模具制造的成本高,特別是一些精密復(fù)雜的冷沖模、塑料模、壓鑄模等。采用熱處理技術(shù)提高模具的使用性能,可以大幅度提高模具壽命,有顯著的經(jīng)濟效益。我國模具技術(shù)工作者十分重視模具熱處理技術(shù)的發(fā)展。
一.真空熱處理
模具鋼經(jīng)真空熱處理后,有良好的表面狀態(tài),變形小。與大氣下的淬火比較,真空油淬后模具表面硬化比較均勻,而且略高一些,主要原因是真空加熱時,模具鋼表面呈活性狀態(tài),不脫碳,不產(chǎn)生阻礙冷卻的氧化膜。在真空下加熱,鋼的表面有脫氣效果,因而具有較高的力學(xué)性能,爐內(nèi)真空度越高,抗彎強度越高。真空淬火后,鋼的斷裂韌性有所提高,模具壽命比常規(guī)工藝普遍提高40%-400%,甚至更高。
冷作模具真空淬火技術(shù)已得到較廣泛的使用。
二.深冷處理
近年來的研究工作表明,模具鋼經(jīng)深冷處理(-196℃),可以提高其力學(xué)性能,一些模具經(jīng)深冷處理后顯著提高了使用壽命。
模具鋼的深冷可以在淬火和回火工序之間進行,也可在淬火回火之后進行深冷處理。如果在淬火、回火后鋼中仍保留有殘余奧氏體,則在深冷處理后仍需要再進行一次回火。深冷處理能提高鋼的耐磨性和抗回火穩(wěn)定性。
深冷處理不僅用于冷作模具,也可用于熱作模具和硬質(zhì)合金。深冷處理技術(shù)已越來越受到模具熱處理工作者的關(guān)注,已開發(fā)出專用深冷處理設(shè)備。不同鋼種在深冷過程中的組織變化及其微觀機制及其對力學(xué)性能的影響,尚需進一步研究。
三.模具的高溫淬火和降溫淬火
一些熱作模具鋼,如3Cr2W8V、H13、5CrNiMo、5CrMnMo等,采用高于常規(guī)淬火溫度加熱淬火,可以減少鋼中碳化物的數(shù)量、改善其形態(tài)和分布,使固溶于奧氏體中碳的分布均勻化,淬火后可在鋼中獲得更多的板條馬氏體,提高其斷裂韌性和冷熱疲勞抗力,從而延長模具使用壽命。例如,3Cr2W8V鋼制的一種熱擠壓模具,常規(guī)淬火溫度為1080-1120℃,回火溫度為560-580℃。當(dāng)淬火溫度提高至1200℃,回火溫度為680℃(2次),模具壽命提高了數(shù)倍。
W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速鋼和Cr12MoV等高合金冷作模具鋼,可適當(dāng)降低其淬火溫度,以改善其塑韌性,減少脆性開裂傾向,從而提高模具壽命。例如,W6Mo5Cr4V2的淬火溫度可選用1140-1160℃。
四.化學(xué)熱處理
化學(xué)熱處理,能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗咬合、抗氧化性等性能。幾乎所有的化學(xué)熱處理工藝均可用于模具鋼的表面處理。
研究工作表明,高碳及低合金工具鋼和中高碳高合金鋼均可進行滲碳或碳氮共滲。高碳低合金鋼滲碳或碳氮共滲時,應(yīng)盡可能選取較低的加熱溫度和較短的保溫時間,此時可保證表層有較多的未溶碳化物核心,滲碳和碳氮共滲后,表層碳化物呈顆粒狀,碳化物總體積也有明顯增加,可以增加鋼的耐磨性。W6Mo5Cr4V2和65Nb鋼制模具進行滲碳以及65Nb鋼制模具真空滲碳后,模具的壽命均有顯著提高。
采用500-650℃高溫回火的合金鋼模具,均可在低于回火溫度的范圍內(nèi)或在回火的同時進行表面滲氮或氮碳共滲。
滲氮工藝,目前多采用離子滲氮、高頻滲氮等工藝。離子滲氮可以縮短滲氮時間,并可獲得高質(zhì)量的滲層。離子滲氮可以提高壓鑄模的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞性和抗粘附性能。
氮碳共滲可在氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)中進行,滲層脆性小,共滲時間比滲氮時間大為縮短。壓鑄模、熱擠壓模經(jīng)氮碳共滲后,可顯著提高其熱疲勞性能。氮碳共滲對冷鐓模、冷擠壓模、冷沖模、拉伸模等均有很好的應(yīng)用效果。
冷作模具和熱作模具還可以進行硫氮或硫氮碳共滲。近年,許多研究工作都表明,稀土有明顯的催滲效果,從而發(fā)展了稀土氮共滲、稀土氮碳共滲等新工藝。
五.滲硼和滲金屬
滲硼可以是固體滲硼、液體滲硼和膏劑滲硼等,應(yīng)用最多的是固體滲硼,市場上已有固體滲硼劑供應(yīng)。固體滲硼后,表層的硬度高達1400-2800HV,耐磨性高,耐腐蝕性和抗氧化性能都較好。
滲硼工藝常用于各種冷作模具上,由于耐磨性的提高,模具壽命可提高數(shù)倍或十余倍。采用中碳鋼滲硼有時可取代高合金鋼制作模具。滲硼也可應(yīng)用于熱作模具,如熱擠壓模等。
滲硼層較脆,擴散層比較薄,對滲層的支撐力弱,為此,可采用硼氮共滲或硼碳氮共滲,以加強過渡區(qū),使其硬度變化平緩。為改善滲硼層脆性,可采用硼釩、硼鋁共滲。
滲金屬包括滲鉻、滲釩、滲鈦等工藝,均可用于處理冷作和熱作模具,其中TD法(熔鹽滲金屬)已得到一些應(yīng)用,可使模具壽命提高幾倍乃至十幾倍。
六.氣相沉積
氣相沉積按形成的基本原理,分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。
PVD分為真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍。離子鍍是蒸鍍和濺射鍍相結(jié)合的技術(shù),離子鍍膜具有粘著力強、均鍍能力好、被鍍基體材料和鍍層材料可以廣泛搭配等優(yōu)點,因而獲得較廣泛的應(yīng)用。近年來,多弧離子鍍受到人們的重視。目前,在模具上應(yīng)用較多的是離子鍍TiN,這種膜不僅硬度高,而且膜的韌性好、結(jié)合力強、耐高溫。在TiN基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多元膜,如(TiAl)N、(TiCr)N等,性能優(yōu)于TiN,是一類更有前途的新型薄膜。
CVD是用化學(xué)方法使反應(yīng)氣體在基礎(chǔ)材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成覆蓋層(TiC、TiN)的方法。CVD有多種方法。通常,CVD的反應(yīng)溫度在900℃以上,覆層硬度達到2000HV以上,但高的溫度容易使工件變形,沉積層界面易發(fā)生反應(yīng)。發(fā)展趨勢是降低溫度,開發(fā)新的涂層成分。例如,金屬有機化合物CVD(MOCVD),激光CVD(LCVD),等離子CVD(PCVD)等。
七.高能束熱處理
高能束熱處理的熱源通常是指激光、電子束、離子束等,它們共同的特征是:供給材料表面功率密度至少1000W/cm2。它們的共同特點是:加熱速度快,加熱面積可根據(jù)需要選擇,工件變形小,不需要冷卻介質(zhì),處理環(huán)境清潔,可控性能好,便于實現(xiàn)自動化處理。
國內(nèi)外對高能束熱處理的原理、工藝等均投入較多的研究,比較成熟的是激光相變硬化、小尺寸電子束處理和中等功率的離子注入,并在提高模具壽命方面獲得了應(yīng)用。 |