CN108754410B - 用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法 - Google Patents

用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，包括以下步骤：对模具进行预热处理、清理和机械加工；进行TRD盐浴配盐：盐浴配方按质量百分比为：无水硼砂：70‑75%、供铬剂：8‑12%、供铌剂：4‑6%、还原剂：3‑6%、活化剂：8‑10%；进行盐浴铬铌共渗处理：将模具浸入熔化的盐浴中，第一阶段温度为880‑910℃，保温时间2‑3.5h；第二阶段温度为930‑940℃，保温时间2‑3h；第三阶段温度为980‑1040℃，保温时间3‑4h；将模具取出后经过油淬后回火处理。本发明提出的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，改善了覆层应力过渡不均的现象，提高了模具服役性能和使用寿命。

Description

用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法。
背景技术
随着精冲工艺的不断开拓与使用，特别是厚钢板的冲压加工以其高的生产率、优越的冲压件质量和丰厚的经济效益引起广泛的关注，它为切削加工提供的半精化毛坯，具有节省加工工时和耗能、降低成本、提高产品质量等多方面的综合效益。厚板冲裁与薄板相比，需要的冲裁力较大，表面磨损生热现象也较为严重，对于一些具有尖角、凸耳或折现交点的模具，冲裁时由于其接触应力远大于平均应力，甚至超过材料的许用压应力造成模具过早损坏。冲裁时，凸、凹模失效的主要形式是表面剥落和磨损，因此除了要求凸、凹模必须有足够的硬度和强度外，所选材料必须具有良好的耐磨性、优异的抗冲击韧性和一定的抗冷热疲劳能力。
目前常见的模具表面热处理工艺方案有传统的渗碳、渗氮、碳氮共渗、PVD、CVD、电镀等，但是相比TRD（Thermal Reactive Diffusion）技术来说，其形成的表面覆层存在硬度不足（渗碳、渗氮、碳氮共渗）、结合强度欠佳（PVD）等问题，有些还会造成严重污染（电镀等）以及产生有毒产物。TRD盐浴制得的碳化物覆层有很高的硬度、强度、耐磨性和抗腐蚀性，张文杰等人发明了一种盐浴共渗剂（CN 103103476B），克服了单渗铬和单渗铌存在的缺点，可在金属表面得到Cr3C2-NbC梯度覆层，但存在底层Cr3C2层厚度较薄（1-2μm），渗铌层厚度（8-9μm）与渗铬层厚度比偏大（约为4.5），导致覆层整体连续性不佳和相结构的分布不均，进而表现出覆层硬度的过渡不均匀，覆层截面硬度从基体-Cr3C2层-NbC层的变化为600HV-1400HV-3100HV，Cr3C2层与NbC层硬度差较大（△=1700HV），存在覆层应力过渡不均，容易出现覆层内裂纹和剥落、崩裂等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，旨在改善覆层应力过渡不均的现象，提高模具服役性能和使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供一种用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，包括以下步骤：
对模具进行预热处理、清理和机械加工；
进行TRD盐浴配盐：盐浴配方按质量百分比为：无水硼砂：70-75%、供铬剂：8-12%、供铌剂：4-6%、还原剂：3-6%、活化剂：8-10%，按上述配比，先将坩埚加热至820-850℃，逐步加入硼砂直至全部硼砂熔化，再加入供金属剂和活化剂充分搅拌至全部融化，加入还原剂至熔化形成盐浴，保温1-2h；
进行盐浴铬铌共渗处理：将模具浸入熔化的盐浴中，第一阶段温度为880-910℃，保温时间2-3.5h；第二阶段温度为930-940℃，保温时间2-3h；第三阶段温度为980-1040℃，保温时间3-4h；
将模具取出后经过油淬后回火处理以去除残余应力。
优选地，所述将模具取出后经过油淬后回火处理以去除残余应力的步骤具体包括：
将模具取出后直接油淬后，在260-270℃温度下回火保温2-3h空冷，再于170-180℃温度下保温2-3h空冷。
优选地，所述对模具材料进行预热处理、清理和机械加工的步骤具体包括：
根据不同模具钢的性能选择与之相适应的预热处理工艺；
选用溶剂清除模具钢基体表面的油污后，对钢基体的工作层进行打磨抛光处理，并清除钢基体表面铁锈，最后用硝酸溶液处理以达到钢基体钝化的效果。
优选地，进行盐浴铬铌共渗处理时，在保温过程中每间隔一段时间搅拌一次熔盐，保证熔盐的流动性。
优选地，进行TRD盐浴配盐时，供铬剂：供铌剂=2:1。
优选地，所述供铬剂为三氧化二铬。
优选地，所述供铌剂为五氧化二铌。
优选地，所述还原剂为Al粉或B4C。
优选地，所述活化剂为NaF或稀土。
本发明提出的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，具有以下有益效果。
（1）覆层通过化学反应沉积形成，覆层与基体之间的结合性很高，表面硬度达3000HV，能大幅提高模具材料的耐磨性和抗腐蚀性能等，可有效降低冲裁模具的磨损、崩刃等破坏现象的发生。
（2）解决了单一渗铌覆层脆性较大，覆层在受到较大的冲击载荷时会出现崩裂的问题，提高了覆层的使用寿命；解决了渗铬层硬度略低（大约1400HV），耐磨性不足的问题。
（3）根据扩散原理，优化盐浴配方的组分和温度工艺曲线，即对盐浴配方的供铬剂和供铌剂的比例增加了限制，增加930-940℃的中间温度段，保证了渗铬层至渗铌层的过渡，同时提升终段渗铌的温度区间至980-1040℃，所得覆层截面呈Cr3C2层-Cr-Nb共渗层-NbC层的三梯度结构，基体至表面的硬度梯度呈600HV-1400HV-2000HV-3000HV，中间铬-铌共渗层的存在改善了覆层结构，降低了碳化铌层和碳化铬层之间的硬度差和厚度比，覆层表面渗铌层厚度（7-8μm）与底层非渗铌层的厚度（3μm）比约为2.5，整个覆层硬度过渡更为平缓，最大程度的改善了覆层结构，覆层有着很高的冲击韧性、耐磨性、耐蚀性和热疲劳性能。
附图说明
图1为本发明用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法的流程示意图；
图2为本发明用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法中步骤S10的细化流程示意图；
图3为Cr12MoV钢经本发明工艺处理后的SEM截面形貌图；
图4为Cr12MoV钢经铬铌共渗和单一渗铌的XRD图谱；
图5为试样经过三种处理方法后的硬度曲线对比图；
图6为未处理试样的截面热疲劳形貌对比；
图7为经过共渗处理试样的截面热疲劳形貌对比。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1和图2，一种用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10，对模具进行预热处理、清理和机械加工；
步骤S20，进行TRD盐浴配盐：盐浴配方按质量百分比为：无水硼砂：70-75%、供铬剂：8-12%、供铌剂：4-6%、还原剂：3-6%、活化剂：8-10%，按上述配比，先将坩埚加热至820-850℃，逐步加入硼砂直至全部硼砂熔化，再加入供金属剂和活化剂充分搅拌至全部融化，最后，加入还原剂（依次少量加入）至熔化形成盐浴，保温1-2h；
步骤S30，进行盐浴铬铌共渗处理：将模具浸入熔化的盐浴中，第一阶段温度为880-910℃，保温时间2-3.5h；第二阶段温度为930-940℃，保温时间2-3h；第三阶段温度为980-1040℃，保温时间3-4h；
步骤S40，将模具取出后经过油淬后回火处理以去除残余应力。
参照图2，步骤S10具体包括：
S101，根据不同模具钢的性能选择与之相适应的预热处理工艺；
S102，选用溶剂清除模具钢基体表面的油污后，对钢基体的工作层进行打磨抛光处理，并清除钢基体表面铁锈，最后用硝酸溶液处理以达到钢基体钝化的效果。
步骤S40具体包括：
将模具取出后直接油淬后，在260-270℃温度下回火保温2-3h空冷，再于170-180℃温度下保温2-3h空冷。
步骤S20中，进行盐浴铬铌共渗处理时，在保温过程中每间隔一段时间搅拌一次熔盐，保证熔盐的流动性。逐步加入硼砂采用以下方法：将坩埚加热至820-850℃，加入适量硼砂，待硼砂熔化之后再缓慢增加少量硼砂，逐步依次进行，直至全部硼砂熔化。进行TRD盐浴配盐时，供铬剂：供铌剂=2:1。
优选供铬剂为三氧化二铬。所述供铌剂为五氧化二铌。所述还原剂为Al粉或B4C。所述活化剂为NaF或稀土。常见供铬剂中，三氧化二铬相比金属铬粉和铬-铁合金粉末盐浴偏析性最小，活性铬原子的还原反应也比较稳定；常见供铌剂中，五氧化二铌相比纯铌粉成本较低，也不存在铌粉纯度不足的问题，覆层又连续稳定；活化剂可以从内部因素上改善盐浴偏析，增加盐浴活性，稀土起到催渗的作用，增加覆层形成速率和厚度。
在熔盐中，盐浴中的自由金属原子与工件中游离态的碳结合，在金属表面形成碳化物，由于外扩散的作用，基体中的碳不断地向碳化物层扩散，碳化物覆层厚度不断增加，最后形成一层数十微米厚的金属碳化物硬质覆层。不同温度下，经还原剂还原出的铬原子和铌原子活性不同，在上述方案步骤20的配比下，900℃左右时主要进行渗铬，930℃左右时铬铌共渗，960℃以上时主要进行渗铌，按照步骤30的多温度梯度控制，由此可在基体上形成从底层碳化铬到表层碳化铌的梯度覆层。
下面以三个实施例进行具体说明。
实施例1
（1）根据TRD盐浴配方中按各成分质量分数比例称取相应无水硼砂：71%、三氧化二铬：10%、五氧化二铌：5%、碳化硼：4%、氟化钠：10%。
（2）按上述配比，将硼砂在井式回火炉中于200℃温度下保温烘干1h，取出与供金属剂粉末混合均匀，再依次加入坩埚中，按照电阻炉控制柜程序阶梯升温，820℃保温，待盐全部熔化后，依次缓慢加入少量B4C粉末和NaF，边加边搅拌至全部熔化形成盐浴，保温1h。
（3）将Cr12MoV钢工件表面打磨抛光后，放置5wt%盐酸中除锈1min，然后用酒精除去酸液，再用5wt%硝酸溶液处理30s钝化表面，吹干。
（4）将处理后的工件浸入熔化的盐浴中，保温温度为900℃，3h后升温至930℃，保温2h后升温至980℃，保温3h，将Cr12MoV钢取出后直接油淬，然后于260℃温度下回火保温2h空冷，再于170℃温度下保温2h空冷，即可获得铬铌共渗三梯度覆层的工件。
经上述工艺处理后的Cr12MoV钢，具有如下效果：
覆层物相组成为Cr7C3和NbC，含有微量的Cr23C6 ，厚度为10微米，平均硬度约2900HV，耐磨性是未经处理的Cr12MoV钢的4倍，摩擦系数约为0.224；
Cr12MoV钢经铬铌共渗得到的梯度覆层接近于单一渗铌得到的碳化铌覆层显微硬度，说明铬铌共渗层同样具有良好的表面耐磨性，同时物相中包含碳化铬的成分，有助于提高覆层的抗高温氧化性。
由图3覆层SEM截面形貌图可知覆层由碳化铌与碳化铬组成，即外层为富碳化铌相，内层为富碳化铬相，中间为铬铌混合过渡相。
由图5硬度测试可知，三梯度的工件覆层硬度呈平稳过渡趋势。由于扩散是一个连续的过程，铬铌元素的浓度分布不会跃迁而存在一个渐变的趋势。
铌铬共渗梯度覆层的 X 射线荧光光谱检测结果中出现铁元素，而且其含量比铬要高，这是因为铬原子与铁原子半径相近，在高温热扩散过程中铁原子在扩散驱动力的作用下固溶进入碳化铬层形成 (FeCr)7C3或 (FeCr)3C2。
以上所述效果说明所形成得覆层具有高的硬度和耐磨性，覆层与工件基体间硬度呈梯度分布，应力集中降低、服役性能提高。
实施例2
（1）根据TRD盐浴配方中按各成分质量分数比例称取相应无水硼砂：72%、三氧化二铬：8%、五氧化二铌：4%、Al粉：6%、氟化钠：8%、稀土硅镁2%。
（2）按上述配比，将硼砂在井式回火炉中于200℃温度下保温烘干1h，取出与供金属剂粉末混合均匀，再依次加入坩埚中，按照电阻炉控制柜程序阶梯升温，820℃保温，待盐全部熔化后，依次缓慢加入少量Al粉、氟化钠和稀土，边加边搅拌至全部熔化形成盐浴，保温1h。
（3）将Cr12MoV钢工件表面打磨抛光后放置5wt%盐酸中除锈1min，然后用酒精除去酸液，再用5wt%硝酸溶液处理30s钝化表面，吹干。
（4）将处理后的工件浸入熔化的盐浴中，保温温度为880℃，3h后升温至930℃，保温1h后升温至1040℃，保温3h，将Cr12MoV钢取出后直接油淬，然后于260℃温度下回火保温2h空冷，再于170℃温度下保温2h空冷。
经上述工艺处理后的工件，具有如下效果：
覆层物相组成为 Cr7C3和 NbC，覆层整体厚度为 12 微米，碳化铌成分比重增加，硬度略有提高，平均硬度为3000HV，耐磨性是未处理试样的4.5倍，摩擦系数约为0.219。
在20-700℃温度区间，循环500次后不同试样的热疲劳形貌对比如附图6和7所示。共渗处理的热疲劳性能优于单纯渗铌，接近于单纯渗铬，20-700℃环境下检测其抗热疲劳能力是未处理工件的4倍，大大减少了模具材料的损耗。
实施例3
（1）根据TRD盐浴配方中按各成分质量分数比例称取相应无水硼砂：71%、三氧化二铬：10%、五氧化二铌：5%、碳化硼：4%、氟化钠：8%，稀土2%。
（2）按上述配比，将硼砂在井式回火炉中于200℃温度下保温烘干1h，取出与供金属剂粉末混合均匀，再依次加入坩埚中，按照电阻炉控制柜程序阶梯升温，820℃保温，待盐全部熔化后，依次缓慢加入少量碳化硼和氟化钠，边加边搅拌至全部熔化形成盐浴，保温1h。
（3）将Cr4W2MoV钢工件表面打磨抛光后放置5wt%盐酸中除锈1min，然后用酒精除去酸液，再用5wt%硝酸溶液处理30s钝化表面，吹干。
（4）将处理后的工件浸入熔化的盐浴中，保温温度为900℃，2h后升温至930℃，保温2h后升温至980℃，保温2h，将Cr4W2MoV钢取出后直接油淬，然后于180℃温度下回火保温2h，空冷。
经上述工艺处理后的工件，具有如下效果：
覆层物相组成为 Cr7C3、Cr23C6和 NbC，厚度为 10微米，平均硬度为2700HV。与单渗铬相比，耐磨性提高2倍，是未处理试样的4倍，摩擦系数约为0.231。
500℃下有很好的抗氧化性，在20-700℃温度区间检测抗热疲劳性能是未处理工件的5倍。
如上述实例所释，按照既定的盐浴配方和温度处理工艺，能够在冲裁模具材料表面制得厚度为10-12μm的铬铌共渗梯度覆层，覆层的表面硬度在2700-3000HV，耐磨性能是未处理材料的4倍左右。不同工艺下，覆层的结构和性能略有差异，主要体现在覆层梯度和物相成分上。第一阶段温度影响渗铬层，第二阶段温度影响共渗过渡层，第三阶段温度影响渗铌层。第一阶段渗铬层若温度较低、处理时间较短，厚度则较薄，覆层厚度比增大；若渗铬层温度较高、处理时间较长，厚度则较厚，渗铬层厚度的增加后续活性原子之间的扩散结合能力会变弱，底层碳化铬的形成对后续外层碳化铌的形成有阻碍作用。优选最佳方案为第一阶段温度900℃，处理时间3h；第二阶段温度930℃，处理时间2h；第三阶段温度1040℃，处理时间3h，制得由底层到表层依次为碳化铬层（2-3μm）-铬铌过渡层（1-2μm）-渗铌层（7-8μm）的梯度覆层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为。
（1）覆层通过化学反应沉积形成，覆层与基体之间的结合性很高，表面硬度达3000HV，能大幅提高模具材料的耐磨性和抗腐蚀性能等，可有效降低冲裁模具的磨损、崩刃等破坏现象的发生。
（2）解决了单一渗铌覆层脆性较大，覆层在受到较大的冲击载荷时会出现崩裂的问题，提高了覆层的使用寿命；解决了渗铬层硬度略低（大约1400HV），耐磨性不足的问题。
（3）根据扩散原理，优化盐浴配方的组分和温度工艺曲线，即对盐浴配方的供铬剂和供铌剂的比例增加了限制，增加930-940℃的中间温度段，保证了渗铬层至渗铌层的过渡，同时提升终段渗铌的温度区间至980-1040℃，所得覆层截面呈Cr3C2层-Cr-Nb共渗层-NbC层的三梯度结构，基体至表面的硬度梯度呈600HV-1400HV-2000HV-3000HV，中间铬-铌共渗层的存在改善了覆层结构，降低了碳化铌层和碳化铬层之间的硬度差和厚度比，覆层表面渗铌层厚度（7-8μm）与底层非渗铌层的厚度（3μm）比约为2.5，整个覆层硬度过渡更为平缓，最大程度的改善了覆层结构，覆层有着很高的冲击韧性、耐磨性、耐蚀性和热疲劳性能。
本发明适用于冲裁模具材料的表面强化处理，特别适合用于提高Cr12MoV钢等厚板冲裁承受动负荷较大的冷作模具的寿命。适用于碳含量0.6%以上的钢铁、铸铁和耐热金属制件的强化处理。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对模具进行预热处理、清理和机械加工；
进行TRD盐浴配盐：盐浴配方按质量百分比为：无水硼砂：70-75%、供铬剂：8-12%、供铌剂：4-6%、还原剂：3-6%、活化剂：8-10%，按上述配比，先将坩埚加热至820-850℃，逐步加入硼砂直至全部硼砂熔化，再加入供金属剂和活化剂充分搅拌至全部融化，加入还原剂至熔化形成盐浴，保温1-2h；进行TRD盐浴配盐时，供铬剂：供铌剂=2:1；
进行盐浴铬铌共渗处理：将模具浸入熔化的盐浴中，第一阶段温度为880-910℃，保温时间2-3.5h；第二阶段温度为930-940℃，保温时间2-3h；第三阶段温度为980-1040℃，保温时间3-4h；
将模具取出后经过油淬后回火处理以去除残余应力。
2.如权利要求1所述的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，其特征在于，所述将模具取出后经过油淬后回火处理以去除残余应力的步骤具体包括：
将模具取出后直接油淬后，在260-270℃温度下回火保温2-3h空冷，再于170-180℃温度下保温2-3h空冷。
3.如权利要求1所述的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，其特征在于，所述对模具材料进行预热处理、清理和机械加工的步骤具体包括：
根据不同模具钢的性能选择与之相适应的预热处理工艺；
选用溶剂清除模具钢基体表面的油污后，对钢基体的工作层进行打磨抛光处理，并清除钢基体表面铁锈，最后用硝酸溶液处理以达到钢基体钝化的效果。
4.如权利要求1所述的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，其特征在于，进行盐浴铬铌共渗处理时，在保温过程中每间隔一段时间搅拌一次熔盐，保证熔盐的流动性。
5.如权利要求1所述的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，其特征在于，所述供铬剂为三氧化二铬。
6.如权利要求1所述的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，其特征在于，所述供铌剂为五氧化二铌。
7.如权利要求1所述的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，其特征在于，所述还原剂为Al粉或B4C。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的用于冲裁模表面强化的梯度覆层的制备方法，其特征在于，所述活化剂为NaF或稀土。
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