模具的表面超硬化處理
發(fā)布者： 源晟鍵 時(shí)間：10/7/2019 6:21:59 PM
一、擴(kuò)散法金屬碳化物覆層技術(shù)介紹
1、技術(shù)簡(jiǎn)介
擴(kuò)散法金屬碳化物覆層技術(shù)是將工件置于特種介質(zhì)中，經(jīng)擴(kuò)散作用于工件表面形成一層數(shù)微米至數(shù)十微米的金屬碳化物層。該碳化物層具有極高的硬度，HV可達(dá)1600~3000（由碳化物種類(lèi)決定），此外，該碳化物履層與基體冶金結(jié)合，不影響工件表面光潔度，具有極高的耐磨、抗咬合（粘結(jié)）、耐蝕等性能，可大幅度提高工模具及機(jī)械零件的使用壽命。
2、與相關(guān)技術(shù)的比較
通過(guò)在工件表面形成超硬化合物膜層的方法，是大幅度提高其耐磨、抗咬合（抗粘結(jié)）、耐蝕等性能，從而大幅度提高其使用壽命的有效而經(jīng)濟(jì)的方法。目前，工件表面超硬化處理方法主要有物理氣相沉積（PVD），化學(xué)氣相沉積（CVD），物理化學(xué)氣相沉積（PCVD），擴(kuò)散法金屬碳化物履層技術(shù)，其中，PVD法具有沉積溫度低，工件變形小的優(yōu)點(diǎn)，但由于膜層與基體的結(jié)合力較差，工藝?yán)@鍍性不好，往往難以發(fā)揮超硬化合物膜層的性能優(yōu)勢(shì)。CVD法具有膜基結(jié)合力好，工藝?yán)@鍍性好等突出優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于大量的鋼鐵材料而言，其后續(xù)基體硬化處理比較麻煩，稍有不慎，膜層就易破壞。因此其應(yīng)用主要集中在硬質(zhì)合金等材料上。PCVD法沉積溫度低，膜基結(jié)合力及工藝?yán)@鍍性均較PVD法有較大改進(jìn)，但與擴(kuò)散法相比，膜基結(jié)合力仍有較大差距，此外由于PCVD法仍為等離子體成膜，雖然繞鍍性較PVD法有所改善，但無(wú)法消除。
由擴(kuò)散法金屬碳化物覆層技術(shù)形成的金屬碳化物覆層，與基體形成冶金結(jié)合，具有PVD、PCVD無(wú)法比擬的膜基結(jié)合力，因此該技術(shù)真正能夠發(fā)揮超硬膜層的性能優(yōu)勢(shì)，此外，該技術(shù)不存在繞鍍性問(wèn)題，后續(xù)基體硬化處理方便，并可多次重復(fù)處理，使該技術(shù)的適用性更為廣泛。
3、技術(shù)優(yōu)勢(shì)
擴(kuò)散法金屬碳化物覆層技術(shù)在日本、歐洲各國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)等國(guó)應(yīng)用廣泛。據(jù)調(diào)查，許多進(jìn)口設(shè)備上的配套模具大量地使用了該技術(shù)，這些模具在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化時(shí)，由于缺乏相應(yīng)的成熟技術(shù)，往往使模具壽命低，有些甚至無(wú)法國(guó)產(chǎn)化。
該技術(shù)國(guó)內(nèi)七十年代就有人研究過(guò)，但由于各方面條件的限制，工藝及設(shè)備往往難以經(jīng)過(guò)批量和長(zhǎng)期生產(chǎn)的考驗(yàn)，使該技術(shù)中的一些實(shí)際存在的問(wèn)題不易暴露或難以解決，往往半途而廢。我們?cè)谑嗄甑难芯颗c應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)該技術(shù)存在的工藝、設(shè)備上的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，并進(jìn)行了有效的改進(jìn)，經(jīng)改進(jìn)后的工藝及成套設(shè)備已能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)的要求，所處理的模具壽命水平達(dá)到進(jìn)口同類(lèi)模具壽命水平，取得了豐富的各類(lèi)模具實(shí)際應(yīng)用的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為大規(guī)模推廣應(yīng)用該技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
4、適用范圍
擴(kuò)散法金屬碳化物覆層技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各類(lèi)因磨損、咬合而引起失效的工模具或機(jī)械零件。其中，因磨損而引起的失效（如沖裁，冷鐓，粉末成型等模具）可提高壽命數(shù)倍至數(shù)十倍；因咬合而引起的產(chǎn)品或模具的拉傷問(wèn)題（如引伸模，翻邊模等），可以從根本上予以解決。
適用材料：
模具鋼，含碳量大于0.3%的結(jié)構(gòu)鋼，鑄鐵，硬質(zhì)合金。
5、應(yīng)用實(shí)例及圖例
（1）應(yīng)用實(shí)例
模具名稱(chēng) 模具材料 被加工材料 使用效果
沖裁模 SKD-11 0.5mm不銹鋼板 提高20倍以上
沖頭 Cr12MoV 低碳鋼板 提高6倍以上
冷鐓模 Cr12 低碳鋼 提高9倍以上
成型模 Cr12MoV WC+Co粉末 提高20倍以上
引伸模 SKD-11 低碳鋼板 不處理引伸數(shù)件即拉毛,處理后引伸80萬(wàn)件以上
翻邊模 Cr12MoV 不銹鋼板 不處理使用2小時(shí)即拉毛，處理后可用3個(gè)月以上。
焊管成型輥 Cr12MoV 不銹鋼板 成功解決拉毛問(wèn)題，壽命較氮化模具高出5倍以上
沖頭、頂桿、翻邊模
二、不銹鋼焊管模具表面超硬化處理技術(shù)
不銹鋼焊管是在焊管成型機(jī)上，由不銹鋼板經(jīng)若干道模具碾壓成型并經(jīng)焊接而成。由于不銹鋼的強(qiáng)度較高，且其結(jié)構(gòu)為面心立方晶格，易形成加工硬化，使焊管成型時(shí)：一方面模具要承受較大的摩擦力，使模具容易磨損；另一方面，不銹鋼板料易與模具表面形成粘結(jié)（咬合），使焊管及模具表面形成拉傷。因此，好的不銹鋼成型模具必須具備極高的耐磨和抗粘結(jié)（咬合）性能。我們對(duì)進(jìn)口焊管模具的分析表明，該類(lèi)模具的表面處理都是采用超硬金屬碳化物或氮化物覆層處理。
不銹鋼焊管成型模具材料一般是由高碳高鉻的Cr12MoV（或SRD11，D2，DC53）制成。目前國(guó)內(nèi)普遍采用如下工藝流程制作模具：下料→粗加工→熱處理（高溫淬火加高溫回火）→精加工→氮化→成品（注：為節(jié)省成本，一般生產(chǎn)廠家現(xiàn)在都省去了鍛造與球化退火兩道耗時(shí)，費(fèi)財(cái)工序）。由于Cr12MoV類(lèi)材料屬于高碳高鉻合金鋼，其原始組織存在很大的成份偏析（這種偏析即使一般的鍛造也無(wú)法消除）。這樣經(jīng)過(guò)熱處理（高淬高回）的模具內(nèi)部組織極不均勻，宏觀表現(xiàn)為硬度極不均勻（HRC四十幾至六十左右），再經(jīng)氮化處理，模具表面不均勻性無(wú)法消除，基體硬度甚至進(jìn)一步降低，實(shí)際使用時(shí)，表現(xiàn)為模具及焊管表面均易拉傷，模具壽命低。
源晟鍵焊管模具機(jī)械有限公司潛心研究的模具表面超硬化處理技術(shù)已成功應(yīng)用于不銹鋼焊管成型模具上。經(jīng)該技術(shù)處理的模具在其表面形成硬度高達(dá)HV3000左右的金屬碳化物層，該碳化物層致密，與基體結(jié)合緊密，不影響工件的表面光潔度，具有極高的耐磨，抗咬合性能，可從根本上解決焊管的拉毛問(wèn)題，減少制管后續(xù)拋光工序的工作量并提高產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度提高模具使用壽命，減少售后服務(wù)工作量。實(shí)踐表明，該技術(shù)具有極高的使用價(jià)值。以下是該工藝處理模具與氮化處理模具的有關(guān)比較。
1、性能：
氮化模具本工藝處理模具
表面硬度：HV700~1000左右 HV3000左右
基體硬度：極不均勻 HRC58~62
HRC40~60
2、工藝流程：
氮化模具：下料→粗加工→熱處理（高淬高回）→精加工→氮化→成品本工藝處理模具：下料→全部加工到位（無(wú)須熱處理）→本工藝處理（基體硬化與表面處理一次完成）?！?nèi)孔→成品
由工藝流程可看出，采用本工藝可縮短模具的加工周期。
3、使用效果：
本工藝處理的模具較氮化模具可從根本上解決焊管的拉毛，從而減少焊管后續(xù)拋光工序的工作量并提高產(chǎn)品質(zhì)量（因大量拋光而使管壁減簿），大幅度提高模具使用壽命，減少售后服務(wù)工作量。
該碳化物層具有極高的硬度，HV可達(dá)1600~3000（由碳化物種類(lèi)決定），此外，該碳化物履層與基體冶金結(jié)合，不影響工件表面光潔度，具有極高的耐磨、抗咬合（粘結(jié)）、耐蝕等性能，可大幅度提高工模具及機(jī)械零件的使用壽命。
2、與相關(guān)技術(shù)的比較
通過(guò)在工件表面形成超硬化合物膜層的方法，是大幅度提高其耐磨、抗咬合（抗粘結(jié)）、耐蝕等性能，從而大幅度提高其使用壽命的有效而經(jīng)濟(jì)的方法。目前，工件表面超硬化處理方法主要有物理氣相沉積（PVD），化學(xué)氣相沉積（CVD），物理化學(xué)氣相沉積（PCVD），擴(kuò)散法金屬碳化物履層技術(shù)，其中，PVD法具有沉積溫度低，工件變形小的優(yōu)點(diǎn)，但由于膜層與基體的結(jié)合力較差，工藝?yán)@鍍性不好，往往難以發(fā)揮超硬化合物膜層的性能優(yōu)勢(shì)。CVD法具有膜基結(jié)合力好，工藝?yán)@鍍性好等突出優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于大量的鋼鐵材料而言，其后續(xù)基體硬化處理比較麻煩，稍有不慎，膜層就易破壞。因此其應(yīng)用主要集中在硬質(zhì)合金等材料上。PCVD法沉積溫度低，膜基結(jié)合力及工藝?yán)@鍍性均較PVD法有較大改進(jìn)，但與擴(kuò)散法相比，膜基結(jié)合力仍有較大差距，此外由于PCVD法仍為等離子體成膜，雖然繞鍍性較PVD法有所改善，但無(wú)法消除。
由擴(kuò)散法金屬碳化物覆層技術(shù)形成的金屬碳化物覆層，與基體形成冶金結(jié)合，具有PVD、PCVD無(wú)法比擬的膜基結(jié)合力，因此該技術(shù)真正能夠發(fā)揮超硬膜層的性能優(yōu)勢(shì)，此外，該技術(shù)不存在繞鍍性問(wèn)題，后續(xù)基體硬化處理方便，并可多次重復(fù)處理，使該技術(shù)的適用性更為廣泛。
3、技術(shù)優(yōu)勢(shì)
擴(kuò)散法金屬碳化物覆層技術(shù)在日本、歐洲各國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)等國(guó)應(yīng)用廣泛。據(jù)調(diào)查，許多進(jìn)口設(shè)備上的配套模具大量地使用了該技術(shù)，這些模具在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化時(shí)，由于缺乏相應(yīng)的成熟技術(shù)，往往使模具壽命低，有些甚至無(wú)法國(guó)產(chǎn)化。
該技術(shù)國(guó)內(nèi)七十年代就有人研究過(guò)，但由于各方面條件的限制，工藝及設(shè)備往往難以經(jīng)過(guò)批量和長(zhǎng)期生產(chǎn)的考驗(yàn)，使該技術(shù)中的一些實(shí)際存在的問(wèn)題不易暴露或難以解決，往往半途而廢。我們?cè)谑嗄甑难芯颗c應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)該技術(shù)存在的工藝、設(shè)備上的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，并進(jìn)行了有效的改進(jìn)，經(jīng)改進(jìn)后的工藝及成套設(shè)備已能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)的要求，所處理的模具壽命水平達(dá)到進(jìn)口同類(lèi)模具壽命水平，取得了豐富的各類(lèi)模具實(shí)際應(yīng)用的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為大規(guī)模推廣應(yīng)用該技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
4、適用范圍
擴(kuò)散法金屬碳化物覆層技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各類(lèi)因磨損、咬合而引起失效的工模具或機(jī)械零件。其中，因磨損而引起的失效（如沖裁，冷鐓，粉末成型等模具）可提高壽命數(shù)倍至數(shù)十倍；因咬合而引起的產(chǎn)品或模具的拉傷問(wèn)題（如引伸模，翻邊模等），可以從根本上予以解決。
適用材料：
模具鋼，含碳量大于0.3%的結(jié)構(gòu)鋼，鑄鐵，硬質(zhì)合金。
5、應(yīng)用實(shí)例及圖例
（1）應(yīng)用實(shí)例
模具名稱(chēng) 模具材料 被加工材料 使用效果
沖裁模 SKD-11 0.5mm不銹鋼板 提高20倍以上
沖頭 Cr12MoV 低碳鋼板 提高6倍以上
冷鐓模 Cr12 低碳鋼 提高9倍以上
成型模 Cr12MoV WC+Co粉末 提高20倍以上
引伸模 SKD-11 低碳鋼板 不處理引伸數(shù)件即拉毛,處理后引伸80萬(wàn)件以上
翻邊模 Cr12MoV 不銹鋼板 不處理使用2小時(shí)即拉毛，處理后可用3個(gè)月以上。
焊管成型輥 Cr12MoV 不銹鋼板 成功解決拉毛問(wèn)題，壽命較氮化模具高出5倍以上
沖頭、頂桿、翻邊模
二、不銹鋼焊管模具表面超硬化處理技術(shù)
不銹鋼焊管是在焊管成型機(jī)上，由不銹鋼板經(jīng)若干道模具碾壓成型并經(jīng)焊接而成。由于不銹鋼的強(qiáng)度較高，且其結(jié)構(gòu)為面心立方晶格，易形成加工硬化，使焊管成型時(shí)：一方面模具要承受較大的摩擦力，使模具容易磨損；另一方面，不銹鋼板料易與模具表面形成粘結(jié)（咬合），使焊管及模具表面形成拉傷。因此，好的不銹鋼成型模具必須具備極高的耐磨和抗粘結(jié)（咬合）性能。我們對(duì)進(jìn)口焊管模具的分析表明，該類(lèi)模具的表面處理都是采用超硬金屬碳化物或氮化物覆層處理。
不銹鋼焊管成型模具材料一般是由高碳高鉻的Cr12MoV（或SRD11，D2，DC53）制成。目前國(guó)內(nèi)普遍采用如下工藝流程制作模具：下料→粗加工→熱處理（高溫淬火加高溫回火）→精加工→氮化→成品（注：為節(jié)省成本，一般生產(chǎn)廠家現(xiàn)在都省去了鍛造與球化退火兩道耗時(shí)，費(fèi)財(cái)工序）。由于Cr12MoV類(lèi)材料屬于高碳高鉻合金鋼，其原始組織存在很大的成份偏析（這種偏析即使一般的鍛造也無(wú)法消除）。這樣經(jīng)過(guò)熱處理（高淬高回）的模具內(nèi)部組織極不均勻，宏觀表現(xiàn)為硬度極不均勻（HRC四十幾至六十左右），再經(jīng)氮化處理，模具表面不均勻性無(wú)法消除，基體硬度甚至進(jìn)一步降低，實(shí)際使用時(shí)，表現(xiàn)為模具及焊管表面均易拉傷，模具壽命低。
源晟鍵焊管模具機(jī)械有限公司潛心研究的模具表面超硬化處理技術(shù)已成功應(yīng)用于不銹鋼焊管成型模具上。經(jīng)該技術(shù)處理的模具在其表面形成硬度高達(dá)HV3000左右的金屬碳化物層，該碳化物層致密，與基體結(jié)合緊密，不影響工件的表面光潔度，具有極高的耐磨，抗咬合性能，可從根本上解決焊管的拉毛問(wèn)題，減少制管后續(xù)拋光工序的工作量并提高產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度提高模具使用壽命，減少售后服務(wù)工作量。實(shí)踐表明，該技術(shù)具有極高的使用價(jià)值。以下是該工藝處理模具與氮化處理模具的有關(guān)比較。
1、性能：
氮化模具本工藝處理模具
表面硬度：HV700~1000左右 HV3000左右
基體硬度：極不均勻 HRC58~62
HRC40~60
2、工藝流程：
氮化模具：下料→粗加工→熱處理（高淬高回）→精加工→氮化→成品本工藝處理模具：下料→全部加工到位（無(wú)須熱處理）→本工藝處理（基體硬化與表面處理一次完成）?！?nèi)孔→成品
由工藝流程可看出，采用本工藝可縮短模具的加工周期。
3、使用效果：
本工藝處理的模具較氮化模具可從根本上解決焊管的拉毛，從而減少焊管后續(xù)拋光工序的工作量并提高產(chǎn)品質(zhì)量（因大量拋光而使管壁減簿），大幅度提高模具使用壽命，減少售后服務(wù)工作量。
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