第十章 模具表面强化技术,第一节 气相沉积技术 第二节 高能束强化技术 第三节 涂、渡覆强化技术,模具表面强化处理是指用机械、物理或化学方法对模具工作表面进行改变性能或覆层等处理，使模具在保证高强韧性的基础上，不仅具有更高的强度、硬度、耐磨性，同时获得优异的抗疲劳、抗咬合、耐腐蚀等性能的处理方法。,第一节 气相沉积技术,气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程， 在工件表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层，气相沉积技术按照成膜机理， 可分为化学气相沉 积、物理气相沉积和等离子体气相沉积。,一、气相沉积层的性能特点,. 具有很高的硬度，低摩擦因数和自润滑性能。 . 具有高熔点，化学稳定性好， 具有很好的抗黏着磨损能力，使用中发生冷焊和咬合的倾向小。 . 具有较强的抗腐蚀能力，在盐酸、硫酸、氯化钠水溶液中有良好的耐腐蚀性。 . 在高温下有较高的抗氧化能力。,二、物理气相沉积,物理气相沉积是指通过蒸发、再凝结元素或化合物， 在基体表面上形成覆盖层的工艺， 通常在高真空条件下进行。 物理气相沉积的方法有真空镀、真空溅射和离子镀三种， 目前应用较广的是离子镀。,1.冲裁模的热处理特点,物理气相沉积的主要特点是处理温度较低， 沉积速度较快，无公害， 容易获得超硬层， 但设备造价高， 操作维护技术要求也较高。,2.物理气相沉积的基本原理,物理气相沉积技术的基本原理可分三个工艺步骤: （1）镀料的气化，即使镀料蒸发、升华或被溅射， 也就是通过镀料的气化源。 （2）镀料原子、分子或离子的迁移， 由气化源供出的原子、分子或离子经过碰撞后， 产生多种反应。 （3）镀料原子、分子或离子在基体上沉积。,3.真空蒸镀,真空蒸镀是在真空条件下， 利用加热装置将镀料加热并蒸发， 使大量的原子、分子气化并离开液体镀料或固体镀料表面(升华)， 凝聚在工件表面形成沉积膜。真空蒸镀的主要特点是成膜过程简单， 能精确控制工艺， 由于镀膜在真空条件下完成，纯净度高， 均匀性好， 可进行大规模生产。,真空蒸镀的原理,4.溅射镀膜,在真空条件下， 利用获得动能的粒子轰击靶材料表面， 使靶材表面原子获得足够的能量而逃逸的过程称为溅射，被溅射的靶材沉积到基材表面， 就称作溅射镀膜。,溅射镀膜的原理,5.离子镀膜,离小镀膜是在真空条件下，借助惰性气体(氩气) 的辉光放电使金属或合金材料蒸气离子化， 在气体离子或蒸发物质离子轰击作用下， 把蒸发物质或其反应物蒸镀在工件上。 离子镀具有镀层结合力强、致密、光滑、均匀性好、可镀材料广泛、整个工艺过程无污染等优点， 在模具制造中已获得较多的应用。,三、化学气相沉积,化学气相沉积是指在加热气态下，通过化学反应或蒸汽还原凝结在基体上形成沉积层的工艺 。,1.化学气相沉积的特点,（1）沉积物众多。 它可以沉积金属、碳化物、氮化物、氧化物和硼化物等， 这是其他方法无法做到的。 （2）能均匀涂覆几何形状复杂的零件。这是因为化学气相沉积过程有高度的分散性。 （3）涂层和基体结合牢固。 （4）镀层的化学成分可以改变， 从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。 （5）可以控制镀层的密度和纯度。 （6）设备简单，操作方便。,2.化学气相沉积的应用,化学气相沉积技术在模具制造中得到越来越多的应用，CVD法沉积TiC和TiN能应用于挤压模、落料模和弯曲模，也适用于粉末成形模和塑料模等。,第二节 高能束强化技术,采用激光束、离子束、电子束对材料表面进行改性或合金化是近几十年来迅速发展起来的一种新技术， 现已成为模具表面强化的主要手段之一。 用这些束流对材料表面进行改性的特点包括两个方面: 其一， 利用脉冲激光器可获得极高的加热和冷却速度， 从而赋予材料表面以特殊的性能。 目前的激光器已有足够的能量在短时间内加热和熔化大面积的表面区域。 其二， 利用离子注入技术可把异类原子直接注入表面层中进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制。,一、激光束表面强化技术,1.化学气相沉积的特点,当激光束照射到材料表面时， 激光被材料吸收变为热能，表层材料受热升温。,2.激光束表面强化技术的特点,（1）优点 （2）缺点,3.激光表面相变硬化技术,（1）激光表面淬火 （2）激光表面熔凝,3.激光表面相变硬化技术,（1）激光熔覆 （2）激光表面合金化,二、电子束表面强化技术,1.电子束表面强化技术的加热过程,当高速、收束的电子流轰击被处理的金属表面时， 电子能穿过金属表面进入到距表面一定的深度， 传给金属原子能量， 使金属原子的振动加剧， 把电子的动能转化为 热能， 从而使被处理金属的表层温度迅速升高。,2.电子束表面强化技术的特点,（1）适合于局部表面改性。 （2）零件处理时的变形小。 （3）一般不需特别的冷却装置即可获得足够的冷却速度。 （4）不论零件的形状多么复杂， 凡是能观察到的区域就可以进行电子束表面强化。 （5）由于电子束的功率参数、作用时间等规范参数可以精确控制，表面层的温度、强化的深度、加热和冷却速度等都可以严格控制。 （6）电子束表面强化在真空中完成， 故可以获得纯净的表面强化层， 没有氧化和氮化过程。 （7）电子束的能量利用率很高， 是一种节能型的表面强化手段， 这一点明显地优于激光表面强化技术。,三、离子注入技术,离子注入技术是指把某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速， 在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一种离子束 技术。,第三节 涂、镀覆强化技术,一、热喷涂技术,热喷涂技术是指利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态， 并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面而形成涂层的技术。,1.热喷涂技术的特点,从热喷涂技术的原理和工艺过程分析，热喷涂技术具有以下特点: （1）由于热源的温度范围很宽， 因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态工程材料， 如金属， 合金， 陶瓷， 金属陶瓷，塑料和由它们组成的复合物等， 因而能赋予基体以各种功能的表面。 （2）喷涂过程中基体表面的受热程度较小而且可以控制， 因此，可以在各种材料上进行喷涂， 并且对基材的组织和性能几乎没有影响，工件变形也小。 （3）设备简单，操作灵活， 既可对大型构件进行大面积喷涂， 也可在指定的局部进行喷涂， 既可在工厂室内进行喷涂， 也可在室外现场进行施工。,（4）喷涂操作的程序较少， 施工时间较短， 效率高， 比较经济， 随着热喷涂应用要求的提高和领域的扩大，特别是喷涂技术本身的进步，如喷涂设备的日益高能和精良，涂层材料品种的逐渐增多、性能逐渐提高， 不但应用领域大为扩展， 而且该技术已由早期制备一般的防护涂层发展到制备各种功能涂层， 并且在现代工业中逐渐形成像铸、锻、焊、热处理那样独立的材料加工技术， 为节约昂贵材料，节约能源， 提高产品质量， 延长产品使用寿命， 降低成本， 提高工效的重要的工艺手段。 （5）能有机地把金属材料的强韧性、易加工性等和陶瓷材料的耐高温、耐磨和耐腐蚀等特性结合起来， 合理选择涂层材料和适宜的喷涂工艺， 可以获得各种功能的表面强化涂层。,2.热喷涂技术的分类,（1）溶液喷涂 溶液喷涂原理喷涂材料被加热到熔化状态并被预热的雾化气体(如压缩空气或其他混合气体) 雾化加速并喷到经预处理的基体表面的一种喷涂方法。 大多数情况下， 喷涂材料是在容器内被加热熔化的。,溶液喷涂原理,（2）火焰喷涂 喷涂材料在氧燃气焰中被加热， 然后以雾化状喷向经预处理的基体表面的喷涂方法。,火焰喷涂原理,（3）高速火焰喷涂 高速火焰喷涂时， 助燃气体与燃烧气体在燃烧室中连续燃烧， 燃烧的火焰在燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出口连接的膨胀喷嘴产生高速焰流， 喷涂材料送入高速射流中被加热， 加速喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。,高速火焰喷涂原理,（4）爆炸喷涂 爆炸喷涂是将一定量的粉末注入喷枪的燃爆室中， 燃爆室中的气体混合物发生时间间隔可控的爆炸燃烧，所产生的高速热气流将粉末粒子加热到塑性或熔化状态并使粉末粒子获得加速， 喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。,爆炸喷涂原理,（5）电弧喷涂 电弧喷涂是利用两根金属丝两根金属丝的成分可以相同， 也可以不相同之间产生的电弧熔化丝的顶端， 经一束或多束气体射流(一般为压缩空气) 雾化将熔化的金属熔滴喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的工艺方法。,电弧喷涂原理,（6）大气等离子喷涂 大气等离子喷涂简称等离子喷涂， 是利用等离子射流将喷涂材料加热到塑性或熔化状态，再将它喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。,大气等离子喷涂原理,（7）激光喷涂 激光喷涂是用适当的送粉管将粉末注入激光束中， 利用激光束将粉末熔化， 并靠送粉气和重力喷到基体表面上形成涂层的方法。,激光喷涂原理,二、镀覆强化技术,表面镀覆强化技术是指在模具表面覆盖一层单一金属和非金属元素层或金属化合物层， 改变模具表层的化学成分， 提高模具的耐腐蚀性、硬度和耐磨性， 以达到强化模具表面性能目的的一种技术。,1.电镀,电镀也称电沉积， 是为获得基体金属所不具有的性能或尺寸， 通过电解法在基材上沉积结合力良好的金属或合金层。电镀需要一个向电镀槽供电的低压大电流电源以及由电镀液、待镀零件(阴极)和阳极构成的电解装置，其中电镀液成分视镀层不同而不同，但均含有提供金属离子的主盐。,2.电刷镀,电刷镀是在工件表面需要镀覆的部位快速沉积金属镀层的一种电镀方法。,电刷镀原理,电刷镀技术特点如下: （1）设备简单，不需要镀槽，便于携带， 适用于野外和现场修复， 尤其对于大型、精密设备的现场不解体修复更具有实用价值。 （2）工艺简单， 操作灵活， 不需要镀的部位不需要用很多材料保护。 （3）操作过程中， 阴极与阳极有相对运动， 故允许使用较高的电流密度， 它比槽镀使用的电流密度大几倍到几十倍。 （4）镀液中金属离子含量高，所以镀积速度快。 （5）溶液种类多， 应用范围广， 适用于各个行业不同的需要。,（6）溶液性能稳定， 使用时不需要化验和调整，无毒，对环境污染小， 不燃、不爆， 储存、运输方便。 （7）配有专用除油和除锈的电解溶液，所以，表面预处理效果好， 镀层质量高，结合强度大。 （8）镀层厚度的均匀性可以控制， 既可均匀镀， 也可以不均匀镀。 （9）费用低， 经济效益大。,3.化学镀,化学镀是指用化学法而非电解方法沉积金属覆盖层的工艺， 其常用方法有接触镀(在含有被镀金属离子的溶液中将工件与另一金属保持接触， 通过形成的内部电流沉积金属覆盖层) 和浸镀(由一种金属从溶液中置换出另一种金属来获得金属覆盖层)等。,化学镀技术特点如下: () 硬度高， 耐磨性好。 () 耐腐蚀性强。 () 表面光洁、光亮。 () 可镀形状复杂。 () 镀层均匀、厚度可控。 () 被镀材料广泛。,