“冷冲压模具的表面热处理工艺”及“冷冲压模具的化学热处理工艺”讲解

1

1.火焰表面加热淬火

火焰表面加热淬火是通过喷嘴将火焰（通常用氧-乙炔）喷射到工件表面，将工件迅速加热到淬火温度，然后在规定的冷却介质中冷却到室温的热处理工艺。虽然该工艺比高频感应加热淬火落后，但与感应加热表面淬火相比，火焰表面加热淬火的设备简单、操作方便，特别适合大型模具零件和小批量、多品种模具零件的热处理。我国目前多用手工火焰加热淬火，缺点较多，若能改用机械化、自动化程度高的方法，则淬火质量更能保证并进一步提高。模具火焰加热淬火后能获得最高硬度，决定于钢的含碳量及淬火温度和冷却速度等因素。火焰淬火如果是手工操作，则是一种技巧性很强的操作，必须配备合适的工具。冷作模具钢均可进行火焰加热淬火且不导致裂纹。球墨铸铁、合金铸铁也可以进行火焰加热淬火。

火焰淬火加热时应注意防止过热，避免氧化和晶粒粗大化。淬火后建议在180-200℃进行回火。大型模具零件不便回火，可利用火焰局部加热或自回火。

2

2电解液表面加热淬火

电解液的加热是以直流电为电源在电解液中进行的，适用于表面加热淬火的电解液很多，一般采用（质量分数为8%-10%）Na

2CO3

4

水溶液。

电解液表面淬火原理见图5-13。工件置于电解液中（局部或全部）作为阴极，金属电解槽作为阳极。电路接通后，电解液发生电离，在阳极上放出氧，在阴极上放出氢。氢围绕工件形成气膜，产生很大的电阻，通过的电流转化为热能将工件表面迅速加热到临界点以上温度。电路断开气膜消失，加热的工件在电解液中即实现淬火冷却。此方法使用的设备简单，淬火变形小，适用于形状简单、小工件的批量生产。电解液温度不能超过60℃。温度过高，氢气膜不稳定，影响加热过程，还

会加速溶液的蒸发。常用电压为160-180V，最高不超过260V，电流密度范围4-10A/cm

2，通常可选用6 A/cm2

。电流密度过大时，加热速度快，淬硬层薄。在加热过程中，应将工件的位置加以固定，否则会造成电流密度的变化，使淬硬层质量恶化。加热时间可通过试验确定。工件在电解液中可采用端部自由加热、端部绝缘加热、回转加热和连续加热等方式。

模具表面化学热处理的强化是指将模具零件治愈铁定置于特定的活性介质中加热和保温，是一种或几种元素渗入模具零件表面，以改变表层的化学成分，组织，是表层具有与心都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，一般以渗入的元素来命名根据渗入的元素不同，模具的化学热处理可分为渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗硫，硫氮共渗，渗硼，碳氮硼三元素共渗，硫氮氮三元素共渗，渗金属（渗铝，渗络，渗钒，渗锌或多元素金属共渗）等。常用化学热处理的方法及作用见表5-4.

6

（一）.渗碳

渗碳是目前模具表面热处理中应用最广泛的一种热处理方法，气功一特点是降低碳钢或低糖合金钢模具在增碳的活性介质中加热到850-950摄氏度，保温一定的时间，是碳原子渗入表面层，随后淬火并低温回火是模具表层与心部具有不同的成分，组织或性能。

模具零件经渗碳后使其表面硬度和耐磨性大大提高，同时由于心不和表面的含碳量不同。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。

7

1．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5-14），渗碳剂是木炭和碳酸钡的混合物。其中木炭起渗碳作用，碳酸钡起催化作用。渗碳温度一般为900-950℃。在此高温下，木炭与空隙中的氧气反应形成CO

2，CO

与C反应形成不稳定的CO，CO在工作表面分解得到活性碳愿子，即可渗入工件表面形成渗碳层。

9

2.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5-15），滴入煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体，这些渗碳剂在炉中形成含有H

2、CH、CO和少量的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58-62HRC的小型模具。

12

1）气体渗碳工艺操作

以某井式气体渗碳工艺为例，使用于20Cr、20CrMnTi等钢制造的模具零件，其渗层神的要求为1.1-1.3mm。渗碳剂为没有直接滴入。渗碳过程中排气、强烈渗碳、扩散剂降温四个部分组成，如下图5-16所示.。

（1） 排气。模具零件入炉后必将引起炉温降低，同时带入大量空气。排期阶段的作用在于恢复炉温规定的渗碳温度，在此阶段应尽量排除炉内的空气。通常采用加大渗剂流量以使炉内氧化性气氛迅速减少。排气时间往往在仪表温度达到渗碳要求的温度后尚需延长30-60min，以使炉温成分达到要求，并使炉内温度均匀及工件烧透。排气不好会造成渗碳速度慢、质量不合格等缺陷。

（2） 强烈渗碳。排气阶段结束后，及进入强烈渗碳阶段。其特点的是渗碳剂滴量较多或气氛较浓，使工件表面渗碳浓度高于最后要求，增大表面的渗碳浓度梯度，以提高渗碳速度。强烈渗碳时间主要取决于层深要求。

扩散。渗碳进入扩散阶段是以减少渗碳剂量或浓度为标志。此时炉气渗碳

（1） 能力降低，表层过剩的碳继续向内部扩散，最后得到要求的深度及合适的碳浓度分布。扩散阶段所需时间由中间试棒的渗碳层深度决定。

（2） 降温。对于可直接淬火的零件应随炉冷却适宜的淬火温度（一般在840-860℃），并保温在15-30min是零件内外温度均匀后出炉淬火；对于需重新加热的零件，可自渗碳温度出炉入缓冷罐。

13

2）气体渗碳操作要点

为了保证渗碳质量，模具零件在进入渗碳炉前应清除表面污垢、铁锈及油脂等。常用热水或Na

2CO3

的水溶液作为介质。对锈蚀工件可采取喷砂清理。

零件装在料筐或挂具上，彼此间应留出5-10mm的间隙，以保证渗碳介质能与零件充分接触和循环流通。渗碳炉密封性要求好，并始终保持炉内气氛为正压力(一般在196.1-588.4Pa)。风扇应始终保持逆转，似使零件能经常与新鲜气体接触。排气口要点燃，以免废气污染空气，并便于判断炉内工作情况，有条件的应经常进行炉气分析。

根据生产经验，用煤油渗碳时，炉内气氛成分应控制在以下范围内：CnH2n+2(1.0%-1.5%),CnH2n≤0.6%,CO(20%-35%),H2(50%-65%)

CO2≤0.5%,N2

2

余量。在这种气氛下对20CrMnTi等钢件渗碳后表层含碳量（体积分数）在0.8%-1.0%之间，而且炭黑很少。

零件出炉时间根据随炉试样的层深检查结果决定。试样材料应于零件相同。对于不同钢中或层深者不宜同炉渗碳。另外对于新渗罐、新的工具或久未用得炉罐应预先渗碳。在正常渗生产情况下，停炉再升温生产时应进行炉腔渗碳。

21

3）渗碳零件淬火

渗碳只能改变零件表面的化学成分，而零件表面的最终强化则必须经过适当的热处理。通过热处理使零件的高碳表层获得细小的马氏体、适量的残留奥氏体和弥散分布的粒状碳化物；零件的心部由低碳马氏体、托氏体、索氏体等组织组成。渗碳后可采用不同的热处理方法：直接淬火、一次淬火、二次淬火等。

（1） 直接淬火。直接淬火是指工件渗碳后随炉降温或出炉预冷到高于A

r1或Ar3

温度(760-850℃)，然后直接淬火的方法，淬火后在150-200℃回火到2-3小时。随炉降温或出炉预冷的目的是为了减少淬火内应力，从而减少零件的变形。同时，还使高碳的奥氏体中析出一部分碳化物，降低奥氏体中的碳浓度，从而减少淬火后的残留奥氏体，获得较高的表面硬度。

其次淬火的优点是：减少加热或冷却的次数，简化操作，生产效率高，还可以减少淬火变形及表面氧化、脱碳倾向。直接淬火后适用于20CrMnTi等本质细晶粒钢，不适用于本质粗晶粒钢及渗碳时表面碳浓度高的零件。

（2） 一次淬火。模具零件渗碳后立即出炉或降温到860-880℃出炉，在冷却坑内冷却至室温，然后再重新加热淬火。适用于本质粗晶粒钢零件，不适用于直接淬火零件。

（3） 二次淬火。对本质粗晶粒钢或使用性能要求很高的零件，要采用两次淬火或一次正火加一次淬火，以保证模具零件心部和渗层都达到高的性能要求。第一次淬火（或正火）温度碳钢为880-900℃，合金钢为850-870℃，目的是细化心部组织，并消除表面 状碳化物。第二次淬火温度则根据高碳的表层来决定，一般选择在稍高于A

c1

的温度（770-820℃）。两次淬火，有可能出现较大的淬火缺陷，工艺比较复杂，生产周期长，故仅用于对表面层耐磨性、疲劳强度和心部韧性等要求较高的重载荷零件。

23

3.真空渗碳

将被处理的模具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，模具钢的表面很干净，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。

24

4.CD渗碳

CD渗碳法采用含有大量强碳化物形成元素（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3-5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。

25

5.渗碳工艺

渗碳工艺应用于模具表面强化，主要体现在以下两个方面。

26

1） 应用于低、中碳钢的渗碳

塑料制品模具的形状复杂，表面光洁程度要求高，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、冷塑性变形性能好的塑料模具钢，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型，再进行渗碳或碳氮共渗处理。

27

2） 应用于部分热作模具及冷作模具

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1140-1150℃淬火，550℃回火两次，表面硬度可达58-61HRC，使热挤压有色金属及其合金的模具寿命提高1.8-3.0倍。