表面处理技术在提高塑料模具使用寿命中的应用

王长来

摘 要：表面处理技术的作用不是仅限于能够提高模具表层的耐磨性和其他相关性能，还可以使磨具的内部能够保持足够的强韧性，这些优势对于改善模具的综合性能以及节约合金元素、高效节约成本的同时充分发挥材料的作用、发掘它们的潜在利用价值都是十分有用的。实践证明，表面处理技术有利于延长塑料模具的使用寿命。本文将在简单阐述各种便面处理技术在提高模具使用寿命方面的应用的基础上，指出正确运用表面技术才是提高塑料模具使用时间的有效之径，以期为相关工作者提供帮助。

关键词：塑料模具 表面处理技术 提高 使用寿命

中图分类号：TG162.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0006-01

根据原理的不同，表面处理技术大致可分为化学热处理技术和表面涂覆处技术。表面加工强化处理技术。模具表面处理的方法纷繁多样，早已从传统的表面淬火，如感应淬火、火焰淬火等、热扩渗技术（包括渗碳、渗氮以及渗金属等）、热喷技术等蜕变成如今的物理气相沉积技术（PVD）、化学相沉积技术（CVD）、离子注入技术等。激光和电子束等新能源具有将能量集中、快速加热、自激冷却等特质，另一方面，这种处理方法有利于保护环境、便于实现自动化等优势，随着时代的发展，在塑料模具表面处理方面的应用越来越广泛。

1 关于塑料模具表面处理技术的探讨

1.1 表面淬火

表面淬火的目的在于获得高硬度、耐磨性强的表面，并使得模具内部保持原有的良好韧性。此项技术常运用于机床主轴、齿轮以及发动机的曲轴等。

表面淬火技术可在淬火的同时快速加热，使得塑料表层很快达到淬火的温度，在热量尚未渗透到工件心部前立即进行冷却，以此来实现局部淬火。目前，运用最广为广泛的当属感应加热法。感应加热表面淬火需要在感应圈内通以一定频率的交流电，这样可以使得感应圈周围产生频率相同的交变磁场，由于集肤效应，产生的涡流会集中在工件的表面能够让工件迅速达到淬火所需温度，随即向工件喷水，这样就能将工件表层淬硬。在塑料模具型腔沿口运用局部淬火还可以避免其分型面出现溢料的现象。

1.2 表面扩散化学热处理

化学热处理是将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。其类型包括渗碳、氮化、碳氮共渗等，旨在提高工件表面的硬度和耐磨性、疲劳强度；渗氮、渗硅、渗铝等则用于提高工件的抗腐蚀性、抗氧化性。目前，应用最广的化学处理是渗碳、氮化和碳氮共渗。

1.2.1 渗碳法

渗碳件主要技术要求。碳势要在1%左右，根据性能要求而定；碳浓度梯度要平缓，这样有利于渗层与基体的结合，减少剥落，对于一些零件甚至规定共析层的总深度不得超过60%～70%；渗层深度主要取决工件受力和设计寿命等因素，对于一些薄而小的零件，渗透层面深度一般不超过截面尺寸的20%。

渗碳钢塑料模的热处理特点。对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理；对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5 mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5 mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2 mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好；渗碳温度一般在900 ℃～920 ℃，复杂型腔的小型模具可取840 ℃～860 ℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10 h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900 ℃～920 ℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820 ℃～840 ℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

1.2.2 渗氮法

渗氮常称为氮化，就是将工件放在含氮介质中，加热到较低温度（480 ℃～600 ℃），使氮渗入其表面，形成以氮化物为主的渗层。有些钢种的氮化层硬度高达1000～1200 HV，渗后不必进行提高硬度的淬火处理。氮化层的高硬度是因高硬度氮化物弥散分布在基体中所造成的，随渗氮温度温度升高，氮化物片厚度增加，与母相的共格关系开始破坏，硬度降低。氮化层的耐磨性远高于渗碳层，渗氮工件的变形小，处理后不再进行加工就可以使用，高精度的工件也只需要精磨、研磨或抛光。在渗氮层中形成大的残余压应力，有利于提高零件的疲劳强度。渗氮温度一般稍代于淬火钢的回火温度范围。调质状态的结构钢渗氮时，工件心部保持了状态的回火索氏体组织，在得到高硬度表面的同时具有良好的综合力学性能。

渗氮具有处理温度低（一般为550 ℃～570 ℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200 HV）等优点，因而也非常适合塑料模具的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

1.2.3 碳氮共渗法

碳氮共渗又名软氮化或低温碳氮共渗，即在铁-氮共析转变温度以下，使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成。这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外，碳在氮化物中还能降低脆性。氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合。

最常用的的是在井式渗碳炉中滴入煤油或甲醛、丙酮等，同时向炉中通入渗氮用的氨气。气体碳氮共渗所用的钢种，大多数为低碳中碳的碳钢及合金钢。共渗温度为820 ℃～860 ℃。气体碳氮共渗的碳、氮含量最主要取决于共渗温度，温度越高，共渗层的碳含量就越高，氮含量越低；反之，碳含量越低，氮含量越高。

2 结语

通过表面处理技术，我们可以随意改变模具表层的成分和组织，可增强模具的内部韧性、表面硬度以及耐磨性、耐热性和耐蚀性等，这些都可以几倍甚至几十倍地延长模具的使用期限。对于模具生产者来说，便面处理工艺成本将会大大降低，模具的工作条件、其经济因素也会得到改善。虽然便面处理技术尤其是新型表面处理技术在模具制造过程中的应用程度还不够高，但随着表面工程技术的发展，其发展前景广阔，必将在今后的模具选材和制造方面发挥巨大的作用。

参考文献

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