模具零件的表面处理

出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《模具工实用技术手册第2版》第561页（2528字）

模具零件通过表面处理，在其表面形成一层高硬度的硬化层，而基体仍具有高的强韧性。目前，模具上应用的表面处理方法有：氮碳共渗、渗硼、渗硫、溶盐浸镀(TD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等。

1．氮碳共渗

氮碳共渗即在550℃～570℃的温度下，用尿素、甲醛氨或氮气和渗碳气体作渗剂，向钢表面同时渗入氮原子和碳原子的过程。模具经氮碳共渗处理后，在表面形成一层有Fe₄(N·C)、Fe₂(N·C)组成的氮碳化合物层，硬度在1000HV左右，提高了表面的耐磨性和耐腐蚀性。

气体氮碳共渗主要应用于在热态下工作的压铸模、塑料模、热挤模及锤锻模等，但也常用于某些冷冲压模具。

2．渗硼

渗硼就是使硼元素渗入钢件表面，在表面形成一层硼化合物，其硬度为1400HV～2000HV，具有极高的耐磨性，同时还有良好的耐蚀性和抗高温氧化性。

模具渗硼常采用固体法。渗硼剂为硼铁15%，氟硼酸钾(KBF₄)5%，氧化铝粉(Al₂O₃)80%。渗硼后还要进行淬火、回火处理。

渗硼用于冷挤模、拉丝模、热锻模、热挤模、冲裁模、粉末冶金模及冷镦模等，效果非常显着。

3．渗硫

渗硫是向工件表面渗入硫原子的过程。钢铁工件表层形成FeS薄膜，可以降低摩擦系数，提高耐磨性。目前工业上应用较多的是低温电解渗硫和中温硫氮共渗。

(1)低温电解渗硫

将模具置于180℃～250℃的硫氰酸盐浴中，进行10min～20min的电解渗硫。常用盐浴成分为50%～80%KSCN+20%～50%NaSCN，在盐浴中模具接阳极，盐槽接阴极。在直流的作用下发生如下沉积反应：

MCNS→M⁺+CNS

CNS－+2e→CN^－+S^2－

Fe→Fe²⁺+2e

Fe²⁺+S^2－→FeS_/p>

形成的FeS层黏附于模具表面，其硬度虽较低，但摩擦系数很小，故可显着提高耐磨性和抗咬合性。渗硫层呈多孔性，能储存润滑剂，并有固体润滑作用。因此，特别适用于受强烈摩擦的模具，如冷挤模等。

(2)中温硫氮共渗

将模具置于520℃～560℃的无氰盐浴中处理1h～3h，便可获得一定厚度的渗层。无氰溶盐硫氮共渗剂的成分为50%CaC1↓（2+30%BaC1₂+20%NaCl，另加溶盐总量8%～10%的FeS，并将NH₃通入溶盐(1L／min～3L／min)。其中氮气为渗氮剂，通入氮气还能起搅拌作用，减轻FeS的比重偏析，使溶盐中的活性成分更为均匀。

模具经硫氮共渗后表面具有良好的耐磨性和抗疲劳性能。这种处理技术在压铸模中应用较广。

4．溶盐浸镀(TD)

溶盐浸镀是利用盐浴在模具表面涂覆VC、NbC、Cr-C等碳化物镀层。此种涂覆层硬度高，耐磨性好，摩擦系数小，抗咬合能力强，并具有良好的耐热疲劳性能和耐蚀性。

其处理过程是将模具置于80%～90%硼砂+10%～20%涂覆剂(Fe-V末、Fe-Nb粉或V₂O₅、Nb₂O₅)的盐浴中，加热至800℃～1000℃，保温一定时间后即可获得0．05mm～0．20mm厚的VC、NbC涂层。

溶盐浸镀法适用于拉深模、切边模、剪切刃、冷挤模、锤锻模及压铸模等。

5．化学气相沉淀(CVD)

这种工艺是将模具置于抽成真空并通有氢气或氮气的反应室中，同时向反应室中通入CH₄和TiC1₄，将温度升至900℃～1100℃即发生化学反应，在模具表面沉积一层厚度为5μm～10μm的TiC涂层。其化学反应如下：

TiCl₄+CH₄→TiC_4HCl

TiCl↓（4+2Fe(钢中)+C(钢中)→TiC_2FeC1↓（2

由于TiC硬度极高(2000HV～4000HV)，因而气相沉积TiC涂覆层耐磨性极好，而且具有较好的耐蚀性和很小的摩擦系数。这种工艺适用于各种拉深模、冷挤模、冲裁模、冲头及粉末冶金模等。

6．物理气相沉积(PVD)

物理气相沉积是通过蒸发、电离或溅射等过程，产生金属粒子沉积在工件表面，形成金属涂层并与反应气体反应生成化合物涂层。PVD法的重要特点是沉积温度低于600℃，沉积速度快。PVD法有真空镀、真空溅射和离子镀三大类。其中离子镀发展最快。

离子镀前先真空至6．65×10^－3Pa以上，然后通入惰性气体，并使真空度为1．33×10^－1Pa。接通高压电源，则在蒸发源与工件之间建立起一个低压气体放电，使镀料汽化蒸发的原子大部分处于激发态或离子化，离子经过电场加速，以较高能量轰击工件表面而沉积成镀层。在工作室存在金属Ti蒸气的情况下，如引起反应气体N₂等，便可在工件表面得到TiN镀层。

离子镀涂覆层附着力强，硬度高，耐磨性好。常用于冷冲模、压铸模、塑料模等。