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表面处理

概括而言,为了在各类作业中展现最佳性能,工模具钢需要具备良好的硬度、强度和韧性等综合性能。选择最适合作业关键要求的工模具钢,例如要具备较高的延展性和韧性,避免崩角和破裂,然后选择一胜百一站式模具服务中心进行合适的表面处理,提高表面硬度和耐磨性。

表面处理(如ABP、渗氮和氮碳共渗工艺)可提高表面质量,同时保持钢材核心特性。表面处理可提供缓冲层,减少许多热作应用(如压铸)热裂和/或腐蚀和侵蚀的风险;增强塑料成型的抗磨损和压痕性能;抵抗冷作成型和冲裁中易出现的粘着磨损、拉毛和摩擦现象。


一胜百模具钢表面处理方法
选择表面处理方法时应注意的是,要事先了解模具钢材料特性(硬度、尺寸、表面性状)在处理温度下会发生怎样的变化。一胜百工模具钢表面处理分为:氮化、软氮化,热CVD和TRD,PVD和PCVD以及复合表面处理。

1.氮化、软氮化模具钢表面处理:
氮化是使氮原子从模具表面向模具内部渗入、扩散的表面处理方法。软氮化是使氮原子和碳原子同时从模具表面向模具内部渗入、扩散的表面处理方法。用于模具钢的氮化处理方法有盐浴氮化、气体(软)氮化和等离子氮化等方法。各种氮化方法的相同点是使氮原子以及碳原子从模具表面向模具内部渗入、扩散。但不同氮化方法处理后的模具表面粗糙度和表层生成物的量不同。

除了自由基氮化,其他各氮化层都有叫做“白层”的化合物层(铁氮化物和碳氮化物)和含有氮化物的扩散层。白层硬度大、化学稳定性好,对提高压铸模具的抗熔损性有效,但由于白层较脆,所以对疲劳强度和抗热裂性是不利因素。白层下面的扩散层通过氮化物析出硬化机制给钢基材增加硬度和附加压缩应力,提高了模具表层的耐磨性、抗热裂性和疲劳强度。产生白层的氮化方法对于形状尖锐的塑料成形模具和容易发生掉肉的冷作模具来说,白层的不利作用更大一些,所以,产生白层的氮化方法一般不用于塑料成形模具和冷作模具。

等离子氮化是利用电能促进氮化的方法。代表性的方法是等离子氮化和自由基氮化。这些氮化方法由于利用了电能,可以降低处理温度,在450~500℃就可以进行氮化处理。由于这个温度范围低于冷作模具钢的高温回火温度,所以,这些氮化方法可以在不影响钢基的硬度和尺寸形状的情况下进行氮化。自由基氮化不形成白层,只有扩散层,所以没有上述白层的不利影响,因此应用范围扩大,可用于过去不能进行氮化的模具。

等离子氮化是使工件表面发生辉光放电进行氮化的方法,所以工件的间隙和孔穴等表面难于发生放电的部位,氮化困难。这是等离子氮化的缺点。为克服这些缺点,最近开发出活性屏离子渗氮(ASPN)技术。等离子渗氮技术的进一步发展值得期待。

2.热CVD(化学气相沉积)和TRD(热反应沉积扩散)模具钢处理:
用于模具的CVD涂层方法有利用热能的热CVD法和利用电能成膜的等离子CVD(PCVD)法。

热CVD法的源物质是气态金属氯化物,TRD的源物质是金属熔盐。在1000℃左右的高温下源物质在模具表面析出碳化物陶瓷薄膜。TiC膜是热CVD法的代表性薄膜,VC膜是热TRD法的代表性薄膜。由于处理温度高,所以,薄膜成分和模具基体成分互相扩散,使薄膜具有很高的密着强度。因此热CVD和TRD适用于冷作模具,特别是冷锻模具的高面压滑动面的表面处理。此外,由于CVD和TRD是利用高温热化学反应的表面处理,所用原料是气态原料或液态原料,所以在被处理模具的间隙和孔穴等部位也可以形成均匀薄膜。这是CVD和TRD的一个优点。

CVD和TRD处理后的模具要进行淬火回火处理。因此被处理面的尺寸精度是淬火回火处理后的尺寸精度。这可以说是CVD和TRD处理的缺点。所以,在设计进行CVD和TRD表面处理的、要求高精度尺寸模具时,应考虑热处理对尺寸变化的影响。如果掌握了热处理尺寸变化的规律,CVD和TRD是使模具表面具有高强韧性涂层的低成本处理方法。

3.PVD(物理气相沉积)和PCVD(等离子化学气相沉积)钢材表面处理:
用于模具的PVD主要是离子喷镀法。该方法与PCVD法一样,利用电能使涂层原料离子化,提高涂层原料的反应性,在模具钢高温回火温度下进行涂层成膜处理。离子喷镀PVD法的原料是熔融金属,PCVD法的原料是气态原料。所以,与等离子氮化一样,在等离子发生部位,可以均匀成膜。

由于PVD与PCVD的处理温度低于模具钢的高温回火温度,所以处理前后模具尺寸基本上没有变化。因此PVD与PCVD处理适用于要求高尺寸精度的模具。

近年来这些低温涂层技术有了很大进步。涂层薄膜的性能已经超过了过去装饰用的金色TiNTRD薄膜。

PVD性能提高是由于基材和薄膜界面净化技术开发和薄膜缺陷减少技术开发,提高了薄膜的抗剥离性。

在薄膜品种方面,冷作模具用PVD、PCVD薄膜主要是Ti、V、Cr的碳氮化物,温、热模具用PVD、PCVD薄膜主要是Al、Cr、Si的氮化物。此外,还开发出混合膜、积层膜、梯度膜等提高抗剥离性、抗氧化性、抗热裂性的新型涂层薄膜。

4.模具钢复合表面处理:
表面处理复合化可以使各种处理方法的优点叠加,提高处理效果。最近常用的复合表面处理是低温涂膜和氮化相结合的复合处理。目前表面处理厂家已经将这种复合表面处理形成一个表面处理工艺,进行商品化产品处理。PVD、PCVD的氮化白层是影响抗剥离性的物质,所以开发出自由基氮化等没有白层的氮化方法。

喷丸处理是将钢球或陶瓷颗粒高速喷射到工具钢表面,使工具钢表面产生微小塑性变形,对工具钢表面附加残余压缩应力的表面处理方法。喷丸处理方法正在向压铸模具推进。单一喷丸处理对模具水冷孔附加残余压缩应力,可以提高模具抗应力腐蚀能力。喷丸处理与氮化复合,由于产生更大的残余压缩应力,抑制了热裂纹的发生,提高了模具的使用寿命。

喷丸处理与PVD复合,使喷丸处理产生的微凹。具有储存润滑油的功能。

5.一胜百模具钢化学处理:
主要是利用酸性或碱性溶液与工件表面的氧化物及油污发生化学反应,使其溶解在酸性或碱性的溶液中,以达到去除工件表面锈迹氧化皮及油污的目的。化学处理适应于对薄板件清理,但缺点是:若时间控制不当,即使加缓蚀剂,也能使钢材产生过蚀现象。


发展前景

目前表面处理一些传统方法,如堆焊、热喷涂、电刷渡等工艺往往适应不了现代工业的需求。如一些对温度特别敏感的金属零部件,会使零件表面达到很高温度,造成零件变形或产生裂纹,影响零件的尺寸精度和正常使用,严重时还会导致轴断裂;电刷渡虽无热影响,但渡层厚度不能太厚,污染严重,应用也受到了极大的限制。目前西方国家针对上述方法的弊端研制出高分子复合材料的现场表面处理方法,其中比较成熟的有福世蓝技术体系。材料所具有的综合性能及在任何时间内可机械加工的优越性,不但完全满足修复后的使用要求及精度,还可以降低设备在运行中承受的冲击震动,延长使用寿命。因材料是"变量"关系,当外力冲击材料时,材料会变形吸收外力,并随着轴承或其它部件的胀缩而胀缩,始终和部件保持紧配合,降低磨损的几率,针对大型设备的磨损,也可采用"模具"或"配合部件"针对损坏的设备进行现场修复,避免设备的整体拆卸,还可以最大限度地保证部件配合尺寸,满足设备的生产运行要求,延长设备的使用寿命,确保企业的安全连续生产。在国内表面处理的应用中,高分子复合材料也起到了越来越重要的作用。



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