模具性能提升的方法介绍

文/凤巢

模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果，这也正是表面处理技术得到迅速发展的原因。

模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。虽然旨在提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。

渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式，每一种渗氮方式中，都有若干种渗氮技术，可以适应不同钢种不同工件的要求。由于渗氮技术可形成优良性能的表面，并且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的协调性，同时渗氮温度低，渗氮后不需激烈冷却，模具的变形极小，因此模具的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的。

模具渗碳的目的，主要是为了提高模具的整体强韧性，即模具的工作表面具有高的强度和耐磨性，由此引入的技术思路是，用较低级的材料，即通过渗碳淬火来代替较高级别的材料，从而降低制造成本。

硬化膜沉积技术目前较成熟的是CVD、PVD。为了增加膜层工件表面的结合强度，现在发展了多种增强型CVD、PVD技术。硬化膜沉积技术最早在工具(刀具、刃具、量具等)上应用，效果极佳，多种刀具已将涂覆硬化膜作为标准工艺。模具自上个世纪80年代开始采用涂覆硬化膜技术。目前的技术条件下，硬化膜沉积技术(主要是设备)的成本较高，仍然只在一些精密、长寿命模具上应用，如果采用建立热处理中心的方式，则涂覆硬化膜的成本会大大降低，更多的模具如果采用这一技术，可以整体提高我国的模具制造水平。

模具硬不硬，要看热处理！

热处理的作用就是提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。按照热处理不同的目的，热处理工艺可分为两大类：预备热处理和最终热处理。

1.预备热处理

预备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。其热处理工艺有退火、正火、时效、调质等。

（1）退火和正火

退火和正火用于经过热加工的毛坯。含碳量大于0.5%的碳钢和合金钢，为降低其硬度易于切削，常采用退火处理；含碳量低于0.5%的碳钢和合金钢，为避免其硬度过低切削时粘刀，而采用正火处理。退火和正火尚能细化晶粒、均匀组织，为以后的热处理作准备。退火和正火常安排在毛坯制造之后、粗加工之前进行。

（2）时效处理

时效处理主要用于消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力。

为避免过多运输工作量，对于一般精度的零件，在精加工前安排一次时效处理即可。但精度要求较高的零件（如座标镗床的箱体等），应安排两次或数次时效处理工序。简单零件一般可不进行时效处理。

除铸件外，对于一些刚性较差的精密零件（如精密丝杠），为消除加工中产生的内应力，稳定零件加工精度，常在粗加工、半精加工之间安排多次时效处理。有些轴类零件加工，在校直工序后也要安排时效处理。

（3）调质

调质即是在淬火后进行高温回火处理，它能获得均匀细致的回火索氏体组织，为以后的表面淬火和渗氮处理时减少变形作准备，因此调质也可作为预备热处理。

由于调质后零件的综合力学性能较好，对某些硬度和耐磨性要求不高的零件，也可作为最终热处理工序。

2.最终热处理

最终热处理的目的是提高硬度、耐磨性和强度等力学性能。

（1）淬火

淬火有表面淬火和整体淬火。其中表面淬火因为变形、氧化及脱碳较小而应用较广，而且表面淬火还具有外部强度高、耐磨性好，而内部保持良好的韧性、抗冲击力强的优点。为提高表面淬火零件的机械性能，常需进行调质或正火等热处理作为预备热处理。其一般工艺路线为：下料--锻造--正火（退火）--粗加工--调质--半精加工--表面淬火--精加工。

（2）渗碳淬火

渗碳淬火适用于低碳钢和低合金钢，先提高零件表层的含碳量，经淬火后使表层获得高的硬度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性和塑性。渗碳分整体渗碳和局部渗碳。局部渗碳时对不渗碳部分要采取防渗措施（镀铜或镀防渗材料）。由于渗碳淬火变形大，且渗碳深度一般在0.5~2mm之间，所以渗碳工序一般安排在半精加工和精加工之间。

其工艺路线一般为：下料-锻造-正火-粗、半精加工-渗碳淬火-精加工。当局部渗碳零件的不渗碳部分采用加大余量后，切除多余的渗碳层的工艺方案时，切除多余渗碳层的工序应安排在渗碳后，淬火前进行。

（3）渗氮处理

渗氮是使氮原子渗入金属表面获得一层含氮化合物的处理方法。渗氮层可以提高零件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。由于渗氮处理温度较低、变形小、且渗氮层较薄（一般不超过0.6~0.7mm），渗氮工序应尽量靠后安排，为减小渗氮时的变形，在切削后一般需进行消除应力的高温回火。