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压铸模具表面强化处理工艺
摘要：热处理是提高压铸模具使用寿命的重要环节。调查表明：因热处理工艺或操作不当而导致模具断裂失效占失效总数的60％左右。因此，在压铸模具生产中，需要进行正确的热处理工艺操作。...
金属压铸具有生产效率高、节省原材料、降低生产成本、产品性能好和精度高等特点，在生产上得到广泛应用。
压铸模具的工作表面，直接与液态金属接触，承受高压、高速流动的液态金属的冲蚀和加热，在工件脱模以后，又受到急速冷却，因此，热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀是压铸模具常见的失效形式，所以，要求压铸模具有耐冷热疲劳性能、高温下的强度和韧性、耐液态金属冲蚀性能、较高的耐热性和高的导热性、良好的抗氧化性能和高的淬透性及耐磨性等。
热处理是提高压铸模具使用寿命的重要环节。调查表明：因热处理工艺或操作不当而导致模具断裂失效占失效总数的60％左右。因此，在压铸模具生产中，需要进行正确的热处理工艺操作。
一、压铸模具的制造工艺路线
1.一般压铸模
锻造—球化退火—机械粗加工—稳定化处理—精加工成形—淬火及回火—钳工装配。
2.形状复杂、精度要求高的压铸模
锻造—球化退火（或调质处理）—粗加工—调质—电加工或精加工成形—钳工修磨—渗氮（或氮碳共渗）—研磨抛光。
二、压铸模具常规热处理工艺
热处理工艺在压铸模具制造中应用极为广泛，它能提高模具零件的使用性能，延长模具使用寿命。此外，热处理还可以改善压铸模具的加工工艺性能，提高加工质量，减少刀具磨损，因此，在模具制造中占有十分重要的地位。
压铸模具主要用钢来制造，其制造工序中的常规热处理为：球化退火、稳定化处理、调质和淬、回火。通过这些热处理工艺对钢的组织结构进行改变，使压铸模具获得所需要的组织和性能。
1.预先处理
锻压后的压铸模模坯，必须采用球化退火或调质热处理，一方面消除应力降低硬度，便于切削加工，同时为最终热处理做好组织准备。退火后，可获得均匀的组织和弥散分布的碳化物，以改善模具钢的强韧性。由于调质处理的效果优于球化退火，所以，强韧性要求高的模具，常常以调质代替球化退火。
2.稳定化处理
压铸模一般来说型腔比较复杂，在粗加工时会产生较大的内应力，在淬火时会产生变形。为了消除应力，一般在粗加工后应进行去应力退火，即稳定化处理。
其工艺为：加热温度650℃-680℃，保温2-4h后出炉空冷。形状较复杂的压铸模需炉冷至400℃以下出炉空冷。模具淬火回火后进行电火花加工，加工表面会产生变质层，易引起线切割裂纹，也应进行较低温度的去应力退火。
3.淬火预热
压铸模用钢多为高合金钢，因其导热性差，在淬火加热时必须缓慢进行，常采取预热措施。对于防变形要求不高的模具，在不产生开裂的情况下，预热次数可以少些，但防变形要求高的模具，必须多次预热。较低温度（400℃-650℃）的预热，一般在空气炉中进行；较高温度的预热，应采用盐浴炉，预热时间仍按1 min/mm计。
4.淬火加热
对于典型压铸模用钢来说，高的淬火加热温度有利于提高热稳定性和抗软化的能力，减轻热疲劳倾向，但会引起晶粒长大和晶界形成碳化物，使韧性和塑性下降，导致严重开裂。因此，压铸模要求有较高韧性时，往往采用低温淬火，而要求具有较高的高温强度时，则采用较高温度淬火。
为了获得良好的高温性能，保证碳化物能充分地溶解，得到成分均匀的奥氏体，压铸模的淬火保温时间都比较长，一般在盐浴炉中加热保温系数取0.8-1.0 min/mm。
5.淬火冷却
对于形状简单、防变形要求不高的压铸模采用油冷；而形状复杂、防变形要求高的压铸模采用分级淬火。为了防止变形和开裂，无论采用什么冷却方式，都不允许冷至室温，一般应冷到150℃-180℃、均热一定时间后立即回火，均热时间可按0.6 min/mm计算。
6.回火
压铸模必须充分回火，一般回火三次。第一次回火温度选在二次硬化的温度范围；第二次回火温度的选择要使模具达到所要求的硬度；第三次回火要低于第二次l0℃-20℃。回火后均采用油冷或空冷，回火时间不少于2 h。
三、压铸模具表面强化处理工艺
常规的总体淬火已很难满足压铸模具高的表面耐磨性和基体的强韧性要求。
表面强化处理不仅能提高压铸模具表面的耐磨性及其他性能，而且能使基体保持足够的强韧性，同时防止熔融金属粘模、浸蚀，这对改善压铸模具的综合性能，节约合金元素，大幅度降低成本，充分发挥材料的潜力，以及更好地利用新材料，都是十分有效的。
生产实践表明，表面强化处理是提高压铸模具质量和延长模具使用寿命的重要措施。压铸模具常采用的表面强化处理工艺有：渗碳、渗氮、氮碳共渗、渗硼、渗铬和渗铝等。
1.渗碳
渗碳是目前机械工业中应用最广泛的一种化学热处理方法。其工艺特点是：将中低高碳的低合金模具钢和中高碳的高合金钢模具在增碳的活性介质（渗碳剂）中，加热到900℃-930℃，使碳原子渗入模具表面层，继之以淬火并低温回火，使模具的表层和心部具有不同的成分、组织和性能。
渗碳又分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。近期又发展到可控气氛渗碳、真空渗碳和苯离子渗碳等。
渗碳工艺应用于冷、热作和塑料模具表面强化中，都能提高模具寿命。如3Cr2W8V钢制的压铸模具，先渗碳、再经1140～1150℃淬火，550℃回火两次，表面硬度可达HRC56～61,使压铸有色金属及其合金的模具寿命提高1.8～3.0倍。进行渗碳处理时，主要的工艺方法有固体粉末渗碳、气体渗碳、以及真空渗碳、离子渗碳和在渗碳气氛中加入氮元素形成的碳氮共渗等。其中，真空渗碳和离子渗碳则是近20年来发展起来的技术，该技术具有渗速快、渗层均匀、碳浓度梯度平缓以及工件变形小等特点，将会在模具表面尤其是精密模具表面处理中发挥越来越重要的作用。
2.渗氮
将氮渗入钢表面的过程称为钢的氮化。氮化能使模具零件获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性能、疲劳性能、红硬性和耐蚀性能。因为氮化温度较低（500-570℃），氮化后模具零件变形较小。
渗氮方法有固体渗氮、液体渗氮和气体渗氮。目前，正在广泛应用离子渗氮、真空渗氮、电解催渗渗氮和高频渗氮等新技术，缩短了渗氮时间，并可获得高质量的渗氮层。
3.氮碳共渗
氮碳共渗是在含有活性碳、氮原子的介质中同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的低温氮碳共渗工艺（530℃-580℃）。氮碳共渗的渗层脆性小，共渗时间比渗氮时间大为缩短。压铸模经氮碳共渗后，可显著提高其热疲劳性能。
恶劣的工作条件，要求压铸模具有良好的高温力学性能、耐冷热疲劳性能、耐液态金属冲蚀性能、抗氧化性能和高的淬透性及耐磨性等，热处理是决定这些性能的主要制造工艺。
4.氮碳共渗
氮碳共渗是在含有活性碳、氮原子的介质中同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的低温氮碳共渗工艺（530℃-580℃）。氮碳共渗的渗层脆性小，共渗时间比渗氮时间大为缩短。压铸模经氮碳共渗后，可显著提高其热疲劳性能。
恶劣的工作条件，要求压铸模具有良好的高温力学性能、耐冷热疲劳性能、耐液态金属冲蚀性能、抗氧化性能和高的淬透性及耐磨性等，热处理是决定这些性能的主要制造工艺。
压铸模具的热处理，就是通过对钢的组织结构进行改变，使模具表面获得很高的硬度及耐磨性，而心部仍具有足够的强度和韧性，同时有效防止熔融金属粘模、浸蚀。选用恰当的热处理工艺，可减少废品和显著提高模具使用寿命。
随着我国汽车摩托车工业的迅速发展，压铸行业迎来了发展的新时期。同时，也对压铸模具的综合力学性能、寿命等提出了更高的要求。要满足不断提高的使用性能需求仅仅依靠新型模具材料的应用仍然很难满足用户的需求，必须将各种表面处理技术应用到压铸模具的表面处理当中才能达到对压铸模具高效率、高精度和高寿命的要求。在各种模具中，压铸模具的工作条件是较为苛刻的。压力铸造是使熔融金属在高压、高速下充满模具型腔而压铸成型，在工作过程中反复与炽热金属接触，因此要求压铸模具有较高的耐热疲劳、导热性耐磨性、耐蚀性、冲击韧性、红硬性、良好的脱模性等,各种压铸模具表面处理新技术不断涌现。
由于压铸模具的材料多种多样，同样的表面处理技术和工艺应用在不同的材料上也会产生不同的效果。史可夫提出针对模具基材和表面处理技术的基材预处理技术，在传统工艺的基础上，对不同的模具材料提出适合的加工工艺，从而改善模具性能，提高模具寿命。热处理技术改进的另一个发展方向，是将传统的热处理工艺与先进的表面处理工艺相结合，提高压铸模具的使用寿命。如将化学热处理的方法碳氮共渗，与常规淬火、回火工艺相结合的NQN（即碳氮共渗-淬火-碳氮共渗）复合强化，不但得到较高的表面硬度，而且有效硬化层深度增加、渗层硬度梯度分布合理、回火稳定性和耐蚀性提高，从而使得压铸模具在获得良好心部性能的同时，表面质量和性能大幅提高。
压铸模具的表面处理技术要求较高，近年来各种压铸模具表面处理新技术不断涌现
表面改进技术
一、表面热扩渗技术
表面热扩散技术这一类型中包括有渗碳、渗氮、渗硼以及碳氮共渗、硫碳氮共渗等。
1、 渗碳和碳氮共渗
渗碳工艺应用于冷、热作和塑料模具表面强化中，都能提高模具寿命。进行渗碳处理时，主要的工艺方法有固体粉末渗碳、气体渗碳、以及真空渗碳、离子渗碳和在渗碳气氛中加入氮元素形成的碳氮共渗等。
其中，真空渗碳和离子渗碳则是近20年来发展起来的技术，该技术具有渗速快、渗层均匀、碳浓度梯度平缓以及工件变形小等特点，将会在模具表面尤其是精密模具表面处理中发挥越来越重要的作用。
2、渗氮及有关的低温热扩渗技术
这一类型中包括渗氮、离子渗氮、碳氮共渗、氧氮共渗、硫氮共渗以及硫碳氮、氧氮硫三元共渗等方法。
这些方法处理工艺简便、适应性强、扩渗温度较低（一般为480～600℃）、工件变形小，尤其适应精密模具的表面强化，而且氮化层硬度高、耐磨性好，有较好的抗粘模性能。
3、渗硼
由于渗硼层的高硬度（FeB：HV1800～2300、Fe2B：HV1300～1500）、耐磨性和红硬性，以及一定的耐蚀性和抗粘着性，渗硼技术在模具工业中获得较好的应用效果。
但因压铸模具工作条件十分苛刻，故渗硼工艺较少应用于压铸模具表面处理中，但近年来，出现了改进的渗硼方法，解决了上述问题，而得以应用于压铸模具的表面处理。
如多元、涂剂粉末渗等。涂剂粉末渗硼的方法是将硼化合物和其他渗剂混合后涂覆在压铸模具表面，待液体挥发后，再按照一般粉末渗硼的方法装箱密封，920℃加热并保温8h，随之空冷。
这种方法可以获得致密、均匀的渗层，模具表面渗层硬度、耐磨性和弯曲强度都得到提高，模具使用寿命平均提高2倍以上。
4、稀土表面强化
近年来，在模具表面强化中采用加入稀土元素的方法得到广泛推崇。这是因为稀土元素具有提高渗速、强化表面及净化表面等多种功能耐磨焊条，它对改善模具表面组织结构，表面物理、化学及力学性能均有极大地影响，可提高渗速、强化表面、生成稀土化合物。
同时可消除分布在晶界上微量杂质的有害作用，起着强化和稳定模具型腔表面晶界的作用。另外，稀土元素与钢中的有害元素发生作用，生成高熔点化合物，又可抑制这些有害元素在晶界上偏聚，从而降低深层的脆性等。
在压铸模具表面强化处理工艺中加入稀土元素成分，能够明显提高各种渗入法的渗层厚度、提高表面硬度，同时使得渗层组织细小弥散、硬度梯度下降，从而使得模具的耐磨性、抗冷、热疲劳性能等显著提高，从而大幅度提高模具寿命。
目前应用于压铸模具型腔表面的处理方法有：稀土碳共渗、稀土碳氮共渗、稀土硼共渗、稀土硼铝共渗、稀土软氮化、稀土硫氮碳共渗等。
激光表面处理
激光表面处理是使用激光束进行加热，使工件表面迅速熔化一定深度的薄层，同时采用真空蒸镀、电镀、离子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其与基体金属充分融合，冷凝后在模具表面获得厚度为10～1000μm具有特殊性能的合金层，冷却速度相当于激冷淬火。
如在H13钢表面采用激光快速熔融工艺进行处理，熔区具有较高的硬度和良好的热稳定性，抗塑性变形能力高，对疲劳裂纹的萌生和扩展有明显的抑制作用。
涂镀技术
涂镀技术作为模具强化技术的一种，主要应用在塑料模、玻璃模、橡胶模、冲压模等工作环境相对简单的模具表面处理。压铸模具需要承受冷热应力交替的苛刻环境，所以一般不使用涂镀技术来强化压铸模具表面。
但近年来，有报道采用化学复合镀的方法强化压铸模具表面，以提高模具表面抗粘着性、脱模性。该方法在铝基压铸模具上将聚四氟乙烯微粒浸润后进行（NiP）－聚四氟乙烯复合镀。
实验证明，此方法在工艺上和性能上均为可行，大大降低了模具表面的摩擦系数。
模具压力加工是机械制造的重要组成部分，而模具的水平、质量和寿命则与模具表面强化技术休戚相关。鉴于表面处理是提高压铸模具寿命的重要手段之一，因此要提高我国压铸模具生产整体水平，表面处理技术将起着举足轻重的作用。
