延长粉末冶金模具使用寿命的两种途径 粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属 粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形 和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制 品的工业技术。运用粉末冶金技术可以直接制成多 孔、半致密或全致密材料和制品，是一种少无切削 工艺，目前已被广泛应用于交通、机械、电子、航 空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领 域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一 粉末冶金模具是粉末冶金的关键技术之一。粉 末冶金模具成形技术在生产机械零件方面凸显出节 能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一 系列优点，非常适合于大批量生产。另外，部分用 传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复 杂零件也可用粉末冶金技术制造。特别是在当今电 子和汽车工业迅猛发展的形势下，工业产品的发展 对模具的要求越来越高。 无论是模具的大型化、复杂化、还是高精度、 高效率，都依赖于模具寿命的提高。粉末冶金模具 在使用过程中通常是由于磨损而引起尺寸超差而 失效报废的。因此，目前在实际的模具加工制造行 业，获得外硬内韧的模具材料逐渐成为延长模具使 用寿命的主要目标。单就某一特定类型钢的粉末冶 金模具钢来说，模具加工过程采取的热处理工艺和 模具的表面处理是影响模具使用寿命的最主要的两 个因素。 热处理工艺改进 我国普通的中小型粉末冶金模具制造企业一般 是购置退火状态的Ｃ ｒ１２型钢材，进行调质处理（淬 火＋回火），随后进行机械加工。但是因为Ｃｒ１２型钢 是属于高碳、高铬的莱氏体钢，内部会分布大量的 硬度较高的碳化物，如果碳化物分布不均匀，可能 会导致模具在使用过程出现裂纹，拉毛甚至会出现 模具变形导致失效的情况。所以，在模具的热处理 过程中，改善碳化物分布非常重要。 １．淬火 Ｃ ｒ １ ２钢含有极高量的ｃ（２％～２．３％）和 ｃｒ（１ １％～１ ３％），淬火后的组织是马氏体＋残余奥氏 体＋粒状碳化物。现在模具加工普遍使用的淬火介 质是油，加热温度是９５０～９８０。Ｃ，淬火后硬度为 ６１～６４ＨＲＣ。适当的提高淬火温度，奥氏体中的碳、 铬浓度提高，钢的淬透性变好，淬火后产生的马氏 体的数量增多，材料的硬度提高。但在模具精加工 或者工作过程中，表面硬度过高会引起开裂，一般 精加工前模具表面硬度在５８～６０ＨＲＣ为最佳。所以 可采用１０６０℃油冷和在５２０℃下保温３小时，二次回 火，高淬、高回的工艺，在保证硬度的同时可消除 内应力。另外，采取快速加热淬火工艺，可在Ｃ ｒ１ ２ 粉末冶金模具钢表面１０～３０ ｍｍ快速加热至９８０ ， 这样工件芯部温度低于淬火温度，经过油淬低温回 火后，表面可以得到均匀细致的马氏体组织，硬度 达６２～６４ＨＲＣ，具有良好的耐磨性，芯部基体硬度 为５８～６２ＨＲＣ略微低于表面硬度，保证了一定的强 韧性，寿命显著提高，压制毛坯４～５万件。如果快速 淬火后对模具进行表面镀铬处理，镀层厚度控制在 ０．０２ ｍｍ左右，反复一至三次电镀后，寿命可达到８ 万件以上。 Ｃｒ１２ＭＯＶ通常普遍用于制造精度要求较高、形 状较为复杂、载荷比较重的模具。但是一般的淬火 处理（１０００—１０２０℃油冷）后，模具在使用过程中 很容易出现磨损、脆裂等现象。对Ｃ ｒ ｌ ２ＭＯＶ冷镦 模具钢进行复合强韧化处理，在４００～５００℃下预热 ３０～５０ ｍｉｎ，可防止材料由于锻造加热时温度过高 导致内外受热不均，或者是温度差过大造成的局部 过烧。改变传统的高温淬火＋低温回火Ｔ艺，采用 高温淬火＋高温回火后进行硫、碳、氮三元共渗的 方法，在模具表面形成含Ｓ、Ｃ、Ｎ化合物层和Ｃ、Ｎ 扩散层，测得表面硬度为９８０～１０００ ＨＶ，基体硬度 ５７～５９ ＨＲＣ，得到的模具具有外硬内韧、高耐磨、 抗擦伤咬死、抗疲劳腐蚀等优点，模具的寿命提高 ３～４倍。适当的降低共渗温度及淬火温度，工件变形 量小，适用于对尺寸精度要求较高的工具、模具及 高耐磨件。 其他方法包括：盐浴炉加热；使用代替油的合 成淬火剂或水溶性淬火剂淬火等。 对于结构复杂，精度要求较高的模具，为避免 产生应力集中和疲劳断裂，可采用复合等温淬火丁 艺，例如５ＣｒＭｎＭｏ锻模，与常规的淬火处理相比， 经过复合等温淬火后模具的使用寿命可以提高１倍。 同时，采用真空热处理技术，可显著减少热处理过 程中杂质气氛对材料的影响，有效避免材料表面 氧化脱碳，减少淬火变形，使材料硬度韧度分布均 匀。模具材料在经过适当的真空热处理后使用寿命 能提高３０％以上。 ２．回火 模具钢回火温度最好根据淬火后残余奥氏体的 量来决定，用来调整控制模具的尺寸精度，如果测 ４７ 专题论述．冶金 Ｚｈｕａｎｔｉ ｌｕｎｓｈｕ・Ｙｅｊｉｎ 量淬火后模具尺寸增大，可采用３４０～４３０℃的加压 回火；如果尺寸减小，可采用４２０～５２０℃回火。热 处理后需要渗氮处理的模具，淬火后回火温度选为 ５７０～５８０℃，保证在渗氮处理时模具的变形量较小。 在模具热处理之前，增加一道去应力回火的工 序，一般采用３５０～４００℃，６～１２ｈ出炉空冷，或者 ６５０～７００℃．２～４ｈ，炉冷到５００℃出炉的热处理工 艺，可以减小模具在热处理时的变形量，保证模具 的尺寸精度。不但可以有效地消除偏析碳化物网 带，还可以消除粗加工后残余的应力，从而改善组 织，降低材料硬度，以利于后期的精加工，提高了 模具的制造精度和精确性，减少由于淬火开裂和畸 变导致的模具失效等情况的发生。 另外，模具钢淬火之后可以进行深冷处理，在 氮温度（一ｌ９６℃）介质中进行深冷处理，马氏体析 出大量细小分散的碳化物，有效提高材料的韧性， 延长模具使用寿命，模具的变形量小，尺寸稳定性 高。例如，Ｍ １ ６螺帽冲模经过一１ ９６℃深冷处理和 ４００℃回火后，冲击韧性提高，寿命比常规热处理模 具提高９～ｌ０倍。 模具表面处理 粉末冶金模具使用的环境具有特殊性，需要具 有较大的承受载荷的能力，较高的精确度，模具的 表面硬度要求较高，且心部的韧性要好。模具表面 强化处理可提高模具表面硬度、改善表面组织性 能，是提高模具性能和延长使用寿命的重要途径。 １．ＰＶＤ ＰＶＤ是一种重要的提高模具寿命的措施，是用 物理的方法把氮化物、碳化物、高熔点金属、ＴｉＮ 化合物等气化成原子、分子或者离子直接沉积在模 具基体表面，在表面形成一层高熔点、高硬度、高 耐磨、抗腐蚀抗氧化能力很强的膜层。可以广泛应 用于各类磨损、咬合、腐蚀、粘着、融合等而引起 失效的工具、模具。其中，因磨损引起的失效的产 品涂层后可提高寿命２～１０倍以上。ＰＶＤ技术进行模 具表面处理时基体的受热温度较低，模具的变形较 小，可以在各种模具材料上沉积致密、光滑、高精 度的ＴｉＮ、ＴｉＣ镀层。工业上应用已经证明，粉末冶 金模具通过ＰＶＤ或者ＣＶＤ处理的￣１］ＴｉＮ或者ＴｉＣＮ沉淀 陶瓷，有延长模具寿命的作用，寿命增加约１０倍。 例如，Ｃｒ１２ＭｏＶ钢制油开关精制冲模，经ＰＶＤ 法沉积后，表面硬度达到了２５００～３０００ ＨＶ，摩擦因 数减小很多，抗黏着、抗咬合性提高，使用１０万次 不需要刃磨，且尺寸无变化，仍可使用。采用ＰＶＤ ４８ 改性技术在六角螺母冲孔冲模（Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２钢）进 行ＴｉＮ涂层，结果表明：经过涂层后的模具寿命提 高约４倍，效果非常显著。另外，运用ＰＶＤ改性技术 在模具表面生成ＴｉＣＮ涂层１ ８ １、Ｔｉ／ＴｉＮ涂层和ＴｉＮ涂 层，实验结果测得模具的使用寿命提高４～５倍，同时 还可以解决模具和产品的拉伤问题。而且模具磨损 后的宏观形貌并没有出现涂层剥落的明显迹象。 这说明，模具钢表面沉积的涂层提高了模具的 表面硬度和强度，如果预先进行低温等离子渗氮处 理，则涂层与模具基体的结合力更强，模具的宏观 性能更加优越。加入稀土元素Ｃ ｅ后，模具表面可 形成Ｔｉ（Ａ１，Ｖ）Ｎ涂层，显著提高了涂层与基体的结 合强度、模具的耐磨性，进一步延长模具的使用寿 命。利用ＰＶＤ技术在模具表面形成的ＴｉＮ涂层甚至可 以提高模具的使用寿命达ｌ０倍以上。 ２．ＣＶＤ ｃｖＤ法是用化学方法使反应气体在基体表面发 生化学反应形成覆层的方法。ＣＶＤ法涂层的反应温 度高，在基体与涂层之间容易形成扩散层，结合力 好，并且容易实现设备的大型化，生产扩大化，实 现模具大量的生产。例如，利用中温ＣｖＤ法、等离 子体激发化学气相沉积（ＰＣＶＤ）在ｃｒ１２ＭｏＶ钢和９ＳｉＣｒ 钢模具上用ＣＶＤ的沉积得到的ＴｉＮ化合物都是比较细 密均匀的，镀层厚度大于３ ｍ，经生产试验验证， 模具的寿命可以提高１０倍左右。 ＣＶＤ法沉积ＴｉＮ的优点有很多：ＴｉＮ涂层的硬度达 １５００ＨＶ以上，与钢的摩擦因数只有０．１４，约为钢与 钢之间摩擦因数的１／５，具有很高的抗黏着性能、抗 氧化性、高熔点和抗腐蚀性好，并且与基体的粘接 性好，结合强度高。因此，利用ｃｖＤ法获得超硬耐 磨镀层是提高模具使用寿命的有效途径。 ＰＶＤ法和ＣＶＤ法相比，形成的涂层的成分相差 不大，ＣＶＤ法处理温度很高，模具基体承受相当高 的沉积温度，容易产生变形和基体组织变化，导致 其力学性能降低，所以需要在ＣＶＤ沉积后进行热处 理，这样会增大生产成本，因此，ｃｖＤ在应用上受 至０很大的限锘０。 另外，还有很多有效的表面处理方法，如激光 熔覆（Ｌａｓｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ）、等离子体扩渗（ＰＤＴ）２３、 Ｔｏｙｏｔａ Ｄｉｆｕｓｉｏｎ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＴＤ）。这些方法效 果明显，但是由于设备昂贵、工艺复杂，目前还不 能普及使用。（徐磊，杜海珍，李英，刘坤） （摘自《粉末冶金技术》２０１４年第２期）
