CN104152916A

CN104152916A - 热冲压专用超高热导率耐磨模具钢热处理和等离子氮碳共渗表面处理工艺方法

Info

Publication number: CN104152916A
Application number: CN201410187617.9A
Authority: CN
Inventors: 吴晓春; 李爽; 曹奇; 冯熙; 杨浩鹏; 张铮; 吴博雅
Original assignee: Shanghai Shi Jin Novel Material Science And Technology Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Shanghai Shi Jin Novel Material Science And Technology Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2014-11-19

Abstract

一种高强钢板/管热冲压专用超高热导率耐磨模具钢（HDCM）的热处理和等离子氮碳共渗表面处理工艺。热处理工艺为1050-1000℃淬火，560-600℃两次回火；表面处理工艺为电压600-850V，气氛比值NH₃∶CO₂=10∶1-16∶1，炉压450-700Pa，渗氮温度520℃-550℃，渗氮时间8h-12h。在综合性能上，该专用热冲压模具钢性能为：硬度为51-53HRC，冲击韧性值Ak约为170-200J；表面等离子渗氮后，模具表面形成化合物层，白两层厚度6-17μm，显微维氏硬度750-850HV₃₀₀，渗层厚度150-260μm。本发明模具钢硬度值比一般热处理H13高，能提高模具的耐磨性能，能有效的防止模具表面的拉毛，经等离子表面渗氮后更能大大延长模具的使用寿命。

Description

热冲压专用超高热导率耐磨模具钢热处理和等离子氮碳共渗表面处理工艺方法

技术领域

本发明涉及一种高强钢板/管热冲压专用超高热导率耐磨模具钢的热处理和等离子氮碳共渗表面处理工艺方法，应用于合金钢热处理和表面处理技术领域。

背景技术

通常按模具使用对象将模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。热冲压模具钢属于热作模具钢。随着汽车行业的高速发展，以及汽车轻量化需求的不断提高，热冲压成形工艺主要用于获得超高强度冲压件。在获得超高强度钢时，由于冷冲压成形工艺所需的成形力极大，容易导致模具损坏、设备震动，且还易产生破裂、起皱、反弹、尺寸精度不良等问题。因此，原有冷冲压成形工艺的不再满足技术和生产发展的需要，而热冲压成形工艺利用金属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降。热冲压模具钢是近几十年使用量急剧上升和消耗最大的模具钢之一，它的工况条件比一般热作模具钢还更复杂。

钢板热冲压过程是将特殊的高强度钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具，快速冲压，在压机保压状态下通过布置有冷却回路的模具(而不是空气)对零件进行淬火冷却(并要保证一定的冷却速度)，最后获得超高强度冲压件(组织为马氏体，强度在1500MPa左右甚至更高)。在工作时，由于模具与加热的坯料直接接触，当炽热的金属放入热冲压模具型腔时，型腔表面急剧升温，且冲压和保压时表层产生压应力和压应变，这使得模具需要较好的热强性和热稳定性；在保压过程中通过带有冷却水道的模具对零部件淬火，为了使模具能很快地把钢板的热量带走和保证模具在服役过程中的精度，模具材料必需具有较大的导热系数和较小的热膨胀系数；当金属件取出时，型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，在这种交替变换温度的工况下模具极易产生热疲劳；并且热冲压模具钢在服役过程中，还要受到较大冲击载荷，因此模具需具备优良的韧性；为防止模具表面在服役过程中产生的拉毛，模具还需具有较高的硬度。另外，由于奥氏体化后钢板从炉内转移到模内过程中与氧气和水接触产生大量氧化皮，模具使用过程中脱落的碳化物颗粒等在模具与工件相对运动过程中产生磨损，要求模具有较好的耐磨性能。因此，复杂的工况要求热冲压模具材料具有较高的热导率、热强度、硬度、冲击韧性、耐磨性、淬透性和热稳定性和抗冷热疲劳性能等。

目前，我国最长使用的热冲压模具钢采用的是国家标准GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiV1（相当于北美标准H13钢）。这种热冲压模具钢的化学成分采用C 0.32-0.45wt%、Cr 4.75-5.50wt%、Mo 1.20-1.75 wt%、V 0.80-1.20 wt%、Si 0.80-1.2wt%、Mn 0.20-0.5wt%、P≤0.03wt%、S≤0.03wt%。目前，日本企业采用的是热作模具钢SKD61（相当于北美标准H13钢），瑞典热冲压模具供应商采用的是ORVAR，德国企业采用的是CR7V和1.2379。

热处理对模具钢的使用性能有着至关重要的影响。热处理决定了模具钢内部显微组织，从而确定了模具钢的强韧性。通过不同的热处理可以使模具获得所需的硬度，但其组织、性能可能有显著差别，要充分发挥模具钢合金元素的强韧作用，不同用途的不同模具钢就必须有相应的热处理工艺。等离子表面渗氮温度与热作模具钢的回火温度吻合的很好，与其他表面处理相比，它是一种成熟的技术，而且成本低、可靠性高。通过气氛、渗氮温度、时间可以很好的控制表面化合物层和扩散层的相组成以及它的性能。通过简单的渗氮处理，可以大大提高模具的使用寿命，具有非常高的性价比。

上海大学发明了一种高强钢板/管热冲压超高热导率耐磨模具钢HDCM，其化学元素重量百分含量为：C：0.33-0.40%；Si：＜0.30%；Mn：﹤0.30%；W：1.0-2.0%；Mo：4.0-5.0%；Cr：＜0.30%；V：0.10-0.20%；其余为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素中S：≤0.01%；P：≤0.02%；O：≤30ppm。。此外,该发明还提供一种热冲压模具钢的制造方法,其采用电渣重熔工艺、高温均匀化和超细化热处理工艺控制材料组织,从而起到对材料的强化作用,提高其性能指标。较之现有材料,该发明所述的热冲压模具钢的热导系数在100-200℃区间较H13钢提高了80％以上，而且具有良好的耐磨性能。

对相关技术的中外专利检索内容分析

通过输入相关本发明内容的关键词在对中外专利进行检索发现，涉及到和本发明相关联的热作模具钢热处理及其表面处理技术的专利文献有：

1) 专利申请号：CN201210146712.5，名称：高硅高锰型高热稳定性热作模具钢及其热处理工艺，该钢的特征在于化学成分中高含量的硅元素和锰元素的比例保持为1：1不变,各主要合金元素的质量百分比为：C0.25～0.45%,Si0.8～2.0%,Mn0.8～2.0%,Cr3.5～4.5%,Mo0.6～1.2%,V0.4～0.8%,P＜0.02%,S＜0.02%,Fe余量。本发明热作模具钢的制备过程如下：配料、冶炼、浇涛,然后电渣重熔；高温匀质化热处理,然后多向锻造热加工；再进行超细化热处理和等温退火处理；最后进行淬火和回火热处理,即将其加热至980～1100℃进行奥氏体化,经过油冷或水雾冷却后,在540℃～600℃进行两至三次回火。

2) 专利申请号：CN201210139562.5，名称：汽车锻件模具钢H13的热处理工艺,其特征是,包括以下工艺步骤：(1)将模具钢装入加热炉,加热炉的温度＜300℃,升温至760~780℃,通入甲醇作为保护气氛,保护气氛的通入量为：3~5×炉子体积/小时；(2)先将加热炉继续升温至820~850℃进行第一阶段热处理,加热时间为：模具钢长度×1.2~1.8min；再将加热炉升温至1020~1050℃进行第二阶段热处理,加热时间为：模具钢长度×1.5~2.2min；(3)淬火冷却：将模具钢在160~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却,冷却时间为1.5~2.5小时；然后模具钢出硝盐炉在空气中自然冷却至120~160℃,冷却时间为1.5~2.5小时；(4)回火处理：将淬火冷却后的模具钢在530~600℃进行回火处理,保温时间为5~9小时,回火处理后在空气中自然冷却至室温；(5)重复步骤(4)的操作2~3次,即完成所述模具钢的热处理过程；所述模具钢长度的单位为毫米。

3) 专利申请号：CN200710039838.1发明公开了一种取向硅钢的渗氮方法,主要特征包括在等离子渗氮室内进行等离子渗氮处理,通过控制等离子渗氮室中的渗氮温度500～700℃、渗氮时间10～30秒,渗氮气氛为H2占0～10％,NH3占0～5％,其余为N2, 控制等离子渗氮室真空度为1000～2000Pa,极板电压为700～1000V,来控制渗入取向硅钢中的N元素的渗入量、分布以及氮化物的尺寸。在取向硅钢生产中采用等离子渗氮方法可以使渗氮效果均匀,增强抑制剂的抑制力，提高工艺稳定性。

4) 专利申请号：CN200410017949.9一种气门精锻模的表面改性处理加工方法,主要采用渗氮工艺,该方法的特征在于具有以下工艺过程和步骤： a.采用原热作模具钢制造的气门精锻模,经淬回火后,放入专用的等离子热处理设备,通入以氨气为主的含氮气氛,并在500-550℃温度范围内进行2-8 小时的等离子渗氮处理； b.等离子渗氮结束时,再通入氨气和丙酮混合气,在上述500-550℃温度下进行 1-3小时的等离子氮碳共渗处理,氨气和丙酮气体的体积比为10∶1～5∶1； c.然后再放入蒸汽氧化炉中,在0.05～0.25MPa的蒸汽压力下、在500-550℃温度范围内对模具进行表面氧化处理。 d.经上述复合工艺处理后,使模具表面呈均匀的蓝灰色,且模具表层结构形成为三层,即最表层为氧化膜,厚度为3～10μm；第二层次表层为氮、碳扩散层,厚度为100～400μm,第三层为基体心部,在次表层以下,为热作模具钢的基体组织。

本发明与现有技术的对比分析

对比分析如下：从成份的对比可以看出，本发明的化学成份的元素含量和专利1-2明显不同，元素对材料的性能作用的机理也就不同，材料的应用环境也有所不同。

1) 专利CN201210146712.5与本发明的相似之处在于采用了淬火并回火两次的工艺，得到稳定的回火马氏体组织。本发明通过控制等离子渗氮气氛比值、渗氮时间、炉压、电压、渗氮温度等参数，得到无化合物层渗氮层。在提高模具表面硬度的同时，优化模具耐蚀性、耐磨性和防粘附性能。与普通等离子渗氮得到从表面到心部依次为化合物层、扩散层工艺相比，本发明所得到无化合物层渗层避免了化合物层的脆性，提高了模具的热疲劳性能，避免的化合物层破碎脱落产生的硬质磨粒有利于模具抗磨。

2) 专利CN201210139562.5是用于汽车锻模的H13钢热处理，与本发明不同之处在于其淬火方式，其模具钢在160~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却,冷却时间为1.5~2.5小时；然后模具钢出硝盐炉在空气中自然冷却至120~160℃,冷却时间为1.5~2.5小时；本发明为真空气淬。较专利CN201210139562.5，本发明在560-600℃根据模具此寸回火不同时间。本研究采用真空高压气淬炉，冷却方式为气冷至室温。并在热处理后，通过等离子渗氮工艺进一步提高模具的使用寿命。

3) 专利CN201210099323.1是一种取向硅钢的渗氮方法。通过在取向硅钢生产中采用等离子渗氮方法可以使渗氮效果均匀,增强抑制剂的抑制力，提高工艺稳定性。而本发明在处理材料及氮碳共渗工艺上都是不同的。本专利研究在热冲压用模具材料HDCM上通过等离子氮碳共渗来提高其模具耐磨性能。

4) 专利CN200410017949.9是一种气门精锻模的表面改性处理加工方法,采用渗氮＋氧化工艺。采用原热作模具钢制造的气门精锻模,经淬回火后,放入专用的等离子热处理设备进行等离子渗氮处理；等离子渗氮结束时,再通入氨气和丙酮混合气等离子氮碳共渗处理,然后再放入蒸汽氧化炉中对模具进行表面氧化处理。经工艺处理后,模具表层结构形成为三层,即最表层为氧化膜,厚度为3～10μm；第二层次表层为氮、碳扩散层,厚度为100～400μm,第三层为基为热作模具钢的基体组织。而本专利设计一种新型热冲压模具材料和其等离子氮碳共渗工艺，其中氮碳共渗工艺与专利CN200410017949.9在温度，气氛等渗氮工艺参数是不同的，得到的表层结构组织也是不同的，本发明最后得到的组织为表层化合物白亮层6-17μm，硬度为750-850HV₃₀₀,；次层为扩散层，约150-260μm；第三层为模具材料基体。

有关本发明的机理及选用工艺参数的分析解释

以下是对本发明各参数的分析解释：

1. 淬火温度1050-1000℃：该热冲压专用模具钢为过共析钢，淬火温度较低时，回火后模具硬度过低；淬火温度较高时，奥氏体晶粒长大导致材料强度下降、韧性较差。最终选择淬火温度1050-1100℃，回火之后得到最适合热冲压成型的模具钢强韧配比。

2. 回火温度560-600℃：经淬火后，该模具钢奥氏体含碳量曾加，淬火后残余一定奥氏体量，这部分残余奥氏体经一次回火分解为马氏体，致使冲击韧性差。因此，本发明采用560-580-600℃回火3次达到稳定组织与调整硬度的目的。最终模具钢硬度为51-53HRC，7mm×10mm×55mm无缺口冲击功为170-200J。

3. 等离子氮碳共渗电压600-850V：电压在等离子渗氮中主要等渗氮过程具有较大的促进作用，较高电压这可以提高轰击能量，从而增加渗氮层厚度和力高渗氮层硬度，而电压过高会妨碍离子体在基体表面的附着和扩散，因此电压应选取合适的范围。

4. 等离子氮碳共渗气氛比值NH3:CO2= 10:1-16:1：通过改变NH3: CO2比值可以调节化合物层的厚度和扩散层相组成及厚度。因此根据不同的需要来进行气氛比值的调整。

5. 等离子氮碳共渗炉压450-750Pa：离子渗氮炉炉压越高，辉光集中；炉压低时，辉光发散。实际操作中，炉压可以在133-1066Pa范围内调节。高压下，化合物层长α相含量高，低炉压易获得γ相。在低于40Pa或者高于2660Pa的条件下离子渗氮，不易出现化合物层。

6. 等离子氮碳共渗温度520-550℃：离子渗氮化合物层和扩散层温度随温度增加而显著增加，但对化合物层的组织结构没有太大影响，而且，即使在400℃的低温下，也有明显的渗氮效果，这也是离子渗氮的突出特点。表面硬度在一定范围内存在一个最大值，温度太低，硬化层太浅，强化效果欠佳；温度太高，渗层中的氮化物粗化，致使硬度下降。

7. 等离子氮碳共渗时间8h-12h：渗氮对α相和γ相化合物层厚度的影响具有不同的规律。小于4h时，γ相化合物层厚度随时间延长而增厚，4h后基本保持不变，而α相化合物层厚度随着渗氮时间延长持续增加。在一般情况下，渗氮时间的延长总是使化合物层厚度增加。而扩散层深度与时间之间复合抛物线关系，其变化规律与气体渗氮相似。另外炉内渗氮气氛一定时，化合物层的氮浓度不瘦渗氮时间影响。随着渗氮时间延长，扩散层加深，硬度梯度趋于平缓；但保温时间增加，引起氮化物组织粗话，导致硬度下降。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明涉及一种高强钢板、管热冲压专用模具钢的热处理及其表面处理工艺方法。在热处理工艺上，本发明钢的特点是将热处理温度和时间严格限制，得到最适合热冲压成型的模具状态。在表面处理上，通过多因素复合控制，得到热冲压模具所需抗耐磨性能良好的坚固的氮化层和扩散层。在综合性能上，该专用热冲压模具钢性能为：经1080℃淬火，560-600℃3次回火后，硬度为51-53HRC，冲击韧性值Ak为170-200 J；经表面等离子渗氮后，模具表面化合物层厚度为6-17μm，显微维氏硬度750-850HV₃₀₀，渗层厚度150-260μm。本发明模具钢硬度值比一般热处理H13高，能提高模具的耐磨性能，能有效的防止模具表面的拉毛，经等离子表面渗氮后更能大大延长模具的使用寿命。磨损后的模具，经修模和本发明的等离子渗氮可以重新投入使用，从而大大地提高模具的总使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强钢板/管热冲压专用超高热导率耐磨模具材料热处理及等离子氮碳共渗表面处理技术。其目的在于使热冲压模具钢通过热处理得到最合适热冲压生产的强韧配比，并且经过表面处理有效的提高模具表面强度，增强模具的耐磨性、耐蚀性、抗粘结性和抗热疲劳性能。磨损后的模具，经修复和再次等离子渗氮可以重新投入使用，从而大大地提高模具的总使用寿命。其内容包括：

a. 高强钢板/管热冲压专用超高热导率耐磨模具钢热处理工艺如下：采用真空高压气淬炉在1050-1000℃淬火，560-600℃回火三次，处理后该专用热冲压模具钢性能为：基体硬度为51-53HRC，冲击韧性值Ak为170-200J；

b. 高强钢板/管热冲压专用超高热导率耐磨模具钢表面等离子氮碳共渗工艺如下：处理工艺电压为600-850V，气氛比值NH3:CO2= 10:1-16:1，炉压450-700Pa，渗氮温度520℃-550℃，渗氮时间8h-12h。表面等离子渗氮后，模具表面形成化合物渗层，白亮层厚度6-17μm，显微维氏硬度750-850HV_0.3，渗层厚度150-260μm。

附图说明

图1为实施例1该热处理工艺模具钢的显微组织光学和SEM照片；

图2为实施例1热处理及等离子氮碳共渗后模具钢截面金相组织照片；

图3为实施例2热处理及等离子氮碳共渗后模具钢截面金相组织照片；

图4为实施例3热处理及等离子氮碳共渗后模具钢截面金相组织照片；

图5为实施例3热处理及等离子氮碳共渗后模具钢表面XRD物相分析；

图6为实施例3热处理及等离子氮碳共渗后模具钢截面硬度梯度。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例结合附图叙述于下。

实施例1

本发明涉及一种高强钢板、管热冲压专用超高热导率耐磨模具钢的热处理及其表面处理工艺，具体工艺下：

1. 模具材料化学成分：C：0.36%；Si：0.07%；Mn：0.14%；W：1.70%；Mo：4.51%；

Cr：0.12%；V：0.14%；

2. 热处理工艺：1080℃淬火，560℃、580℃、600℃个回火2h，在该热处理工艺条件下，硬度及冲击韧性：硬度值为51-53HRC，冲击韧性值为170-200 J。淬回火态显微组织如图1所示。

3. 等离子渗氮工艺：电压600-650V，气氛比值NH₃: CO2=10:1，炉压450-500Pa，渗氮温度520℃，渗氮时间8h。渗氮后表面硬度为760-800HV_0.3，化合物层厚度6-9μm。氮碳共渗试样截面组织图片如图2所示。

实施例2

1. 模具材料化学成分：C：0.38 %；Si：0.06%；Mn：0.12%；W：1.65 %；Mo：4.43%；

Cr：0.12%；V：0.13%；

2. 热处理工艺：1080℃淬火，560℃、580℃、600℃个回火2h，在该热处理工艺条件下，硬度及冲击韧性：硬度值为51-53HRC，冲击韧性值为170-200 J。

3. 等离子渗氮工艺：电压800-850V，气氛比值NH₃: CO2=16:1，炉压450-500Pa，渗氮温度550℃，渗氮时间8h。渗氮后表面硬度为800-840HV₃₀₀，化合物层厚度11-15μm。氮碳共渗试样截面组织图片如图3所示。

实施例3

本实施例进行了一种热冲压专用超高热导率耐磨模具钢进行热处理及表面处理，具体工艺下：

1. 模具材料化学成分：C：0.37 %；Si：0.08%；Mn：0.12%；W：1.65 %；Mo：4.43%；Cr：0.20%；V：0.12%；

3. 等离子渗氮工艺：电压800-850V，气氛比值NH₃: CO2=10:1，炉压650-750Pa，渗氮温度550℃，渗氮时间12h。渗氮后表面硬度为820-850HV₃₀₀，化合物层厚度12-17μm。氮碳共渗试样截面组织图片如图4所示；图5为实施例3表层物象X射线衍射分析。图6为实施例3试样的截面硬度梯度。

Claims

1.一种高强钢板/管热冲压专用超高热导率耐磨模具钢的热处理和等离子氮碳共渗表面处理工艺方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.高强钢板/管热冲压专用超高热导率耐磨模具钢热处理工艺如下：采用真空高压气淬炉在1050-1000℃淬火，560-600℃回火三次；处理后该专用热冲压模具钢性能为：基体硬度为51-53HRC，冲击韧性值Ak为170-200J；

b.高强钢板/管热冲压专用超高热导率耐磨模具钢表面等离子氮碳共渗工艺如下：处理工艺电压为600-850V，气氛比值NH3:CO2= 10:1-16:1，炉压450-700Pa，渗氮温度520℃-550℃，渗氮时间8h-12h；表面等离子渗氮后，模具表面形成化合物渗层，白亮层厚度6-17μm，显微维氏硬度750-850HV_0.3，渗层厚度150-260μm。