模具表面强化技术：等离子体化学热处理

1.等离子体化学热处理

　　发展最快、工业应用最广的等离子体热处理方法是等离子体化学热处理。与常规化学热处理相比，等离子体化学热处理具有优质、高效、低耗、洁净、无公害等特点。但是，此技术用于批量大的小模具及其他小零件(如螺栓、螺母、链条等)时，装炉麻烦，渗层质量不易控制。而且，同炉混装不同形状、尺寸的工件时，不易均匀控制工件温度。

　　1.1离子渗碳

　　离子渗碳，亦称辉光渗碳。渗碳是将价廉、具有良好成型性和延展性的低碳钢或低碳合金钢母体材料在碳基气氛中加热，使活性碳渗入母材而形成强韧、耐磨表面的一种热处理方法。离子渗碳则在于活性碳是由碳氢化合物气体在真空等离子区中，通过直流辉光放电电离而获得，其原理与离子渗氮相似。

　　在国内，离子渗碳工艺已成功应用于汽车、航空、核工业等的模具中。离子渗碳的技术关键是渗层质量控制及设备设计。离子渗碳时，可通过调节碳通量和渗碳时间来控制模具工件表面的预定碳含量。碳通量是气体成分、气压、气体流量、离子电流密度和渗碳温度的函数。在工业生产中，离子渗碳时，可利用碳的扩散和传输数学模型，通过电流密度传感器由微机进行全过程的工艺控制，从而获得预定的表面碳含量、碳分布和渗层深度。但离子渗碳工艺温度高(850～980℃)，要求电源功率大，易发生辉光放电转变为弧光放电的现象，使工艺不稳定，设备较复杂。目前，工业模具上普遍采用的气体渗碳和真空渗碳工艺成熟，质量稳定，能较好地满足工业模具的需要。与传统的渗碳相比，离子渗碳具有以下优点：渗碳效率高，表面质量好，渗层分布均匀，变形小，环境污染小，过程易实现自动化控制，深孔盲孔也能处理等。在模具行业中，离子渗碳技术在冲模和塑料模中应用较多。目前，在表面硬化中，有80%以上是渗碳处理。因此，离子渗碳有着广阔的发展前景。

　1.2离子渗氮

　　离子渗氮是目前工业上应用最广、最成熟的离子热处理工艺。该工艺易通过调整工艺参数(如电压、电流、炉内气体压强、温度、时间和工作气体成分等)获得纯扩散层、单相、化合物层等。离子渗氮的技术关键是如何根据其特点，结合相关模具服役条件，合理选择工艺参数，继而获得所需的最佳渗层。

　　1.3离子碳-氮共渗

　　离子渗碳氮技术是依靠炉气活性组分C3H8和NH3在钢表面分解，析出的活性原子C和N被表面吸收并向基体内部扩散而实现的，它又称离子软氮化，是从盐浴和气软氮化发展而来的。离子渗碳氮的操作方法与离子渗氮基本相同，但工作气体成分不同，其冷却方式除在真空条件下缓慢冷却外，还可进行油淬或高压气淬。离子碳一氮共渗时间短，效益高，可获得较厚的化合物层，具有优良的耐磨、抗胶合和抗疲劳性能。与传统工艺相比，应用于模具的离子碳一氮共渗技术不仅具有渗层质量好、相组成容易控制的优点，而且高效、洁净、节能。该工艺具有较强的市场竞争力。

　1.4离子渗硼

　　渗硼是一种很有效的表面硬化工艺。金属零件渗硼后，表面形成的硼化物及碳化硼等化合物的硬度极高，渗硼钢在硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性上均比渗碳或渗氮钢高。因此，在模具表面强化中，渗硼起着重要的作用。渗硼的方法很多，常规方法有气体、液体、固体和电解渗硼等。离子渗硼有渗层物均匀、渗速快、渗后工件无需清理等优点，是很有发展前途的工艺。

　1.5离子渗金属

　　模具表面渗金属是指在一定的温度和真空度条件下，还原出的活性金属原子或电离、溅射出的金属原子扩散进入模具钢基体表层形成合金渗层，从而改变表层化学成分、组织和性能的方法。模具表面渗金属技术属于钢的化学热处理范畴，实质上是通过高温扩散，使铬、钒、钛、钨、钼、铌、钴、镍、铝等活性原子在模具表面形成固溶体或碳化物渗层组织，其硬度高、耐磨性好，并具有较好的抗氧化和耐腐蚀性，大大提高了模具的表面性能及使用寿命。