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摘要：模具熱處理不當是造成模具失效的重要原因之一，本文研究了目前模具表面強化處理的一些新工藝，分析了低溫化學熱處理、氣相沉積、激光熱處理以及稀土元素表面強化等新工藝的模具表面強化特點，為使用表面強化技術提高模具使用壽命提供參考。
關鍵詞：模具；表面強化處理；工藝；壽命

模具是各工業部門的重要工藝裝備，它的使用性能，特別是使用壽命反映了一個國家的工業水平，并直接影響到產品的更新換代和在國際市場上的競爭能力。因此，各國都非常重視模具工業的發展和模具壽命的提高工作。目前，我國模具的壽命還不高，模具消耗量很大，因此，提高我國的模具壽命是一個十分迫切的任務。模具熱處理對使用壽命影響很大。我們經常接觸到的模具損壞多半是熱處理不當而引起。據統計，模具由于熱處理不當，而造成模具失效的占總失效率的50%以上，所以國外模具的熱處理，愈來愈多地使用真空爐、半真空爐和無氧化保護氣氛爐。模具熱處理工藝包括基體強韌化和表面強化處理�；�體強韌化在于提高基體的強度和韌性，減少斷裂和變形，故它的常規熱處理必須嚴格按工藝進行。表面強化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。表面強化處理方法很多，主要有滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、氮碳共滲、滲金屬等。采用不同的表面強化處理工藝，可使模具使用壽命提高幾倍甚至于幾十倍，近幾年又出現了一些新的表面強化工藝，本文著重四個方面敘述如下，供同行參考。

一、低溫化學熱處理

1.離子滲氮

為了提高模具的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞和防粘附性能，可采用離子滲氮。離子滲氮的突出優點是顯著地縮短了滲氮時間，可通過不同氣體組份調節控制滲層組織，降低了滲氮層的表面脆性，變形小，滲層硬度分布曲線較平穩，不易產生剝落和熱疲勞。可滲的基體材料比氣體滲氮廣，無毒，不會爆炸，生產安全，但對形狀復雜模具，難以獲得均勻的加熱和均勻的滲層，且滲層較淺，過渡層較陡，溫度測定及溫度均勻性仍有待于解決。

離子滲氮溫度以450～520℃為宜，經處理6～9h后，滲氮層深約0.2～0.3mm。溫度過低，滲層太��；溫度過高，則表層易出現疏松層，降低抗粘模能力。離子滲氮其滲層厚度以0.2～0.3mm為宜。磨損后的離子滲氮模具，經修復和再次離子滲氮后，可重新投入使用，從而可大大地提高模具的總使用壽命。

2.氮碳共滲

氮碳共滲工藝溫度較低(560～570℃)，變形量小，經處理的模具鋼表面硬度高達900～1000HV，耐磨性好，耐蝕性強，有較高的高溫硬度，可用于壓鑄模、冷鐓模、冷擠模、熱擠模、高速鍛模及塑料模，分別可提高使用壽命1～9倍。但氣體氮碳共滲后常發生變形，膨脹量占化合物厚度的25%左右，不宜用于精密模具。處理前必經去應力退火和消除殘余應力。

例如：Cr12MoV鋼制鋼板彈簧孔沖孔凹模，經氣體氮碳共滲和鹽浴滲釩處理后，可使模具壽命提高3倍。又如：60Si2鋼制冷鐓螺釘沖頭，采用預先滲氮、短時碳氮共滲、直接淬油、低溫淬火及較高溫度回火處理工藝，可改善心部韌性，提高冷鐓沖頭壽命2倍以上。碳氮共滲工藝如圖1所示。

圖1 60Si2冷鐓模具的氮碳共滲和碳氮共滲工藝

3.碳氮硼三元共滲

三元共滲可在滲氮爐中進行，滲劑為含硼有機滲劑和氨，其比例為1∶7，共滲溫度為600℃，共滲時間4h，共滲層化合物層厚3～4μm，擴散層深度為0.23mm，表面硬度為HV011050。經共滲處理后模具的壽命顯著提高。

例如：3Cr2W8V鋼熱擠壓成形模，按圖2所示工藝處理后，再經離子碳、氮、硼三元共滲處理，可使模具的使用壽命提高4倍以上。

圖2模具熱處理工藝曲線

二、氣相沉積

氣相沉積技術是一種獲得薄膜(膜厚0.1～5μm)的技術。即在真空中產生待沉積的材料蒸汽，該蒸汽冷凝于基體上形成所需的膜。該項技術包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理化學氣相沉積(PCVD)。它是在鋼、鎳、鈷基等合金及硬質合金表面建立碳化物等覆蓋層的現代方法，覆蓋層有碳化物、氮化物、硼化物和復合型化合物等。

1.物理氣相沉積

物理氣相沉積技術，由于處理溫度低，熱畸變小，無公害，容易獲得超硬層，涂層均勻等特點，應用于精密模具表面強化處理，顯示出良好的應用效果。采用PVD處理獲得的TiN層可保證將塑料模的使用壽命提高3～9倍，金屬壓力加工工具壽命提高3～59倍。螺釘頭部凸模采用TiN層壽命不長，易發生脫落現象。

2.化學氣相沉積

化學氣相沉積技術，沉積物由引入高溫沉積區的氣體離解所產生。CVD處理的模具形狀不受任何限制。CVD可以在含碳量大于0.8%的工具鋼、滲碳鋼、高速鋼、軸承鋼、鑄鐵以及硬質合金等表面上進行。氣相沉積TiC、TiN能應用于擠壓模、落料模和彎曲模，也適用于粉末成型模和塑料模等。在金屬模具上涂覆TiC、TiN覆層的工藝，其覆層硬度高達3000HV，且耐磨性好、抗摩擦性能提高、沖模的使用壽命可提高1～4倍。

3.物理化學氣相沉積

由于CVD處理溫度較高，氣氛中含氯化氫多，如處理不當，易污染大氣。為克服上述缺點，用氬氣作載體，發展中溫CVD法，處理溫度750～850℃即可。此法在耐磨性、耐蝕性方面不亞于高溫CVD法。PCVD兼具CVD與PVD技術的特點，但要求精確監控，保證工藝參數穩定。

三、激光熱處理

近幾年來，激光熱處理技術在汽車工業、工模具工業中得到了廣泛的應用。它改善金屬材料的耐蝕性，特別是在工模具工業中，經激光熱處理的工模具的組織性能比常規熱處理有很大的改善。

1.激光淬火

由于激光處理時的冷速極快，因而可使奧氏體晶粒內部形成的亞結構在冷卻時來不及回復及再結晶，從而可獲得超細的隱針馬氏體結構，可顯著提高強韌性，延長模具使用壽命�，F用于激光淬火的模具材料有CrWMn、Cr12MoV、9CrSi、T10A、W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、GCr15等。這些鋼種經激光淬火后，其組織性能均得到很大的改善。例如，GCr15沖孔模，把其硬度由HRC58～62降至HRC45～50，并用激光進行強化處理，白亮層硬度為HV849，基體硬度為HV490，硬化層深度為0.37mm，模具使用壽命提高2倍以上。又如，CrWMn鋼加熱時易在奧氏體晶界上形成網狀的二次碳化物，顯著增加脆性，降低沖擊韌性，耐磨性也不能滿足要求。采用激光淬火可獲細馬氏體和彌散分布的碳化物顆粒，消除了網狀。在淬火回火態下激光淬火可獲得最大硬化層深度及最高硬度HV1017.2。

2.激光熔凝硬化

用高能激光照射工件表面，被照射區將以極高的速率熔化，一旦光源消除，熔區依靠金屬基體自身冷卻，冷卻速度極快。5CrNiMo滲硼層在激光熔凝處理后，與原始滲硼層相比，強化層深度增加，強化層硬度趨于平緩，滲硼層的脆性得到改善。

3.激光合金化

激光表面合金化的合金元素為W、Ti、Ni、Cr等，以Ni、Cr為合金元素時，合金化層組織為以奧氏體為基體的胞狀樹枝晶，以Ti作為激光表面合金化元素時，具有組織變質作用，能使合金化層的網狀碳化物變為繼續網狀或離散分布的碳化物。例如，T10A以Cr為激光表面合金化元素時，合金化層硬度可達HV900～1000。又如，CrWMn復合粉末激光合金化，可獲得綜合技術指標優良的合金層，經測定，體積磨損量為淬火CrWMn的1/10，其使用壽命提高14倍。

四、稀土元素表面強化

在模具表面強化中，稀土元素的加入對改善鋼的表層組織結構、物理、化學及機械性能都有極大影響。稀土元素具有提高滲速(滲速可提高25%～30%，處理時間可縮短1/3以上)，強化表面(稀土元素具有微合金化作用，能改善表層組織結構，強化模具表面)，凈化表面(稀土元素與鋼中P、S、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點有害雜質發生作用，形成高熔點化合物，同時抑制這些雜質元素在晶界上的偏聚，降低滲層的脆性)等多種功能。

1.稀土碳共滲

RE-C共滲可使滲碳溫度由920～930℃降低至860～880℃，減少模具變形及防止奧氏體晶粒長大；滲速可提高25～30%(滲碳時間縮短1～2h)；改善滲層脆性，使沖擊斷口裂紋形成能量和裂紋擴展能量提高約30%。

2.稀土碳氮共滲

RE-C-N共滲可提高滲速25%～32%，提高滲層顯微硬度及有效硬化層深度；使模具的耐磨性及疲勞極限分別提高1倍及12%以上；模具耐蝕性提高15%以上。RE-C-N共滲處理用于5CrMnMo鋼制熱鍛模，其壽命提高1倍以上。

3.稀土硼共滲

RE-B共滲的耐磨性較單一滲硼提高1.5～2倍，與常規淬火態相比提高3～4倍，而韌性則較單一滲硼提高6～7倍；可使滲硼溫度降低100℃～150℃，處理時間縮短一半左右。采用RE-B共滲可使Cr12鋼制拉深模壽命提高5～10倍，沖模壽命提高幾倍至數十倍。

4.稀土硼鋁共滲

RE-B-AI共滲所得共滲層，具有滲層較薄、硬度很高的特點，鋁鐵硼化合物具有較高的熱硬性和抗高溫氧化能力。H13鋼稀土硼鋁共滲滲層致密，硬度高(HV011900～2000)，相組成為d值發生變化(偏離標準值)的FeB和Fe2B相。經稀土硼鋁共滲后，鋁擠壓模使用壽命提高2～3倍，鋁材表面質量提高1～2級。

模具表面強化處理的方法還有很多，我們要結合各種模具的工作條件及其使用的經濟性等因素綜合考慮。因為通過擴散、浸滲、涂覆、濺射、硬化等方法，改變表面層的成份和組織，就可使零件具有內部韌、表面硬、耐磨、耐熱、耐蝕、抗疲勞、抗粘結的優異性能，可幾倍乃至幾十倍地提高模具使用壽命。

參考文獻
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