摘 要：化学热处理就是利用化学反应和物理冶金相结合的方法，改变金属材料表面的化学成分和组织结 构，从而使材料表面获得某种性能的工艺过程。化学热处理能有效地提高模具表面的抗氧化性等性能。几乎 所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。根据模具表面的化学热处理目的及基本组成，介绍了模 具表面的化学热处理的方法、作用及其工艺过程，研究了模具表面的离子渗氮化学热处理，分析了模具表面的 渗碳或碳氮共渗化学热处理，提出了模具表面离子渗硼、渗金属的化学热处理。
化学热处理就是利用化学反应和物理冶金相 结合的方法，改变金属材料表面的化学成分和组织 结构，从而使材料表面获得某种性能的工艺过程。 化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、抗黏 附性、抗热咬合性、耐热疲劳、耐疲劳强度、耐腐蚀 性等抗氧化性等性能。几乎所有的化学热处理工 艺均可用于模具钢的表面处理。模具进行表面处 理是在基体材料原有性能的基础上再赋予新的性 能，因此受到业内人士的高度重视。
1 模具表面的化学热处理目的及基本组成
化学热处理是将钢件在活性介质中加热，使某 种元素渗入其表面的一种热处理方法。这种方法 通过改变钢件的表层化学成分，并与相应的热处理 操作相结合，以提高零件的表面硬度、强度等性 能。采用钢件渗碳淬火法可获得高碳马氏体硬化 表层;合金钢件用渗氮方法可获得合金氮化物的弥 散硬化表层。用这两种方法获得的钢件表面硬度 分别可达 HRC58～62 及 HV800～1200;另一途径是 在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜以改善摩擦条件, 同样可提高耐磨性。例如,蒸汽处理表面产生四氧 化三铁薄膜有抗粘结的作用;表面硫化获得硫化亚铁薄膜,可兼有减磨与抗粘结的作用;近年发展的多 元共渗工艺,如氧氮渗,硫氮共渗,碳氮硫氧硼五元共 渗等,能同时形成高硬度的扩散层与抗粘或减磨薄 膜,有效地提高零件的耐磨性,尤其抗粘结磨损性。 渗碳、渗氮、软氮化和碳氮共渗等方法，都可使钢零 件在表面强化的同时，在零件表面形成残余压应 力，有效地提高零件的疲劳强度；渗氮可提高零件 抗大气腐蚀性能；钢件渗铝、渗铬、渗硅后，与氧或 腐蚀介质作用形成致密、稳定的Al 2 O 3 、Cr 2 O 3 、Si O 2 保 护膜，提高抗蚀性及高温抗氧化性。通常，钢件硬 化的同时会带来脆化。用表面硬化方法提高表面 硬度时，仍能保持心部处于较好的韧性状态，它比 零件整体淬火硬化方法能更好地解决钢件硬化与 其韧性的矛盾。化学热处理使钢件表层的化学成 分与组织同时改变，因此它比高、中频电感应、火焰 淬火等表面淬火硬化方法效果更好。如果渗入元 素选择适当，可获得适应零件多种性能要求的表 面层。
化学热处理过程是一个比较复杂的过程，一般 常把它看成由分解、吸收、扩散三个基本过程所组 成的；即渗剂分解出活性原子，活性原子被零件表 面所吸收，以及被吸收的原子向零件内部扩散，从 而形成一定深度的渗层。某些化学热处理，也可以 不包含分解过程。如用热浸法渗金属时，就是把零 件浸入在熔融的金属内，在零件上直接吸附金属原 子，并向内部扩散，从而形成所要求的渗层。模具 表面的化学热处理有以下特点：不受模具几何形状 的限制；具有较高的工艺性能，如开裂倾向性小、热 处理温度范围较宽；经济效益好，廉价的钢材经化 学热处理后可获得性能优异的表面，并不低于同类 合金钢的性能；能获得具有特殊性能的表面层，如 耐磨性、耐蚀性等。化学热处理普遍由以下三个基 本过程组成：一是活性原子的产生通过化学反应产 生活性原子或借助一些物理方法使欲渗入的原子 的能量增加，活性增加；二是材料表面吸收活性原 子，首先被材料表面吸附，进而被表面吸收，此过程 为一个物理过程；三是活性原子的扩散材料表面吸 收了大量活性原子，使得表面层该原子的浓度大为 提高，为渗入原子的扩散创造了条件，活性原子不 断地渗入表面层，经扩散就形成了一定深度的扩散 层。以上三个过程进行的程度都与温度和时间两 个要素有关，因此温度和时间是化学热处理过程中 两个重要的工艺参数。
钢件经过一般的热处理，例如：淬火回火后，其机械性能得到极大的改善。然而，有许多零件(如模 具等)常在磨损及冲击条件下工作。这就要求表面 有足够的硬度和耐磨性的同时，而心部具有高的韧 性。还有些零件经常在高温或腐蚀介质中工作，其 表面则要求具有较高的抗氧化与抗腐蚀能力。这 些零件若采用优质合金钢、耐热钢和不锈钢时，不 仅成本大大增加，而且有时还不能满足其使用要 求。在此情况下，就需要利用化学热处理的独特优 点，通过改变零件的表层成分与组织状态，以达到 零件具有心部与表面性能相结合的特殊要求。
2 模具表面的化学热处理的方法、作用及其 工艺过程
化学热处理是指将化学元素的原子，借助高温 时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去， 来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使 钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热 处理工艺。按照渗入元素的种类不同，模具表面常 用的化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属 法等四种方法及其作用如下。
渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程，再 经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度 和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的 韧性和塑性。渗氮又称氮化，是指向钢的表面层渗 入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与 耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。渗氮及氮 碳共渗提高硬度、耐磨性及抗咬合能力与抗蚀性； 渗铬提高抗温氧化能力、耐蚀性及耐磨性；渗碳及 碳氮共渗提高硬度、耐磨性及疲劳极限。渗铝提高 抗高温氧化能力及含硫介质腐蚀能力。目前生产 中多采用气体渗氮法。
渗氮的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性、 疲劳强度和耐腐蚀性能。渗氮往往是工件加工工 艺路线中的最后一道工序，渗氮后的工件至多再进 行精磨或研磨。渗氮温度一般不超过调质处理的 回火温度，一般为 500℃～570℃。渗氮处理温度 低，变形小。渗氮的缺点主要是周期太长、生产率 低、成本较高、渗氮层较薄(一般为 0.5mm 左右）、且 脆性大，不宜承受太大的接触应力和高的冲击载 荷。此外，气体渗氮层要获得较高硬度、高耐磨性， 还要求选用含合金元素铬、钼、铝的合金钢制造 零件。
钢的碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮 的过程，习惯上碳氮共渗又称作氰化。它使钢表面 具有渗碳与渗氮的特性。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体氮碳共渗(即气体软氮化)应用较是 广。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬 度，耐磨性和疲劳强度，低温气体碳氮共渗以渗氮 为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。 应用较广泛的只有气体法和盐浴法。气体碳氮共 渗介质是渗碳剂和渗氮剂的混合气，例如滴煤油(或 乙醇、丙酮)、通氨；吸热或放热型气体中酌加高碳势 富化气并通氨；三乙醇胺或溶入尿素的醇连续滴 注。碳氮共渗并淬火、回火后的组织为含氮马氏 体、碳氮化合物和残余奥氏体。深0.6～1.0mm的碳 氮共渗层的强度、耐磨性与深1.0～1.5mm的渗碳层 相当。为减少变形，中等载荷齿轮等可用低于 870℃的碳氮共渗代替 930℃进行的渗碳。随着稀 土催渗(碳稀土共渗)和可部分取代浅层渗碳与碳氮 共渗的氮碳共渗或硫氮碳共渗的推广,碳氮共渗的 应用面有变窄趋势。
渗金属是指以金属原子渗入钢的表面层的过 程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有 某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、 耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅 等。渗硫提高减摩性与抗咬合性；渗钒提高硬度、 耐磨性及抗咬合能力；硫氮及硫氮碳共渗或，提高 减摩性、抗咬合性、耐磨性和抗疲劳性；硼铝共渗提 高硬度、耐蚀性和抗高温氧化性，降低表面脆性及 剥离；渗硼提高硬度、耐磨性、耐蚀性和红硬性，铬 铝共渗具有较高的耐热性能，优于单一渗铬或渗 铝；渗硅提高硬度、耐蚀性和抗氧化性；铬铝硅共渗 提高表面抗高温氧化性能；渗锌提高抗大气腐蚀 能力。
化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方 法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比 均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工 艺。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在 表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧 化等条件下工作的零件，表面层的性能尤为重要。 经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特 殊复合材料。心部为原始成分的钢，表层则是渗入 了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶 体型结合，它比电镀等表面复护技术所获得的心、 表部的结合要强得多。
模具表面的化学热处理根据介质的物理状态, 化学热处理工艺大致可分为固体法、液体法、气体 法和辉光离子法。模具表面的化学热处理通常有 以下四个工艺过程：一是介质中的化学反应。在一定温度下介质中各组分发生化学反应或蒸发,形成 渗入元素的活性组分;二是渗剂扩散。活性组分在 模具表面向内扩散,反应产物离开界面向外逸;三是 相界面反应。活性组分与模具表面碰撞,产生物理 吸附或化学吸附,溶入或形成化合物,其他产物解吸 离开表面；四是被吸附并溶入和渗入元素向模具内 部扩散。当渗入元素的浓度超过基体金属的固溶 度时,产生的应扩散,产生新相。
化学热处理的方法繁多,多以渗入元素或形成 的化合物来命名,例如渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、 渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、 硫、氧、硼五元共渗,及碳(氮)化钛覆盖等。应根据零 件的性能要求以及工艺的易行性与经济指标合理 地选用工艺类型。例如,渗碳与渗氮可提高零件的 耐磨性;但渗碳是在高温(900℃～1 000℃)下进行,在 不太长的时间内(6～10h)可获得可观的渗层,故一般 要求硬化层较深(0.9～2.5mm)的耐磨零件多采用渗 碳处理,既可满足性能要求,又较经济。当零件尺寸 变形要求很严时,采用低温(500℃～600℃)进行的渗 氮处理,可保证零件尺寸精度;但渗氮层增厚缓慢,渗 氮时间常需十几甚至几十个小时,是一种不经济的 方法。化学渗剂是含有被渗元素的物质,被渗元素 以分子状态存在,它必须分解为活性原子或离子才 可能被钢件表面吸收及固溶，很难分解为活性原子 或离子的物质不能作渗剂使用。根据化学反应热 力学，分解反应产物的自由能必须低于反应物的自 由能，分解反应才可能发生。但仅满足热力学条件 是不够的，在生产中实际应用还必须考虑动力学条 件，即反应速度；提高反应物的浓度和反应温度，虽 然均可加速渗剂的分解，但受材料或工艺等因素的 限制。在实际生产中,使用催化剂以降低反应过程 的激活能,可使一个高激活能的单一反应过程变为 由若干个低激活能的中间过渡性反应过程，从而加 速分解反应。铁、镍、钴、铂等金属都是使氨或有机 碳氢化合物分解的有效催化剂，所以钢件表面本身 就是很好的催化剂，渗剂在钢件表面的分解速率比 其单独存在时的分解速率可以提高好几倍。
3 模具表面的离子渗氮化学热处理
离子化学热处理是置于低压容器内的工件,在 辉光放电的作用下,带电离子轰击工件表面,使其温 度升高,实现所需原子渗扩进入工件表层的一种化 学热处理方法。与常规化学热处理相比,离子化学 热处理具有许多突出的特点：渗层质量好、工艺可控性强、工件变形小、处理温度范围宽、易于实现局 部防渗;渗速快、生产周期短,可节约时间 15％～ 50％;热效率高、工作气体耗量少，一般可节能 30％ 以上、省气 70％～90％；无烟雾、废气污染，处理后 工件和夹具洁净，工作环境好；柔性好,便于生产线 组合,实现自动化。正因为如此，离子化学热处理一 直是近几十年来热处理技术发展的一个热点，并在 不太长的时间内迅速得到了推广应用。理论上需 要提高材料表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗蚀、抗 咬合和粘结能力,且氮化后其综合性能能满足零件 的服役要求,具有较好的综合经济指标的一切零件 均可采用离子氮化处理。模具制造工业也不例外。
离子渗氮是辉光离子渗氮的简称，方法是将待 处理的模具零件放在真空容器中，充以一定压力(如 70Pa)的含氮气体(如氮或氮、氢混合气)然后以被处 理模具作阴极，以真空容器的罩壁作阳极，在阴、阳 极之间加上 400～600V 的直流电压，阴阳极间便产 生辉光放电，容器里的气体被电离，在空间产生大 量的电子与离子。在电场的作用下，正离子冲向阴 极，以很高速度轰击模具表面，将模具加热。高能 正离子冲入模具表面，获得电子，变成氮原子被模 具表面吸收，并向内扩散形成氮化层，离子氮化可 提高模具耐磨性和疲劳强度。
渗氮工艺目前多采用离子渗氮、高频渗氮等工 艺。离子渗氮可以缩短渗氮时间,并可获得高质量 的渗层。此外,离子渗氮还可以提高压铸模的抗蚀 性、耐磨性、抗热疲劳性和抗粘附性能。研究工作 表明,高碳及低合金工具钢和中高碳高合金钢均可 进行渗碳或碳氮共渗。高碳低合金钢渗碳或碳氮 共渗时,应尽可能选取较低的加热温度和较短的保 温时间,此时可保证表层有较多的未溶碳化物核心， 渗碳和碳氮共渗后表层碳化物呈颗粒状,碳化物总 体 积 也 有 明 显 增 加, 可 以 增 加 钢 的 耐 磨 性 。 W6Mo5Cr4V2 和 65Nb 钢制模具进行渗碳以及 65Nb 钢制模具真空渗碳后,模具的寿命均有显著提高。 采用 500℃～650℃高温回火的合金钢模具,均可在 低于回火温度的范围内或在回火的同时进行表面 渗氮或氮碳共渗。由于渗氮技术可形成优良性能 的表面且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的 协调性,同时渗氮温度低,渗氮后不需激烈冷却,模具 的变形极小,因此模具的表面强化是采用渗氮技术 较早也是应用最广泛的。
离子渗氮是利用了辉光放电这一物理现象并 以此作为热源加热工件，由此特点使它具有以下优点:加速了渗氮过程，仅相当于气体渗氮周期的 1/ 2～1/3；离子渗氮的温度可比气体渗氮低，可在 350℃～500℃下进行，工件变形小；由于渗氮时气 体稀薄，过程可控，使得渗层脆性小；离子渗氮中有 离子轰击而产生的阴极溅射现象，可以清除表面的 钝化膜，不锈钢和耐热钢表面不经处理可直接渗 氮；局部防渗简单易行，只要采取机械屏蔽即可；经 济性好，热利用率高，省电，省氨。离子渗氮作为强 化金属表面的一种化学热处理方法,广泛适用于铸 铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等。零件经离子 渗氮处理后,可显著提高材料表面的硬度,使其具有 高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等。 离子氮化作为兴起的一种新型渗氮方法，与气体渗 氮相比具有渗氮速度快、渗氮层组织易于控制、脆 性小、无环境污染、节约电能，气源、变形小等优 点。脉冲电源用于离子渗氮,则是近十年来离子渗 氮技术的发展,它能进一步节约能源、提高工作效 率、工艺参数独立可调便于操作、渗件表面质量好、 更利于深孔,狭缝渗氮。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。
离子渗氮也存在一些问题：例如工件温度的均 匀性与测温的准确性尚待提高；深层渗氮(>0.5mm) 的生产周期与气体渗氮接近。工作表面渗氮后能 显著提高模具的力学性能。氮虽然是一种作为保 护性气体的惰性气体,但氮离子化后具有很大的活 性，能够参与表面处理，形成高硬度和抗腐蚀的氮 化物，如 Ti N、Ti 2 N,Cr 2 N,VN 等。但在离子氮化前必 须进行去除加工应力的退火或回火处理，且不同的 材料氮化效果也不同，对于必须氮化、不能氮化或 两者均可的部位要明确尺寸精度要求。目前，离子 渗氮已广泛应用于热锻模、冷挤压模、压铸模、塑料 模等几乎所有的模具上，很好地解决了硬度、韧性、 热疲劳性和耐磨性几者之间的矛盾。
4 模具表面的渗碳或碳氮共渗化学热处理
模具在工作中除了要求基体具有足够高的强 度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作 性能和使用寿命至关重要。模具的表面处理技术， 是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态， 以获得所需表面性能的系统工程。目前在模具制 造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。
离子渗碳，亦称辉光渗碳。渗碳是指使碳原子 渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具 有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工 件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部 分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。为增加钢件 表层的含碳量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件在 渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学 热处理工艺。
渗碳是对金属表面处理的一种,采用渗碳的多 为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有 活性渗碳介质中,加热到 900℃～950℃的单相奥氏 体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性 碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保 持原有成分。相似的还有低温渗氮处理。这是金 属材料常见的一种热处理工艺,它可以使渗过碳的 工件表面获得很高的硬度,提高其耐磨程度。渗碳 工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小 于 0.25%)。渗碳后钢件表面的化学成分可接近高 碳钢。工件渗碳后还要经过淬火,以得到高的表面 硬度、高的耐磨性和疲劳强度,并保持心部有低碳钢 淬火后的强韧性,使工件能承受冲击载荷。按含碳 介质的不同,渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳、液体 渗碳、和碳氮共渗（氰化）。气体渗碳是将工件装入 密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂（甲烷、乙烷等）或 液体渗剂（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解 出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层 的一种渗碳操作工艺;固体渗碳是将工件和固体渗 碳剂（木炭加促进剂组成）一起装在密闭的渗碳箱 中，将箱放入加热炉中加热到渗碳温度，并保温一 定时间，使活性碳原子渗入工件表面的一种最早的 渗碳方法。液体渗碳是利用液体介质进行渗碳，常 用的液体渗碳介质有：碳化硅，渗碳剂等。碳氮共 渗（氰化）又分为气体碳氮共渗、液体碳氮共渗、固 体碳氮共渗。
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。
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。模具渗碳是为了提 高模具的整体强韧性，即模具的工作表面具有高的 强度和耐磨性。硬化膜沉积技术目前较成熟的是 CVD、PVD。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。
离子渗碳氮技术是依靠炉气活性组分 C 3 H 8 和 NH 3 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。采用 500℃～650℃高温回火 的合金钢模具，均可在低于回火温度的范围内或在 回火的同时进行表面渗氮或氮碳共渗。氮碳共渗 可在气体介质或液体介质中进行，渗层脆性小，共 渗时间比渗氮时间大为缩短。压铸模、热挤压模经 氮碳共渗后可显著提高其热疲劳性能。氮碳共渗 对冷镦模、冷挤压模、冷冲模和拉伸模等均有很好 的应用效果。冷作模具和热作模具还可以进行硫 氮或硫氮碳共渗。
近年来许多的研究工作都表明，稀土有明显的 催渗效果，从而开发了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗 等新工艺。模具的渗氮处理有离子渗氮和气体渗 氮两种。热镦模采用离子渗氮，可以明显提高模具 的使用寿命。压铸模可以采用气体渗氮，渗氮后抗 腐蚀能力大大增强。
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。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。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。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。
5 模具表面离子渗硼、渗金属的化学热处理
等离子体化学热处理工艺主要是用来对工件、 模具等表面进行强化作用的。近些年发展最快、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。相对常规化学热处理工艺,有很多的优 势，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。
渗 硼 是 渗 镀 品 种 之 一 ，是 一 种 在 高 温 下 (800℃～1 000℃)使硼元素渗入金属表面获得硼化 合物硬质层的化学热处理技术。渗层厚度 20～ 150μm；渗层硬度与硬质合金硬度相当（1 500～ 2100HV）；优异的抗磨粒磨损及抗冲蚀性能；提高材 料抗硫酸、磷酸及盐酸腐蚀能力；显著提高奥氏体 不锈钢的表面硬度而不降低其耐蚀性。
渗硼后的模具件具有硬度高、热稳定性好、耐 磨损和抗腐蚀等优点,渗硼处理作为钢件表面强化 手段已被广泛应用。尤其是模具经渗硼处理,寿命 能成倍地提高。目前渗硼用钢普遍拘限于某种模 具(或工具)传统所采用的材质,而不能根据不同材 质，渗硼处理后渗硼层组织的性能特点(尤其是耐磨 性和脆性)加以合理地选用,故有时渗硼处理得不到 满意的效果。
渗硼方法有固体粉末渗硼、气体渗硼、电解盐 浴和盐浴的液体渗硼。渗硼层有优异的耐磨性、较 好的耐蚀性和抗高温氧化性。例如冲压零件等模 具经渗硼后可提高使用寿命。
渗硼可以是固体渗硼、液体渗硼和膏剂渗硼 等，应用最多的是固体渗硼，市场上已有固体渗硼 剂供应。固体渗硼后，表层的硬度高达 1 400～ 2 800HV，耐磨性高，耐腐蚀性和抗氧化性能都较 好。渗硼工艺常用于各种冷作模具上，由于耐磨性 的提高，模具寿命可提高数倍或十余倍。采用中碳 钢渗硼有时可取代高合金钢制作模具。渗硼也可 应用于热作模具，如热挤压模等。渗硼层较脆，扩 散层比较薄，对渗层的支撑力弱，为此，可采用硼氮共渗或硼碳氮共渗，以加强过渡区，使其硬度变化 平缓。为改善渗硼层脆性，可采用硼钒、硼铝共渗。
渗硼是一种很有效的模具表面硬化工艺。金 属模具渗硼后，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。
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。离子 渗金属是近十几年来离子化学热处理技术发展的 最大亮点。材料表面渗金属的方法有固体渗金属、 液体渗金属、气体渗金属、离子渗金属和其它方法 联用的渗金属方法等已广泛用于生产实践中。离 子渗金属技术迅速发展于80年代后期，已进入工业 生产。离子渗金属的方法包括双层辉光离子渗金 属、多弧离子渗金属、加弧辉光离子渗金属、交变电 场真空离子渗金属、脉冲辉光放电离子渗金属和气 相辉光离子渗金属。它们的优点是渗速快、变形 小、不需要去钝处理、能耗低等。其共同的特点是： 辉光放电产生的等离子体(电子、离子或粒子)对工 件有强烈的轰击作用。因此，利用等离子体诊断系 统对电子温度、等离子体电位、电子密度等这些等 离子体参数进行监控可有效提高渗层质量。
双层辉光离子渗金属技术是目前离子渗金属 的主要方法,基本原理是在真空容器内设置阳极、阴 极(工件)以及由欲渗合金元素组成的源极。阳极和 阴极之间以及阳极和源极之间各设一个可调压直 流电源。当真空室内气压达到一定值后调节上述 电源,则在阳极和阴极以及阳极和源极之间出现辉 光放电,此即为双层辉光放电现象。辉光放电源极 的欲渗元素在离子轰击下被溅射出来,高速飞向阴 极(工件)表面,同时辉光放电使电能转变为热能使工 件加热至高温。由源极溅射出来的离子被处于高 温的工件表面吸附,借助于扩散过程进入工件表面, 从而形成欲渗元素的合金层,工件升温、金属粒子在 工件表面吸附并向内扩散,实现离子渗金属。采用 该技术,已成功地渗入W、Mo、Cr、Ni、V、Zr、Ta、Al、Ti 和Pt等元素,或是多种元素共渗,渗层中合金元素的 含量可达 90％以上。离子渗金属后可有效地提高材料的耐磨性和耐蚀性,降低零部件的原材料消耗。
另一种离子渗金属的方法是膏剂法，即将欲渗 元素置于膏剂中，涂覆于工件表面，在辉光离子的 作用下，实现工件的升温和金属元素向基体的扩 散。但受技术限制，该法难以实现工业化生产。除 此之外，还有人进行了多弧离子渗金属、加弧离子 渗金属、气相辉光离子渗金属的尝试。离子渗硼技 术研究较早，过去大多数用B 2 H 2 和 BCl 3 作为渗硼介 质，但因渗剂的强腐蚀性或易爆等原因，无法推 广。近年来，采用较多的方法是膏剂法，它渗速快、 安全、便于操作。采用此法，还可实现 Si 等其他元 素的渗入。
离子渗金属是在低真空炉体中，利用辉光放电 即低温等离子体轰击的方法，使工件表面渗入金属 元素。实现离子渗金属必须具备以下条件：离子状 态的欲渗合金元素；连续可调的高压脉冲或直流电 源；一定的加热温度；一定的真空度。模具表面渗 金属包括渗铬、渗钒和渗钛等工艺，均可用于处理 冷作和热作模具，其中 TD 法（熔盐渗金属）已得到 一些应用，可使模具寿命提高几倍乃至十几倍。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。在现有工艺和设备基础上进一步的开发，使离 子渗氮技术优势得以发挥，其应用前景仍然是广 阔的。
6 结束语
模具在现代工业生产中是生产各种工业产品 的重要工艺装备。随着社会经济的发展，特别是汽 车、家电工业、航空航天的迅猛发展，对模具工业提 出了更高的要求。如何提高模具的质量、使用寿命 和降低生产成本成为当前迫切需要解决的问题。
模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和 韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能 和使用寿命至关重要。模具性能的改善，单纯依赖 基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济 的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍 的效果，这也正是表面处理技术在模具生产中得到 迅速发展的原因。模具通过不同的表面处理方法， 可以只改变模具表层的化学成分、组织、性能，从而 大幅度地改善和提高模具的表面性能，提高模具使 用寿命。这对于提高模具质量，大幅度降低生产成 本，提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能都具 有重大意义。模具的表面处理技术，是通过表面涂 覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形 态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表 面性能的系统工程。
