CN104087892A - 一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属表面改性的技术领域，一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其包括下列工艺步骤：a.清洗模具表面，去污处理；b.预热模具，表面呈金黄色；c.非金属离子渗入模具，模具在氮化炉中的氮化盐内保温4-5小时；d.氧化模具，模具在氧化炉中氧化盐内保温30-50分钟；e.模具从氧化炉取出，自然冷却至常温；f.模具放入清水中浸泡30-50分钟后清洗凉干。本发明具有工艺步骤合理、操作简易，时间短、环保、可靠，抗剥落、不变形、不粘模，用普通外热式坩埚炉经济实用，在模具钢表面渗入[N]、[C]、[O]非金属离子，改变模具材料表面的组织结构，实现增强模具钢表面的耐磨性和抗疲劳性能，能提高模具的使用寿命。

Description

一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法

技术领域

本发明涉及金属表面改性的技术领域，具体地说是一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法。

背景技术

模具作为工业生产基础工艺装备，被称为“百业之母”，广泛用于汽车、航空航天、船舶、石油、机电、家电、工具等领域，60-80％的零部件都是靠模具成型。我国是世界上最大的工业制造国，模具消耗非常庞大，据不完全统计，每年约200万吨。模具的失效模式95％以上是因磨损和疲劳损伤造成的，而决定模具品质好坏、寿命长短的主要技术因素有两个方面，一是耐磨性能，二是抗疲劳性能。所以，提高模具耐磨性和抗疲劳性，具有显著的经济价值和社会价值。

目前，我国常用的模具钢材料如5CrNiMo、3Cr2W8V、H13等通常情况下只进行常规淬火热处理，基材硬度HRC54-56，使用寿命有限。现有的表面处理方法主要有：(1)气体氮化。由于气体组分分布不均匀，易造成质量稳定性差，另外气体氮化时间长，能耗高。(2)碳氮共渗。模具表面脆性大，处理过程温度高，易产生变形，且变形量大。

发明内容

本发明的目的是解决上述的常规淬火热处理寿命低，气体氮化性能不稳定，能耗高，碳氮共渗变形大等缺陷，提供一种工艺设计合理、成本低、环保、操作简便的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，实现增强模具耐磨性能和抗疲劳性能，提高模具使用寿命，降低生产成本。

本发明所采取的技术方案是：一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于包括下列工艺步骤：

a.清洗模具表面：用喷沙方法除锈后，再用金属清洗剂清洗去除模具表面油污，然后用清水进行清洗；

b.预热模具：将模具放入预热炉中，温度升至350-400℃，保温1-2小时，模具表面呈现蓝紫色；

c.非金属离子渗入模具：氮化盐在氮化炉中溶解，温度升至530-550℃，将预热好的模具放入氮化炉中，氮化炉温度回升至起始温度530-550℃后，保温4-5小时。

d.氧化模具：氧化盐在氧化炉中溶解，温度升至380-410℃，将渗入好的模具从氮化炉取出直接放入氧化炉中，保温30-50分钟；

e.将氧化好的模具从氧化炉中取出，在空气中自然冷却至常温；

f.将模具放入清水中浸泡30-50分钟后，清洗凉干即可。

所述的氮化炉和氧化炉为普通外热式坩埚炉，氮化炉坩埚材料为钛，氧化炉坩埚材料为304不锈钢。

所述的氮化盐组分：碳酸钾K₂CO₃和碳酸钠Na₂CO₃为42％，氰酸钾KCNO和氰酸钠NaCNO为53％，碳酸锂LiCO₃为5％。

所述的氰酸根浓度大于33％，根据氮化盐的重量加入再生盐，每加入氮化盐重量10％的再生盐，氰酸根浓度提高0.5个百分点。

所述的再生盐组分为：三聚氰胺为49％，三聚氰酸为31％，尿素为20％。

所述的氮化炉中氮化盐溶液上半区和下半区的温度差小于等于5℃。

所述的预热模具温度升至350-400℃，保温1-2小时，模具表面也可呈现草黄色。

所述的氮化炉坩埚可以为316L不锈钢材料制成。

增强模具钢表面耐磨抗疲劳非金属离子渗入后，经检测，化合物层厚度9-12μm，扩散层的厚度250-300μm，表面硬度大于1000HV_0.1，具有很好的耐磨性和抗疲劳性能。

本工艺其目的在模具钢表面渗入[N]、[C]、[O]非金属离子，改变其材料表面的组织结构，形成[N]、[C]、[O]扩散层，Fe₃N、Fe₄N、Fe₃C化合物层，和Fe₃O₄氧化膜层，渗层厚度250-300μm,表面硬度大于1000HV_0.1，实现增强模具钢表面的耐磨性和抗疲劳性能，从而大幅度提高模具的使用寿命。本发明具有操作简易、可靠、环保、时间短；抗剥落、不变形、不粘模；设备采用普通外热式坩埚炉、经济适用等特点。

本发明的优点和效果：具有工艺步骤合理、操作简易，时间短、环保、可靠；抗剥落、不变形、不粘模；设备采用普通外热式坩埚炉经济实用，适合工业化生产。在模具钢表面渗入[N]、[C]、[O]非金属离子，改变模具材料表面的组织结构，实现增强模具钢表面的耐磨性和抗疲劳性能，能提高模具的使用寿命。经试验验证，H13、5CrNiMo、3Cr2W8V经本发明处理后模具使用寿命提高2倍以上。

附图说明

图1是H13非金属离子渗入金相组织图。

图2是图1的断面硬度梯度表。

图3是5CrNiMo非金属离子渗入金相组织图。

图4是图3的断面硬度梯度表。

图5是3Cr2W8V非金属离子渗入金相组织及图。

图6是图5的断面硬度梯度表。

具体实施方式

本发明的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，包括下列工艺步骤：

a.清洗模具：用喷沙方法除锈后，再用金属清洗剂清洗去除模具表面油污，然后再用清水进行清洗。

b.预热模具：将模具放入预热炉中，温度升至350-400℃，保温1-2小时，使模具表面呈现出蓝紫色或者草黄色即可转入到下个步骤。

c.非金属离子渗入模具：氮化盐在氮化炉中溶解并温度升至530-550℃，将预热好的模具放入氮化炉中，此时氮化盐溶液温度有所下降，控制下降温度一般在40℃以内，若下降温度超过40℃时应减少模具的装炉量，模具放入氮化炉后加热至温度回升到起始温度530-550℃，保温4-5小时。作用是在模具表面形成化合层和扩散层。

所述的氮化炉为普通外热式坩埚炉，氮化炉坩埚材料为钛或者316L不锈钢制成的。

本步骤中的氮化盐组分为：碳酸钾K₂CO₃和碳酸钠Na₂CO₃42％，氰酸钾KCNO和氰酸钠NaCNO53％，碳酸锂LiCO₃5％。

反应原理：

4CNO^-→CO₃ ^-2+2CN^-+CO+2[N]

2CNO^-+O₂→CO₃ ^-2+CO+2[N]

2CO→CO₂+[C]

活性[N]、[C]、[O]原子渗入金属表面内形成扩散层，改变金属表面组织结构，其作用是提高金属表面抗疲劳性能。同时，[N]、[C]与Fe反应生成由Fe₃N、Fe₄N、Fe₃C组成的非常致密的化合物层,其作用是增强表面耐磨性能。

反应原理如下：

3Fe+[N]→Fe₃N

4Fe+[N]→Fe₄N

3Fe+[C]→Fe₃C

本步骤的氮化盐中的氰酸根浓度要大于33％。当氰酸根浓度小于33％时，加入再生盐提升氰酸根浓度。具体加入再生盐的重量计算方法，是根据坩埚中氮化盐的重量百分比计算的，每加入氮化盐重量10％的再生盐，氰酸根浓度大约可提高0.5个百分点。通过加入再生盐提升氰酸根浓度至33％以上，实现非金属离子渗入模具。

所述的再生盐组分为：三聚氰胺49％，三聚氰酸31％，尿素20％。

反应原理：将CN^-转化为CNO^-。

2CN^-+O₂→CNO^-+CO

所述的氮化炉中氮化盐溶液上半区和下半区的温度差小于等于5℃。作用确保模具表面渗层的均匀性。

d.氧化模具：将氧化盐溶解加温，氧化炉内氧化盐溶解温度升至380-410℃，将渗入好的模具从氮化炉取出直接放入氧化炉中，保温30-50分钟。作用是在模具表面形成氧化膜，同时将模具表面附着的氰根转化为氰酸根。作用增强表面抗蚀性能，同时具有自润滑作用，模具脱模性好。

所述的氧化炉为普通外热式坩埚炉，氧化炉坩埚材料为304不锈钢制成的。

本步骤中的氧化盐组分为：硝酸钠37％，碳酸钾31％，硫酸锶21％，亚硝酸钠11％。

反应原理：

3Fe+2O₂→Fe₃O₄

e.将氧化好的模具从氧化炉取出，在空气中自然冷却至常温。

f.将模具放入清水中浸泡30-50分钟后，清洗凉干即可。

模具钢表面经过非金属离子渗入后经检测，化合物层的厚度为9-12μm，扩散层的厚度为250-300μm，表面硬度大于1000HV_0.1，具有很好的耐磨性和抗疲劳性能。

实施例1：选取H13航空钳模具和相同材料和技术状态的试样件，试样件规格为15×15×7mm；

实施例2：选取5CrNiMo汽车连杆模具和相同材料和技术状态的试样件，试样件规格为15×15×7mm；

实施例3：选取3Cr2W8V开口扳手模具和相同材料和技术状态的试样件，试样件规格为15×15×7mm。

上述三种实施例按本发明中的工艺步骤进行，具体实施工艺步骤方案中的相关参数如下表：

实施结果如下：

1.表面渗层均匀，如图1、图3、图5所示，由Fe₃N、Fe₄N、Fe₃C组成的致密的化合物层平均厚度大于10μm，在100倍显微金相图中由[N]、[C]、[O]形成的扩散层平均厚度大于100μm。

2.据如图2、图4、图6中渗层断面硬度梯度图所示，40-60μm表面硬度均大于1000HV_0.1，大于基材实际硬度时的扩散层厚度均为300μm左右。

3.实施例1、2、3三种模具经非金属离子渗入工艺处理后使用寿命均提高2倍以上，使用寿命前后对照表如下：

由此可以看出，采用本发明模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法可以大幅提升模具表面的耐磨性能和抗疲劳性能，模具使用寿命提高2倍以上。本发明具有操作简易、可靠、时间短、环保；抗剥落、不变形、不粘模；设备采用普通外热式坩埚炉、经济适用等特点，可广泛应用于工业生产。

Claims (8)

1.一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于包括下列工艺步骤：

a.清洗模具表面：用喷沙方法除锈后，再用金属清洗剂清洗去除模具表面油污，然后用清水进行清洗；

b.预热模具：将模具放入预热炉中，温度升至350-400oC，保温1-2小时，至模具表面呈现蓝紫色；

c.非金属离子渗入模具：氮化盐在氮化炉中溶解，温度升至530-550oC，将预热好的模具放入氮化炉中，氮化炉温度回升至起始温度530-550oC后，保温4-5小时；

d.氧化模具：氧化盐在氧化炉中溶解，温度升至380-410 oC，将渗入好的模具从氮化炉取出直接放入氧化炉中，保温30-50分钟；

e.将氧化好的模具从氧化炉中取出，在空气中自然冷却至常温；

f.将模具放入清水中浸泡30-50分钟后，清洗凉干即可。

2.根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的氮化炉和氧化炉为普通外热式坩埚炉，氮化炉坩埚材料为钛，氧化炉坩埚材料为304不锈钢。

3.根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的氮化盐组分：碳酸钾K₂CO₃和碳酸钠Na₂CO₃为42%，氰酸钾KCNO和氰酸钠NaCNO为53%，碳酸锂LiCO₃为5%。

4.根据权利要求3所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的氰酸根浓度大于33%，根据氮化盐的重量加入再生盐，每加入氮化盐重量10%的再生盐，氰酸根浓度提高0.5个百分点。

5.根据权利要求4所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的再生盐组分为：三聚氰胺为49%，三聚氰酸为31%，尿素为20%。

6.根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的氮化炉中氮化盐溶液上半区和下半区的温度差小于等于5oC。

7.根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的预热模具温度升至350-400oC，保温1-2小时，模具表面也可呈现草黄色。

8.根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的氮化炉坩埚可以为316L不锈钢材料制成。