模具常用的热处理和表面强化与改性技术
1．表面形变强化技术
随着现代工业技术的发展，对于模具使用性能提出了更高的要求。努力缩短模具的生产周期，提高模具的质量，延长模具寿命，直接或间接带来的社会效益和经济效益是难以估量的。材料和热处理是影响模具质量、性能和使用寿命最重要的内在因素，60%模具的早期失效是由材料和热处理的因素造成的。为了提高模具的强度及模具的耐磨性，充分挖掘模具材料的性能潜力，延长模具服役寿命，采取了许多有效的措施。从节约能源、节约资源、充分发挥材料的性能潜力，获得特殊性能和最大技术经济效益出发，发展和应用表面强化工艺技术是提高模具使用性能和寿命的极重要的发展方向，喷丸强化就是其中的一种经济、简便而有效的模具表面处理工艺方法，值得大力推广。下面主要以喷丸为例子来阐述其应用情况。
1）模具喷丸及作用
喷丸强化是借助于硬丸粒，高速、连续打击金属表面，使其产生强烈的冷作硬化。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高模具的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能。喷丸还可改变模具的表面粗糙度，并有效地去除电火花加工而产生的表面变质层。
喷丸强化方法简单易行，节约能源，适用于落料模、冷锻模、冷镦模和热锻模等以疲劳失效形式为主的模具，如锻模服役时，要经受弯曲和热膨胀，常发生因局部屈服而导致显微裂纹，喷丸处理产生压应力能推迟显微裂纹的形成，从而延迟发生模具龟裂。
喷丸过程就是大量弹丸喷射到零件表面上的过程，而弹丸喷射到零件表面上犹如无数小锤对表面锤击，因此，金属零件表面产生极为强烈的塑性变形，使模膛表面产生一定厚度的冷作硬化层，称为表面强化层，此强化层会显著地提高零件在高温和高应力工作条件下的疲劳强度。
2）喷丸模膛的表层变化
模膛表面形成的强化层之所以会改善模具的疲劳性能，其原因是在强化层内有着完全不同于基体（即模体）的应力状态及组织结构，一般地说零件疲劳强度的提高与表面强化层内表面层的宏观残余应力、表面层的微观应力和表面层的微细嵌镶组织有关。
（1）宏观残余应力。适当的、分布合理的残余压应力可以提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。从而延长零件和构件的使用寿命；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故，所以零件部件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。喷丸可改变应力分布状态，使模膛表面形成一条很宽的压应力分布带，从而可极大地提高疲劳强度和模膛的实际承载能力。
喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化模具表面的手段，模具喷丸的强化机理是弹丸流的撞击使模具材料发生塑性变形，从而导致冷作硬化；弹丸流的撞击改变了表面残余应力的状态和分布，使模具材料表层和次表层产生很大的残余压应力，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理的重要因素。
（2）表面层的微观应力。喷丸处理后模具的表面硬度增加，距表面越近，效果越明显，喷丸造成的模具表面硬度增加是由于表层组织形变强化及残余压应力值增大的综合结果。
（3）表面层的微细嵌镶组织。喷丸还能促使模具表层的组织发生转变，即残余奥氏体诱发转变为马氏体，并且能够细化马氏体的亚结构，进一步提高模具表面硬度和耐磨性，从而延长模具的使用寿命。
3）喷丸机和喷丸工艺参数
喷丸机有气动式喷丸机和离心式喷丸机之分。气动式喷丸机是由空气压缩机供给的压缩空气通过喷枪时造成负压将弹丸吸人并高速喷出喷嘴，形成弹丸流喷射的零件表面。喷丸机中还有一个使零件运动的机构，能保证喷丸的均匀性和有一定的覆盖范围。喷丸强化主要要控制好喷丸强度，任意给定的喷丸操作条件都存在一个确定的喷丸强度，但要确定这个喷丸强度需要进行弧高度曲线的测定。
弧高度曲线测定的是在其他的喷丸强化工艺参数不高的条件下，同一类型的试片分别各自接受不同时间的喷丸，由此获得一级弧高度值随喷丸时间（或喷丸次数）变化的数据，由这组数据来绘制的弧高度值与时间的关系曲线。
2．模具的涂镀层改性技术
1）镀硬铬方法在一部分模具的表面强化中占有重要地位。它具有镀层摩擦系数小、硬度高（1100HV左右）、应用简便、可反复处理的优点。但要注意，如果镀层厚度选择不合理，就会造成模具过早损坏。在模具承受强压或冲击时，镀层容易剥落，造成模具过早损坏。所以冷镦模和冲裁模不可使用镀硬铬，它只适合于加工应力较小的压弯和成形等模具。
2）镀镍磷合金
将经过预备处理的工件浸入含有镍盐、还原剂和其他添加剂的溶液中，便会在工件表面发生自催化还原反应，使溶液中的镍离子还原为金属，并沉积在工件（模具）表面上形成镀层。如果采用次亚磷酸钠作为还原剂，所得到的镀层实际上是磷含量为3%～5%的镍磷合金。镍磷合金镀层的化学稳定性高，孔隙率低，耐蚀性优于铬镀层。同时，镀层表面光滑，对钢的摩擦系数较小，且润滴性良好，使模具脱模容易。化学镀镍磷合金可用于冷作模具和塑料模具的表面防护，可提高表面的耐磨性、耐蚀性和抗咬合性能。
3）化学气相沉积
根据化学沉积原理进行表面被覆的方法称为化学气相沉积法，简称CVD。将需要渗层的模具工作零件在真空中加热到1000℃左右，然后通往TiCl4、H2、CH4等反应气体，气体遇到高温的工作表面，在高温作用下可生成TiN、TiC等化合物，并牢固地粘附在模具零件表面，形成超硬涂层。由于必须通氢气使反应炉冷却，因此在一般情况下，被处理零件很难直接淬火，需在CVD处理之后再在真空炉或气体炉中进行加热淬火处理。工件要两次升到高温，因此要特别注意模具零件的变形。由于TiN、TiC硬度高，并且与被加工的钢材亲合力差，所以即使在苛刻的条件下进行塑性加工，也能防止模具的损伤和出现咬合现象。
CVD是用化学方法使反应气体在基础材料表面发生化学反应形成覆盖层（TiC、TiN）的方法。通常，CVD的反应温度在900℃以上，覆层硬度达到2000HV以上，但高的温度容易使工件变形，沉积层界面易发生反应。发展趋势是降低温度，开发新的涂层成分，例如，金属有机化合物CVD（MOCVD），激光CVD（LCVD），等离子CVD（PCVD）等。
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