金屬模具表面超硬化處理技術

一、擴散法金屬碳化物覆層技術介紹

1、技術簡介

    擴散法金屬碳化物覆層技術是將工件置于特種介質中，經(jīng)擴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1600~3000（由碳化物種類決定），此外，該碳化物履層與基體冶金結合，不影響工件表面光潔度，具有極高的耐磨、抗咬合（粘結）、耐蝕等性能，可大幅度提高工模具及機械零件的使用壽命。

2、與相關技術的比較

    通過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）、耐蝕等性能，從而大幅度提高其使用壽命的有效而經(jīng)濟的方法。目前，工件表面超硬化處理方法主要有物理氣相沉積（PVD），化學氣相沉積（CVD），物理化學氣相沉積（PCVD），擴散法金屬碳化物履層技術，其中，PVD法具有沉積溫度低，工件變形小的優(yōu)點，但由于膜層與基體的結合力較差，工藝繞鍍性不好，往往難以發(fā)揮超硬化合物膜層的性能優(yōu)勢。CVD法具有膜基結合力好，工藝繞鍍性好等突出優(yōu)點，但對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。因此其應用主要集中在硬質合金等材料上。PCVD法沉積溫度低，膜基結合力及工藝繞鍍性均較PVD法有較大改進，但與擴散法相比，膜基結合力仍有較大差距，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，但無法消除。

    由擴散法金屬碳化物覆層技術形成的金屬碳化物覆層，與基體形成冶金結合，具有PVD、PCVD無法比擬的膜基結合力，因此該技術真正能夠發(fā)揮超硬膜層的性能優(yōu)勢，此外，該技術不存在繞鍍性問題，后續(xù)基體硬化處理方便，并可多次重復處理，使該技術的適用性更為廣泛。

3、技術優(yōu)勢

    擴散法金屬碳化物覆層技術在日本、歐洲各國、澳大利亞、韓國等國應用廣泛。據(jù)調查，許多進口設備上的配套模具大量地使用了該技術，這些模具在進行國產化時，由于缺乏相應的成熟技術，往往使模具壽命低，有些甚至無法國產化。

    該技術國內七十年代就有人研究過，但由于各方面條件的限制，工藝及設備往往難以經(jīng)過批量和長期生產的考驗，使該技術中的一些實際存在的問題不易暴露或難以解決，往往半途而廢。我們在十多年的研究與應用的過程中，對該技術存在的工藝、設備上的實際問題進行了深入的研究，并進行了有效的改進，經(jīng)改進后的工藝及成套設備已能夠滿足長期穩(wěn)定生產的要求，所處理的模具壽命水平達到進口同類模具壽命水平，取得了豐富的各類模具實際應用的生產經(jīng)驗，為大規(guī)模推廣應用該技術奠定了堅實的技術基礎。

4、適用范圍

    擴散法金屬碳化物覆層技術可以廣泛應用于各類因磨損、咬合而引起失效的工模具或機械零件。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；因咬合而引起的產品或模具的拉傷問題（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%的結構鋼，鑄鐵，硬質合金。

二、不銹鋼焊管模具表面超硬化處理技術

    不銹鋼焊管是在焊管成型機上，由不銹鋼板經(jīng)若干道模具碾壓成型并經(jīng)焊接而成。由于不銹鋼的強度較高，且其結構為面心立方晶格，易形成加工硬化，使焊管成型時：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（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（咬合）性能。我們對進口焊管模具的分析表明，該類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。目前國內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，一般生產廠家現(xiàn)在都省去了鍛造與球化退火兩道耗時，費財工序）。由于Cr12MoV類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法消除）。這樣經(jīng)過熱處理（高淬高回）的模具內部組織極不均勻，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法消除，基體硬度甚至進一步降低，實際使用時，表現(xiàn)為模具及焊管表面均易拉傷，模具壽命低。

    由湖某公司潛心研究的模具表面超硬化處理技術已成功應用于不銹鋼焊管成型模具上。經(jīng)該技術處理的模具在其表面形成硬度高達HV3000左右的金屬碳化物層，該碳化物層致密，與基體結合緊密，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題，減少制管后續(xù)拋光工序的工作量并提高產品質量，大幅度提高模具使用壽命，減少售后服務工作量。實踐表明，該技術具有極高的使用價值。以下是該工藝處理模具與氮化處理模具的有關比較。

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HRC58~62HRC40~60

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（無須熱處理）→本工藝處理（基體硬化與表面處理一次完成）。→磨內孔→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品質量（因大量拋光而使管壁減簿），大幅度提高模具使用壽命，減少售后服務工作量。

    由湖南某公司開發(fā)的模具表面超硬化處理技術，在實際生產當中得到較廣泛的應用，由此工藝處理的模具壽命較傳統(tǒng)工藝如氮化有較大幅度的提高，在某些模具性能方面超過國外水平，而價格僅是國外同等的1/4~1/10。

    經(jīng)本工藝處理的模具有軋輥，沖頭，彩管系列冷作模具，標準件模具，葉蠟石模具，銅鋁型材擠壓模具等，使客戶產生了很高的效益，使模具的性價比得到質的提高。