模具钢先进的热处理技术

原标题：模具钢先进的热处理技术

镍基高温合金国内外材料总和

模具制造成本高，尤其是一些精密复杂的冷冲模、塑料模、压铸模等。利用热处理技术提高模具的使用性能，可以大大提高模具的使用寿命，具有显著的经济效益。我国模具技术人员非常重视模具热处理技术的发展。

一.真空热处理

真空热处理后，模具钢表面状态良好，变形小。与大气淬火相比，真空油淬火后模具表面硬化均匀，略高。主要原因是真空加热时，模具钢表面处于活性状态，不脱碳，不产生阻碍冷却的氧化膜。真空加热时，钢表面具有脱气效果，机械性能高。炉内真空度越高，抗弯强度越高。真空淬火后，钢的断裂韧性提高，模具寿命普遍高于传统工艺-400%，甚至更高。

冷模真空淬火技术得到了广泛的应用。

二.深冷处理

近年来的研究工作表明，模具钢经深冷处理（-196℃），可提高其机械性能，部分模具经深冷处理后显著提高使用寿命。

模具钢的深冷可以在淬火和回火过程之间进行，也可以在淬火和回火后进行。如果在淬火和回火后仍有残留的奥氏体，则在深冷处理后仍需再次回火。深冷处理可以提高钢的耐磨性和抗回火稳定性。

深冷处理不仅用于冷模具，也用于热模具和硬合金。深冷处理技术越来越受到模具热处理人员的关注，并开发了特殊的深冷处理设备。需要进一步研究不同钢种在深冷过程中的组织变化及其微观机制及其对机械性能的影响。

三.模具的高温淬火和冷却淬火

一些热作模具钢，如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等，采用高于常规淬火温度的加热淬火，可减少钢中碳化物的数量，改善其形状和分布，均匀分布固溶于奥氏体的碳，淬火后可获得更多的钢板马氏体，提高其断裂韧性和冷热疲劳抗力，延长模具的使用寿命。3Cr2W8V常规淬火温度为钢制热挤压模具1080-1120℃，回火温度为560-580℃。淬火温度升高时1200℃，回火温度为680℃(2次)模具寿命提高了好几倍。

W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速钢和Cr12MoV冷作模具钢等高合金可适当降低其淬火温度，提高其塑性韧性，减少脆性开裂倾向，从而提高模具寿命。W6Mo5Cr4V2可选择淬火温度1140-1160℃。

四.化学热处理

化学热处理可有效提高模具表面的耐磨性、耐腐蚀性、抗咬合性和抗氧化性。几乎所有的化学热处理工艺都可以用于模具钢的表面处理。

研究表明，高碳和低合金工具钢和中高碳高合金钢可以渗碳或碳氮共渗。当高碳低合金钢渗碳或碳氮共渗时，应尽可能选择较低的加热温度和较短的保温时间。此时，表面有更多的未溶性碳化物核心。碳和碳氮共渗后，表面碳化物呈颗粒状，碳化物总体积也显著增加，可提高钢的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb钢模具的渗碳和渗碳65Nb钢模真空渗碳后，模具寿命显著提高。

采用500-650℃高温回火的合金钢模具可在低于回火温度或回火的同时进行表面渗氮或氮碳共渗。

目前，离子渗氮和高频渗氮主要用于渗氮工艺。离子渗氮可缩短渗氮时间，获得高质量的渗层。离子渗氮可提高压铸模具的耐腐蚀性、耐磨性、耐热疲劳性和耐粘附性。

氮碳共渗可在气体介质或液体介质中进行，渗透层脆性小，共渗时间大大缩短。氮碳共渗后，压铸模和热挤压模可显著提高其热疲劳性能。氮碳共渗对冷轧模具、冷挤压模具、冷冲压模具、拉伸模具有良好的应用效果。

硫氮或硫氮碳也可用于冷作模具和热作模具。近年来，许多研究表明，稀土具有明显的催渗作用，从而发展了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。

五.渗硼和渗金属

渗硼可以是固体渗硼、液体渗硼和膏剂渗硼等，应用更多的是固体渗硼，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，耐腐蚀性好，抗氧化性好。

硼渗透工艺常用于各种冷模具。由于耐磨性的提高，模具的使用寿命可以提高几倍或十倍以上。中碳钢硼渗透有时可以取代高合金钢模具。硼渗透也可用于热模具，如热挤压模具。

硼渗透层脆弱，扩散层薄，对渗透层的支撑力弱。因此，硼氮共渗或硼碳氮共渗可用于加强过渡区，使其硬度变化缓慢。硼钒和硼铝可用于提高硼渗透层的脆性。

渗金属包括铬、钒、钛等工艺，可用于冷热模具的处理TD该方法(熔盐渗金属)已得到应用，可使模具寿命提高几倍甚至十倍以上。

六.气相沉积

根据形成的基本原理，气相沉积分为物理气相沉积（PVD）沉积化学气相（CVD）。

PVD分为真空蒸汽镀、溅射镀和离子镀。离子镀是蒸汽镀和溅射镀相结合的技术。离子涂层具有粘附性强、均匀涂层能力好、基材材料和涂层材料搭配广泛等优点，因此得到了广泛的应用。近年来，多弧离子镀引起了人们的关注。目前，离子镀层广泛应用于模具中TiN，这种膜不仅硬度高，而且韧性好，结合力强，耐高温。TiN发展起来的多元膜，如（TiAl）N、（TiCr）N等等，性能优于TiN，是一种更有前途的新膜。

CVD基础材料表面化学反应形成化学反应（TiC、TiN）的方法。CVD有很多方法。CVD反应温度为900℃以上，涂层硬度达到2000HV以上，但高温容易使工件变形，沉积层界面容易反应。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。

七.高能束热处理

高能束热处理的热源通常指激光、电子束、离子束等，其共同特点是：至少提供材料的表面功率密度1000W/cm2。它们的共同特点是加热速度快，可根据需要选择加热面积。工件变形小，无冷却介质，处理环境清洁，可控性好，自动化处理方便。

国内外对高能束热处理的原理和工艺进行了更多的研究。更成熟的是激光相变硬化、小型电子束处理和中功率离子注入，并应用于提高模具寿命。

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