机、半导体、光学仪器等产业及电子元器件、光电子器件、太阳能电池、传感器件等制造中应用十分广泛，在机械工业中，制作硬质耐磨镀层、耐腐蚀镀层、热障镀层及固体润滑镀层等方面也有较多的研究和应用，其中TiN等镀膜刀具的普及已引起切削领域中的一场革命，金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也十分火热，并已向实用化方面推进。在不同PVD、CVD工艺的基础上，通过发展和复合很多新的工艺和设备，如IBAD、PCVD与空心阴极多弧复合离子镀膜装置、离子注入与油溅射镀或蒸镀的复合装置、等离子体浸没式离子注装置等不断将该类技术推向新的高度。与国外的发展相比，我国在上述方面虽研究较多，但水平有较大差异，在实用化方面差距更大。
    3.高能等离子体表面涂层技术现状及发展趋势
    该技术是增加表面物理化学反应，获取特殊性能覆盖层。其核心是更有效地增强和控制阴极电弧等离子体的产生和作用，美国、日本、德国大力发展该技术。等离子体增强电化学表面改性技术，是目前国际上较活跃的开发研究领域，对于铝、钛等材料，通过等离子体调光放电手段，增强电化学处理效果，在金属表面上生成致密氧化铝和其它氧化物陶瓷膜层，可使基体具有极高性能表面，是先进制造工艺的前沿技术，在机加工用刀具和模具行业也有很了的应用前景。
    4.金刚石薄膜涂层技术
    金刚石具有极好的物理性能，在形状复杂的刀具、模具、钻头等工件表面沉积上一层很薄的金刚石薄膜，可提高工件的使用性能，并满足一些特殊条件的需求。近年来，由于金刚石薄膜的优异性能以及广泛的应用前景，日本、美国、西欧均进行大量的研究工作，并开发了多种金刚石涂层工艺技术，已在国内外掀起金刚石涂层研究的热潮。尤其是在提高金刚石涂层和基体结合强度，大面积快速沉积金刚石涂层技术，产业化生产涂层金刚石薄膜设备系统等关键技术方面国外已取得突破性进展，美国、瑞典等国已推出金刚石金属切削工具供应市场，而我国该技术还没有达到实用水平，急待开发并实现产业化。
    5.多元多层复合涂层技术的现状及发展趋势
    单一的表面涂层不能满足表面工程设计中苛刻的工况条件，任何表面处理均有其不同的优缺点，因为利用不同涂层材料的性能优点，在基体表面形成多元多层复合涂层（含万分渐变的梯度层）具有重大的意义。国外已开展单层涂层厚度为纳米级，层数在100层以上的多元多层复合涂层技术的研究，所制备的涂层具有较高的耐腐性、韧性和强度，和基体的结合强度也好，表面粗糙度低，这对直精高速工削机械加工十人有利。国外已列入主要发展方面，予计在纳米级精细涂层材料研究和应用领域会有新的突破。因为复合涂层技术具有抗磨损、抗高温氧化腐蚀、隔热等功能，能扩大涂层制品使用范围，延长使用寿命，是一项在下一世纪会得到迅速发展的技术。我国目前已开始研究，并取得初步成果，但还存在一些问题有待于解决。
    6.表面改性与涂层工艺模拟和性能预测的现状及发展趋势
    表面改性与涂层技术作为表面工程的重要组成部分，已经渗透到传统工业与高新技术产业部门，根据应用的要求反过来又促进表面功能覆层技术的进一步发展。根据使用要求，对材料表面进行设计、对表面性能参数进行剪裁，使之符合特定要求，并进一步实现对表面覆盖层的组织结构和性能和预测等，已成为该领域重要研究方向。国外已对CVD、PVD以及其它表面改性方法开展计算机模拟研究，针对CVD过程进行模拟，采用宏观和微观多层次模型，对工艺和涂层各种性能和基体的结合力进行模拟和预测；对渗碳，渗氮工件渗层性能应力等进行计算机模拟等等，人们可以更好地控制和优化工艺过程。我国这方面的研究刚处地超步阶段。  
   
三、“十五”目标及主要研究内容  
     1.目标
    根据国内外表面功能覆层技术的发展，结合机械工业的需求与现状，为国家重大工程、重大技术装备研究开发一批先进适用的表面功能覆层关键技术。
    2.主要研究内容：
    （1）新型低温气相沉积技术及装备研究
    研制新型磁控溅射、离子镀膜、PCVD设备及其复合装备，并实现工艺过程的自动控制。加强成膜、膜基结合机理的研究，降低制膜温度，优化反应过程及工艺参数，合成各种耐磨、抗蚀的新优质镀层。重点解决国家安全及支柱产业急需解决的表面工程技术难题，力争形成创新性科技成果，促进通用机械、阀门、冷作模具、高温模具等行业的技术进步。
    （2）纳米级多无多层复合涂层材料及工艺技术研究
    跟踪国际先进水平，研究50层以上纳米级复合涂层技术及材料，包括纳米级多层多元复合涂层材料重组、结构、厚度、层数的综合设计，以及涂层材料的微观组织结构及制备工艺技术研究。
    （3）表面涂层工艺及质量的数值模拟及优化控制的研究与工发
    着重对热化学表面改性过程以及PVD和CVD沉积技术进行工艺模拟及优化研究。建立数学模型和算法，开发出相应计算机软件系统来指导和分析表面改性和涂层工艺过程的设计，并预测表面性能和服役寿命。
    （4）金刚石薄膜涂层技术
    开展大面积、快速、高质量金刚石薄膜涂层工艺技术及涂层刀具产业化技术研究，以涂层质量好，均匀一致性能稳定可靠为研究重点，提高金刚石涂层沉积速率，完成相应设备的设计、制造，同时开发金刚石薄膜涂层刀片、硬质合金钻头等刀具，使寿命提高10倍，并用于汽车等工业。

模具的真空热处理技术



为保证模具性能，模具热处理是非常重要的工艺过程。它对模具的制造精度、模具的强度、模具的工作寿命、模具的制造成本等有着直接的影响。近年来，国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术。

    真空热处理技术是一种新型的热处理技术。它所具备的特点，正是模具制造中所迫切需要的。比如防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气，消除氢脆，从而提高材料(零件)的塑性、韧性和疲劳强度。真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处理工艺造成的零件变形小等。

    模具真空热处理中主要应用的是真空油冷淬火、真空气冷淬火和真空回火。为保持工件(如模具)真空加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，模具淬火过程主要采用油冷和气冷。对于热处理后不再进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火，特别是真空淬火的工件(模具)，它可以提高与表面质量相关的机械性能，如疲劳性能、表面光亮度、耐腐蚀性等。

    热处理过程的计算机模拟技术的成功开发和应用，使得模具的智能化热处理成为可能。由于模具生产的小批量(甚至是单件)、多品种的特性，以及对热处理性能要求高和不允许出现废品的特点，又使得模具的智能化热处理成为必须。国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面，发展的很快，主要针对目标也是模具。

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