CN103526115A - 冷作模具材料及适合于冷作模具材料的组合工艺 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种冷作模具材料及适合它的组合工艺，其使用寿命提高，尤其是在用于对超高强度钢进行加工时其使用寿命提高。其中的冷作模具材料的特征在于，包括作为基体材料的SDC90钢，该SDC90钢通过1040-1080摄氏度的真空淬火，形成（Cr,Fe）7C3和（Cr,Fe）7C碳化物，并且以及通过两次500-540摄氏度的高温回火，产生二次硬化并增加回火稳定性，用非平衡磁控溅射工艺在SDC90钢表面沉积CrTiAlN涂层，并用非平衡磁控溅射工艺附加离子镀（GLC），其中SDC90钢的化学成分（质量分数）为：0.9-1.0％C，1.0145％Si，0.2747％Mn，9.50-10.0％Cr，2.0％Mo,0.8-1.0％V，余量为Fe和杂质。

Description

冷作模具材料及适合于冷作模具材料的组合工艺

技术领域

本发明涉及冷作模具材料，尤其涉及使用原材料为超高强度钢（原材料抗拉强度达800MPa以上）为加工对象的冷作模具材料。

背景技术

根据环保节能减少排放要求的提高，汽车轻量化工作在持续的推进，先进高强度及超高强度钢板越来越多的应用在汽车底盘零部件上，这一类汽车零部件的生产，特别是产业化生产，采用的是级进模具，每分钟生产零件12件以上，每天的零部件产量达八千至上万个冲次，这对模具材料提出了更严苛的要求，超高强度级别钢汽车零件的生产特点是会在零件翻边后增加侧切道序，侧切模块除模具材料有更高要求外，对相应表面涂层也提出了更高的要求。因此如何提高冷作模具材料是业内一项重要的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷作模具材料及适合它的组合工艺，其使用寿命提高，尤其是在用于对超高强度钢进行加工时其使用寿命提高。

为实现所述目的的冷作模具材料，其特征在于，包括作为基体材料的SDC90钢，该SDC90钢通过1040-1080摄氏度的真空淬火，形成（Cr,Fe）7C3和（Cr,Fe）7C碳化物，并且以及通过两次520摄氏度的高温回火，产生二次硬化并增加回火稳定性，用非平衡磁控溅射工艺在SDC90钢表面沉积CrTiAlN涂层，并用非平衡磁控溅射工艺附加离子镀（GLC），其中SDC90钢的化学成分（质量分数）为：0.9-1.0％C，1.0145％Si，0.2747％Mn，9.50-10.0％Cr，2.0％Mo,0.8-1.0％V，余量为Fe和杂质。

为实现所述目的的适合于冷作模具材料的组合工艺，其特征在于，包括以下步骤：

将SDC90钢作为冷作模具材料的基体材料，并将SDC90钢加热到1060摄氏度进行真空淬火，形成（Cr,Fe）7C3和（Cr,Fe）7C碳化物，其中SDC90钢的化学成分（质量分数）为：0.9-1.0％C，1.0145％Si，0.2747％Mn，9.50-10.0％Cr，2.0％Mo,0.8-1.0％V，余量为Fe和杂质；

将SDC90钢加热到500-540摄氏度进行高温回火，通过两次该高温回火以产生二次硬化并增加回火稳定性；以及

非平衡磁控溅射工艺在SDC90钢表面沉积CrTiAlN涂层，再用非平衡磁控溅射技术附加离子镀（GLC）。

目标生产零件的原材料是超高强度钢，在冷作模具工作时，由于被加工材料的变形抗力较大，模具韧口部位承受很大的压力，冲击力，模具与坯料之间产生强烈的摩擦，导致过载失效，磨损失效和疲劳失效。本发明在SDC90钢的基础上，通过相应热处理工艺的试验，寻求最佳组合，得到了组合涂层前的理想的基底材料；由于存在产业化产品原材料是超高强度钢及汽车产品的产量这两个特殊性，本发明考虑的是冷作模具的寿命，尤其是严酷的工作状况下的寿命，这样冷作模具及高强度钢汽车底盘零件才会有稳定的质量，高的生产效率，有竞争力成本，没有涂层或只有CrTiAlN及GLC单涂层都不能达到这样要求，并根据发明人的深入研究服役条件及大量试验基础，发明人的得到经验是：状况更糟，寿命甚至不足一百个零件，导致工件的粘料失效。因此发明人优化了组合，找到了软硬搭配涂层方向，大幅度降低了摩擦系数，克服了在目标生产零件原材料是超高强度钢时冲压工艺中存在脱模、剥落的难题。

附图说明

图1是本发明实施例中冷作模具材料的复合涂层的扫描电镜图。

具体实施方式

SDC90钢（高强韧性冷作模具钢），其中SDC90钢的化学成分（质量分数）为：0.9-1.0％C，1.0145％Si，0.2747％Mn，9.50-10.0％Cr，2.0％Mo，0.8-1.0％V，余量为Fe和杂质。

本发明的实施例中，以SDC90钢为基体材料，通过1040-1080℃（例如1060℃）真空淬火，形成（Cr,Fe）7C3和（Cr,Fe）7C碳化物。即将SDC90钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上的温度1040-1080℃（例如1060℃），保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷却，进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。淬火工艺可以是气淬或者液淬，气淬即将工件（SDC90钢）在真空加热到1040-1080℃（例如1060℃）后向冷却室中充以高纯度中性气体(如氮)进行冷却。液淬是将工件在加热室中加热后，移至冷却室中充入高纯氮气并立即送入淬火油槽，快速冷却。

在本发明的实施例中，真空淬火后，还对SDC90钢进行两次500-540℃（例如520℃）高温回火，产生二次硬化并增加了回火稳定性。

之后，再用非平衡磁控溅射工艺在SDC90钢表面沉积涂层（CrTiAlN），即在一定偏压下Ar离子清洁表面，在偏压下启用Cr靶沉积Cr底层，然后逐渐通入氮气至一定流量沉积CrN层，再逐渐启用Ti、Al金属靶和氮气沉积梯度CrTiAlN涂层，最后，稳定各金属靶及氮气流量沉积多层CrTiAlN涂层，镀层中的Cr、Ti、Al三种金属含量由每种靶材产生的离子流密度来决定，而靶材的离子流密度则由外加电流大小来控制。

之后，在本发明的实施例中，还用非平衡磁控溅射工艺SDC90钢表面附加离子镀（GLC），即将制备好的CrTiAlN涂层试样烘干，降温后重新放入炉膛，复合第二层GLC涂层。制备工艺为：在一偏压下启用Cr靶沉积Cr底层，再逐渐启用石墨靶沉积梯度Cr/C涂层，最后，单独关闭Cr靶电流沉积单层C涂层。沉积条件为：真空度﹤4×10^-3Pa，沉积气压：4.0×10^-5Torr(1～1.33×10^-1Pa)，基体温度﹤400℃。镀层中的Cr金属含量及C含量由两种靶材产生的离子流密度来决定，而靶材的离子流密度则由外加电流大小来控制。采用质量流量控制器来控制Ar气流量；用光学发射法OEM(Optical Emission Method)监控Cr的发射光谱的强度变化，用压电阀动态控制N₂的流量。

前述实施例在较软的CrTiAlN上复合第二层较硬的GLC，形成复合的PVD涂层，试验获得CrTiAlN/GLC复合涂层具有比单一GLC涂层更高的纳米硬度及弹性模量结果。显然，CrTiAlN涂层对GLC软涂层起到了很好的支撑作用，提高了复合涂层整体的硬度。本发明实施例中冷作模具材料的电镜图如图1所示，非平衡磁控溅射CrTiAlN底层致密均匀，与SDC90钢有很强的结合力，Cr及Ti元素的加入提高了涂层抗氧化能力，适合模具在高速冲压过程中产生热量而提高模具抗热蚀性能，非平衡磁控溅射工艺附加离子镀（GLC）以SP2碳键为主，电阻率高，内应力小，结合强度好，具有高硬度，低摩擦系数等优点，非常适合高强度钢板冷冲模具表面强化和润滑。

Claims (2)

1.冷作模具材料，其特征在于，包括作为基体材料的SDC90钢，该SDC90钢通过1040-1080摄氏度的真空淬火，形成（Cr,Fe）7C3和（Cr,Fe）7C碳化物，并且以及通过两次500-540摄氏度的高温回火，产生二次硬化并增加回火稳定性，用非平衡磁控溅射工艺在SDC90钢表面沉积CrTiAlN涂层，并用非平衡磁控溅射工艺附加离子镀（GLC），其中SDC90钢的化学成分（质量分数）为：0.9-1.0％C，1.0145％Si，0.2747％Mn，9.50-10.0％Cr，2.0％Mo,0.8-1.0％V，余量为Fe和杂质。

2.一种适合于冷作模具材料的组合工艺，其特征在于，包括以下步骤

将SDC90钢作为冷作模具材料的基体材料，并将SDC90钢加热到1040-1080摄氏度进行真空淬火，形成（Cr,Fe）7C3和（Cr,Fe）7C碳化物，其中SDC90钢的化学成分（质量分数）为：0.9-1.0％C，1.0145％Si，0.2747％Mn，9.50-10.0％Cr，2.0％Mo,0.8-1.0％V，余量为Fe和杂质；

将SDC90钢加热到500-540摄氏度进行高温回火，通过两次该高温回火以产生二次硬化并增加回火稳定性；以及

非平衡磁控溅射工艺在SDC90钢表面沉积CrTiAlN涂层，再用非平衡磁控溅射技术附加离子镀（GLC）。

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