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1、42 模具表面的化学热处理技术 化学热处理是指将钢件置于特定的活性介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层的化学成分、组织，使表层具有与心部不同的力学性能或特殊的物理、化学性能的热处理工艺。化学热处理的种类很多，一般都以渗入的元素来命名，常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗氮碳共渗、渗硼、渗金属等。,421 渗碳 渗碳是把钢件置于含有活性碳的介质中，加热到850950，保温一定时间，使碳原子渗入钢件表面的化学热处理工艺。工件经渗碳后其表面硬度和耐磨性大大提高，同时由于心部和表面的碳含量不同，硬化后的表面获得有利的残余压应力，从而进一步提高渗碳工件的弯曲疲劳强度和接触疲劳
2、强度。根据渗碳介质的物理状态不同，可将渗碳方法分为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳和离子（CD）渗碳等。,4211 固体渗碳 固体渗碳是将工件置于填满木炭和碳酸钡的密封箱内进行，见图4-1。渗碳剂是木炭和碳酸钡的混合物。其中木炭起渗碳作用，碳酸钡起催渗作用。渗碳温度一般为900950在此高温下，木炭与空隙中的氧气反应形成CO2，CO2与C反应形成不稳定的CO，CO在工件表面分解得到活性碳原子，即可渗入工件表面形成渗碳层。,4212 气体渗碳 气体渗碳采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂。国内应用最广的气体渗碳方法是滴注式气体渗碳，其方法是将工件置于密封的加热炉中，见图4-2，滴入煤油、丙酮、甲苯及甲
3、醇等有机液体，这些渗碳剂在炉中形成含有H2、CH4、CO和少量CO2的渗碳气氛，钢件在高温下与气体介质发生反应。工件经渗碳后必须进行淬火才能获得高硬度、高耐磨性。渗碳主要用于承受大冲击、高强度、使用硬度为5862HRC的小型模具。,4213 真空渗碳 真空渗碳是一个不平衡的增碳扩散型渗碳工艺，被处理的工件在真空中加热到奥氏体化，并在渗碳气氛中渗碳，然后扩散、淬火。由于渗碳前是在真空状态下加热，钢的表面很干净，非常有利于碳原子的吸附和扩散。与气体渗碳相比，真空渗碳的温度高，渗碳时间可明显缩短。,4214 CD渗碳 CD渗碳是20世纪80年代后期出现的渗碳方法。CD渗碳法采用含有大量强碳化物形成元
4、素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具钢在渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时，渗层中沉淀出大量弥散合金碳化物，弥散碳化物含量达50以上，呈细小均匀分布，淬火、回火后可获得很高的硬度和耐磨性。 经CD渗碳的模具心部没有像Cr12型模具钢和高速钢中出现粗大共晶碳化物和严重的碳化物偏析，因而其心部韧性比Cr12MoV钢提高35倍。实践表明，CD渗碳模具的使用寿命大大超过Cr12型冷作模具钢和高速钢。,渗碳工艺应用于模具表面强化，主要体现在两个方面。一方面用于低、中碳钢的渗碳。例如，塑料制品模具的形状复杂，表面粗糙度要求高，常用冷挤压反印法来制造模具的型腔。因此，可采用碳含量较低、塑性变形性能
5、好的塑料模具钢，如20、20Cr、12CrNi3A钢以及美国的P2、P3、P4、P5钢等。先将退火状态的模具钢冷挤压反印法成形，再进行渗碳或碳氮共渗处理。,低碳钢渗碳后以表面层含碳量0.851.05为最好，见图4-3。由图可见，随含碳量增加，铁素体（见图4-3下部白色部分）逐渐减少，含碳量高于1，网状渗碳体（见图4-3上部亮白色部分）增多。,压制含有矿物填料的塑料制品时，模具的渗碳层深度应厚一些，一般为1.31.5mm；压制软性塑料时，渗碳层为0.81.2mm；对有尖齿、薄边的模具，则以0.20.6mm为佳。渗碳时，应控制表层含碳量在0.71.0的范围内，过高的含碳量将使模具表面抛光性能变差，
6、影响塑料制品的质量。预硬型塑料模具钢（P20钢）经渗碳淬火后，不仅可使钢的表面硬度大幅度提高，还可以使模具抛光易达到镜面级的粗糙度。,渗碳工艺应用于部分热作模具及冷作模具，也可提高模具表面的硬度和使用寿命。例如，3Cr2W8V钢热挤压模具，先渗碳再经11401150淬火，550回火两次，表面硬度可达5861HRC，使热挤压有色金属及其合金的模具寿命提高1.83.0倍。,4215 渗碳应用实例 例1 3Cr2W8V热挤模的高温渗碳 1模具概况 轴承套圈的材料是GCr15钢，采用热挤压工艺制造毛坯。挤压时的工作温度950。模具凹、凸模的表面温度为600700，模具在高温和高应力共同作用下寿命较低。
7、因此，挤压模具的凸模、凹模采用3Cr2W8V材料制造。未采取表面处理措施以前的热处理工艺为1100淬火，然后580回火，模具凹、凸模的表面硬度为4448HRC，模具寿命为10002000件。其主要失效形式有以下几种：,（1）热磨损造成挤压凸模和凹模表面拉毛，进而造成沟槽，致使模具因工作零件磨损而失效。 （2）由于交变热应力和弯曲应力的作用，使凸模沿根部断裂。 （3）由于热应力和凸、凹模表面各种交变应力的作用，使凸模表面和凹模型腔产生龟裂。 在上述三种失效形式中，以第一种失效形式出现的最多。,通过分析模具失效的原因，寻找提高模具寿命的措施。3Cr2W8V是一种广泛使用的热作模具钢。分析其成分，含
8、合金元素W、Cr较多，而含碳量较少，为使模具工作零件表层有足够的含碳量与钢材原有的W、Cr合金元素相适应，应采用高温渗碳的方法。模具工作零件表层含碳量增加以后，模具工作零件表层的耐磨性和热硬性显著提高，而心部仍保持有足够的韧性，以提高轴承热挤压模具的寿命。,2渗碳工艺 采用固体渗碳，渗碳箱为300mm300mm170mm，用不锈钢制成。渗碳剂为市售颗粒固体渗碳剂。加热设备为RJJ-25-13高温箱式炉。渗碳后淬火介质为L-AN32全损耗系统用油（原20号机油）。金相试样棒为15mm20mm，渗碳层深度试样棒为30mm100mm。 将挤压凸模、凹模埋入渗碳箱，密封后装入炉中，升温至850，保温1
9、2h，再升温至渗碳温度。达到渗碳温度后，保温23h，随炉降温到1000，停留一段时间后迅速出炉开箱淬火。,轴承是定型的产品，大批量生产，故有条件通过试验，确定最适宜的渗碳温度。试验采用的渗碳温度为1000、1050、1100、1150。 模具工作零件及试样经不同温度渗碳直接淬火后，需回火处理。回火温度的数值是通过试验得出的。图4-4是模具的凸模经1100高温渗碳并直接淬火后，其表面硬度随回火温度变化的曲线。显然，在500550为模具的二次硬化峰区，回火温度超过650，模具硬度开始明显下降。考虑到二次硬化时对模具韧性的影响，最后选用600620为热挤压模具的回火温度。模具工作零件渗碳后，采用两次
10、回火。,表4-7是加工6209轴承用的凸模经不同温度渗碳直接淬火后，经600两次回火，对其表面强度、渗碳深度、金相组织的检验结果。分析表4-7中数据可知，方案具有良好的渗碳层组织和表面状况，因此选用1100作为模具的高温渗碳温度。图4-5是根据上述条件确定的轴承热挤压模具工作零件高温渗碳的热处理工艺曲线。,按图4-5所示的工艺处理后，对试件表层含碳量进行分析，得到表层含碳量的分布情况如图4-6所示。从图中可以看出，其表层含碳量分布极为平缓，无明显转折区。试件基体（C）（碳的质量分数）为0.41，可以看出有较深的渗碳层。,热加工模具工作时反复在高温和常温下变化，故需考虑模具工作零件的耐回火性，图
11、4-7是模具工作零件回火稳定曲线。显然高温渗碳使模具工作零件具有较高的抗回火性能。图4-7中曲线1和曲线2分别是1100高温渗碳淬火后，在580和600回火温度下热挤压模具的热稳定性能。,可以认为：曲线1比曲线2具有更高的抗回火能力储备，但考虑到热挤压模具的工作条件及组织稳定，为避免因附加应力的增加而导致韧性降低，实际应用中还是选用600620回火温度为宜。 3使用效果 经上述工艺处理的模具工作零件，使模具使用寿命显著提高。生产6304、6205、6209、6210轴承套圈的热挤压模具，对其凸模和凹模采用高温渗碳处理后，寿命提高410倍，表4-8是采用相同的3Cr2W8V材料而采用不同淬火工艺
12、其寿命和失效形式的比较。,表4-9是模具工作零件采用高温渗碳与采用液体氮碳共渗、渗硼、硼氮共渗化学热处理工艺的对比结果。从使用结果来看，采用3Cr2W8V制造工作零件的热挤压模具经高温渗碳处理后，模具使用寿命不仅比普通热处理工艺有较大幅度的提高，而且，同其他化学热处理相比，其使用寿命可与硼氮共渗相媲美。,4分析与讨论 3Cr2W8V经高温渗碳工艺处理后，之所以具有高的热硬性、高温耐磨性和热稳定性，以及良好的断裂韧度和耐热疲劳性，经分析可能是因为其有： （1）良好的表层碳浓度分布 由于高温渗碳是在1100高温下进行的，致使铁原子的自扩散能力增强，钢表面空位数量及位错密度显著增加，有利于碳的扩散，
13、从而造成渗碳层碳浓度分布极为平缓，无明显转折区，因此渗层与基体结合性良好，不易剥落。由图4-6还可以看出：模具经高温渗碳处理后，表面（C）0.8左右，这种碳浓度被认为具有较好的力学性能，实际使用过程中也已得到证实。,（2）良好的渗层组织及性能 3Cr2W8V热挤压模具高温渗碳组织为：在回火马氏体基体上分布着大量细小、弥散的合金碳化物，这些优异的碳化物形态和分布能显著增加模具工作零件的耐磨性、热硬性和热稳定性。此外，由于高温下奥氏体成分比较均匀，使淬火后残留奥氏体细小分布，也间接地提高了模具工作零件的韧性。 通过显微观察发现，高温渗碳与普通渗碳相比，其表层合金碳化物无论从形态、数量还是从弥散分布
14、程度上均有较大差异，结果造成表层和次层合金元素“富集”，增加了表面合金化程度，提高了凹、凸模的表面性能。,（3）良好的心部组织及性能 3Cr2W8V热挤压模具在1100高温下渗碳，其心部组织的奥氏体转变也变得较均匀，淬火后，可得到较多的板条马氏体组织，能提高钢的韧性，防止模具工作零件早期断裂。同时，心部组织的硬度也较高，硬度为4548HRC。渗层与基体硬度差异小，故其结合能力强。,（4）良好的高温力学性能 热挤压模具经高温渗碳后，由于表层组织为回火马氏体基体上分布着大量细小、弥散的特殊合金化合物，且这类碳化物不易积聚长大，从而使得模具工作零件具有高的热硬性、耐磨性及热稳定性，基本上消除了模具使
15、用过程中的“拉毛现象”。,对加工套圈10000件后的模具工作零件表面进行检测，发现其硬度值仍能保持在5054HRC，表面也无明显磨损。 综上所述，3Cr2W8V钢的模具工作零件表层具有类似高速钢的强度性能，而心部有3Cr2W8V钢强韧化处理后高的综合力学性能，这种“外强内韧”的良好配合性能决定了热挤压模具具有高的使用寿命。,5注意事项 （1）应选用杂质少的渗碳剂。 （2）渗碳后淬火应迅速，尽量减少模具氧化脱碳现象。 （3）渗碳淬火后工件表面可能有局部烧损现象，应留有适量磨量，但不宜过大，以免破坏表层压应力分布。 （4）渗碳淬火后应迅速转入后加工工序，否则应进行防锈处理。 （5）为保持热挤压模具
16、具有良好的热疲劳性能，表面（C）1。,例2 20Cr钢成形模具的渗碳处理 汽车里程表的软轴是在软钢丝两端焊接方接头而形成的，其中方接头的形状如图4-8a所示，方接头的材料为Y15钢，先用自动车床加工成右部为3.15mm13.4mm的毛坯，再在160kN压力机上用成形模冷镦成图4-8a所示的正方形截面。,成形模的工作部位如图4-8b所示，用Cr12MoV钢制成，硬度为6062HRC，成形模在工作过程中工件有明显的加工硬化现象，模具工作零件所承受的挤压应力和拉应力都很大，往往在冲压百件左右后，即从90角处开裂，若采用降低模具工作零件硬度的方法，则因承受挤压能力下降，易引起模口变形。该模具虽然形状简单，但对性能有特殊要求，模口表面要求具有较高的硬度和高的耐磨性，对模具工作零件基体材料则要求有良好的韧性和足够的强度。要求模具工作零件表面硬度高，心部硬度梯度平缓。,用20Cr钢渗碳制造的模具工作
