CN105002436A

CN105002436A - 一种表面纳米化低合金钢模具的制备方法

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Publication number: CN105002436A
Application number: CN201510373164.3A
Authority: CN
Inventors: 陈斌; 张荣福; 印玲; 赵亚红; 陆一鸣
Original assignee: Shanghai Hans Mould Shape Co Ltd
Current assignee: Shanghai Hans Mould Shape Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2015-10-28

Abstract

本发明涉及一种表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其包括以下步骤：(1)以重量百分比计，将如下配比的组分制备低合金钢：C？0.08～0.12，Cr？1.20～1.45，Si？0.40～0.45，Mn？0.33～0.38，Mo？0.17～0.24，Ni？0.05～0.15，Nb？0.05～0.08，Pd？0.15～0.35，P≤0.010，S≤0.010，余量为Fe和不可避免的杂质；(2)将步骤(1)得到的低合金钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到低合金钢模具；(3)对步骤(2)制备的低合金钢模具进行表面纳米化处理。本发明的表面纳米化低合金钢模具耐热性和耐蚀性都得到了提高，同时减少了合金的种类，是杂质成分更简单、易控制，氮化物有效渗层厚度也显著增加。

Description

一种表面纳米化低合金钢模具的制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金模具的制备方法，尤其是一种表面纳米化低合金钢模具的制备方法。

背景技术

高温条件下(通常指材料熔点的0.3～0.5倍以上的温度)，具有抗氧化性和足够高温强度以及良好的耐热性能的钢称为耐热钢，而耐热钢中最具代表性的一类是低合金钢，例如我国的15CrMo即是一种典型的低合金钢，15CrMo因其良好的耐热性能、力学性能、耐腐蚀性能而被广泛使用于锅炉、石油化工、煤转化、汽机轮缸体、火电、核电等使用条件苛刻、腐蚀介质复杂的大型设备的管道、容器、零部件等。

一般的15CrMo化学成分(质量分数)(％)为：C 0.12～0.18，Mn 0.40～0.70，Si 0.17～0.37，Cr 0.80～1.10，Mo 0.40～0.55，Ni≤0.30，S≤0.035，P≤0.035。15CRMO的力学性能：拉力强度为440～640MPA，屈服点约235MPa，伸长率21％左右。

然而随着现代工业的飞速发展，15CrMo耐热高强钢已经越来越难以满足工业设备在强韧性、蠕变性、焊接性等方面更高的要求，优化合金成分、调整冶炼、轧制等生产工程中的工艺参数日益成为人们对于改善15CrMo钢所关注的焦点。同时，由于要获得需要的优异的耐磨性和耐疲劳性等，还需要对其进行渗碳淬火等热处理，而这往往使得产品产生一定的形变而影响产品的尺寸精度。

专利201110392208.9中公开了一种低合金耐热高强钢构件的制备，以重量百分比计，包含以下组分：C 0.09～0.11，Si 0.06～0.2，Mn 0.06～0.35，Cr 1.3～1.5，Mo 0.35～0.45，P≤0.009，S≤0.006，Ni 0.2～0.4，Cu 0.01～0.08，V 0.3～0.4，Nb 0.1～0.2，W 0.2～0.5，Ti 0.005～0.02，余量为Fe和不可避免的杂质。该构件的室温抗拉强度为610MPa，在600℃下、200MPa应力测试下其有效寿命约为15CrMo的两倍，热处理后的表面硬度约为750HV，并且硬度超过500HV的硬化层厚度为0.5mm，变形量小，都超过了一般的15CrMo。但是其中金属含量较高，并不能适用于一些特殊的生产需求，且包含的金属种类多，生产成本较高，可能产生的杂质成分也较复杂。

金属纳米化QPQ技术是在保留原有普通氮化技术的基础上，增加纳米化工序的化合物深度，使之由原来的10-25μm加深到1000μm以上。金属纳米化QPQ技术包括纳米深度在1000μm以上的多级梯度超细纳米晶组织层，化合物层深度在100μm以上的渗氮工序，或碳氮共渗及其随后的盐浴或气体的氧化工序，不需要原有的抛光工序。用该工艺对金属进行处理不需要喷涂任何防护材料，并且工艺简单，成本低廉，节能环保无公害，工作环境清洁，外观美观等特点。该技术做到了原材料无毒不污染环境，各项环保指标经环保部门测定均达到国家标准，同时使金属表面的耐磨性、抗腐蚀性及力学性能硬度强度都有更大幅度的提高。

现有的普通氮化技术在应用方面有很大的局限性，其原因就是化合物层深度太浅，不能承受重负荷，不能承受高速负荷，不能承受较大的磨损。如果把化合物层深度成数量级的提高，渗层的耐磨性也会得到相应的提高。金属纳米化QPQ技术可以用于比普通氮化技术更大负荷、更高速度、磨损量更大的模具。普通氮化处理的模具不能承受磨削，但金属纳米化QPQ技术处理的模具可以承受磨削，因此金属纳米化QPQ技术更可以用于高精度精密模具。

发明内容

针对现有技术中的问题问题，本发明的目的是提供一种表面纳米化低合金钢模具的制备方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其包括以下步骤：

(1)以重量百分比计，将如下配比的组分制备低合金钢：C 0.08～0.12，Cr 1.20～1.45，Si 0.40～0.45，Mn 0.33～0.38，Mo 0.17～0.24，Ni 0.05～0.15，Nb 0.05～0.08，Pd 0.15～0.35，P≤0.010，S≤0.010，余量为Fe和不可避免的杂质；

(2)将步骤(1)得到的低合金钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到低合金钢模具；

(3)对步骤(2)制备的低合金钢模具进行表面纳米化处理。

进一步的，

步骤(1)所述制备低合金钢的方法包括如下步骤：

(11)冶炼浇注：顺次进行电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合限定的化学成分后浇注，其中钢包精炼时以3atm以上的压力进行吹氩至少5分钟，以有利于杂质的上浮去除；

(12)轧制：包括均热处理，轧制和冷却，其中均热处理是在1100～1150℃的加热炉中均热约4～6小时，轧制的开轧温度为950～1050℃、终轧温度为840～880℃，轧制速度为3～5m/s，冷却速度为5～10℃/s、冷却后的终温度为650～680℃。

步骤(3)所述的表面纳米化处理包括如下步骤：

(31)纳米化：利用功率为280-480W的钨合金刀具以以10-20KHZ的频率冲击所述低合金钢模具的表面；冲击能量产生450-650MPA的压应力；使被冲击部位得以强化从而实现纳米化，在表面形成纳米-微米梯度结构；

(32)将纳米化的低合金钢模具放入坩锅，加热至450℃，加入氧化盐2～5kg开始化盐至氧化盐熔化；再将基盐分次加入坩埚中，加热基盐全部熔化后盐浴面上升到距离坩埚上部边缘120mm时停止加入基盐，加入调整盐1～2kg，在200～350℃条件下运行2.5h；

(33)氧化：将清洁无锈的坩埚吊入氧化炉中，仪表定温在220℃，将工件放入坩锅，热电偶紧靠坩埚壁；然后将氧化盐加入坩埚中，加到坩埚高度的1/3，然后通电熔化；第一次加入的盐全部熔化以后再逐渐加入氧化盐，每次加入适宜数量，边熔化，边加入，直到液面升高到距离坩埚上部边缘200mm为止；盐浴面达到要求的高度以后，250℃保温，使水分大量挥发，直到液面不再有气泡产生完全平静为止；然后盐浴温度再升温15～20℃，如此循环，直到温度升到350℃；

(34)浸油：将低合金钢模具放入机械油中浸泡1～2min，然后将油滴干。

优选的，

步骤(32)中所述调整盐由下述重量份的组分组成：Na₂CO₃20-30份、K₂CO₃20-30份、NaCl 20-30份、KCl 20-30份、NH₄Cl 10-20份、Ce₂CO₃2-4份、BeO 2-4份。

步骤(32)和(33)中所述氧化盐选自Na₂CO₃、K₂CO₃或二者的混合物。

步骤(32)中所述基盐选自氰酸钾和金属氧化物的混合物。

进一步优选的，步骤(32)中所述基盐所述基盐包括下述重量份的组分：氰酸钾80-100份、Ce₂CO₃1-3份、ZrO₂0.5-1.5份、CeO₂0.5-1.5份。

本发明中，步骤(31)的纳米化过程产生的纳米-微米梯度结构能显著地提高金属材料的综合服役性能和服役行为。金属材料经过表面纳米化加工后，表纳米晶之间形成体积分数为100％的界面为元素扩散提供了理想的通道，能显著的加快扩散的动力学过程，使的金属材料表面的氮化处理更容易进行，处理效果显著；纳米化也可以采用本领域常规的其他方式进行，比如ZL03111200.5(气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置及其应用)、ZL200510029205.3(超声波高能表面机械加工的金属表面纳米化方法)等专利中公开的纳米化方法均适用于本发明。

本发明的表面纳米化低合金钢模具耐热性和耐蚀性都得到了提高，同时减少了合金的种类，是杂质成分更简单、易控制，氮化物有效渗层厚度也显著增加。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

按照如下步骤制备实施例1的表面纳米化低合金钢模具：

(1)以重量百分比计，将如下配比的组分制备低合金钢：C 0.09，Cr 1.45，Si 0.40，Mn 0.33，Mo 0.17，Ni 0.15，Nb 0.05，Pd 0.15，P 0.002，S 0.002，余量为Fe和不可避免的杂质；

(12)轧制：包括均热处理，轧制和冷却，其中均热处理是在1150℃的加热炉中均热约5小时，轧制的开轧温度为1000℃、终轧温度为850℃，轧制速度为4m/s，冷却速度为5℃/s、冷却后的终温度为680℃。

(2)将步骤(1)得到的低合金钢加工成40mm×20mm×3mm的块状低合金钢模具；

(3)对步骤(2)制备的低合金钢模具进行表面纳米化处理；

(31)纳米化：利用功率为480W的钨合金刀具以以10-20KHZ的频率冲击所述低合金钢模具的表面；冲击能量产生500-650MPA的压应力；使被冲击部位得以强化从而实现纳米化，在表面形成纳米-微米梯度结构；

(32)将纳米化的低合金钢模具放入坩锅，加热至450℃，加入氧化盐3kg开始化盐至氧化盐熔化；再将基盐分次加入坩埚中，加热基盐全部熔化后盐浴面上升到距离坩埚上部边缘120mm时停止加入基盐，加入调整盐2kg，在220℃条件下运行2.5h；

(33)氧化：将清洁无锈的坩埚吊入氧化炉中，仪表定温在220℃，将工件放入坩锅，热电偶紧靠坩埚壁；然后将氧化盐加入坩埚中，加到坩埚高度的1/3，然后通电熔化；第一次加入的盐全部熔化以后再逐渐加入氧化盐，每次加入适宜数量，边熔化，边加入，直到液面升高到距离坩埚上部边缘200mm为止；盐浴面达到要求的高度以后，250℃保温，使水分大量挥发，直到液面不再有气泡产生完全平静为止；然后盐浴温度再升温20℃，如此循环，直到温度升到350℃；

(34)浸油：将低合金钢模具放入L-AN32#全损耗系统用油(产品执行GB443-89标准，购自济南优润化工有限公司)中浸泡2min，然后将油滴干。

步骤(32)中所述调整盐由下述重量份的组分组成：Na₂CO₃30份、K₂CO₃30份、NaCl 30份、KCl 25份、NH₄Cl 15份、Ce₂CO₃2份、BeO 2份。

步骤(32)和(33)中所述氧化盐均为Na₂CO₃50wt％和K₂CO₃50wt％的共混物。

步骤(32)中所述基盐所述基盐包括下述重量份的组分：氰酸钾100份、Ce₂CO₃3份、ZrO₂1.5份、CeO₂1.5份。

步骤(32)和步骤(33)的氮化炉和氧化炉设备为佛山市乘龙工业炉有限公司生产的QPQ液体盐浴复合氮化炉氧化炉，型号为：SNYN-20-6，额定温度为650℃，工作区尺寸为Φ400mm×550mm，其由炉壳、炉盖、隔热炉衬，加热元件、耐热钢坩埚、炉盖启动(液压或手动)装置等部分组成。

实施例2

按照实施例1所述方法，但步骤(32)中所述基盐为下述重量份的组分：氰酸钾100份、Ce₂CO₃3份、ZrO₂3份。得到实施例2的表面纳米化低合金钢模具。

实施例3

按照实施例1所述方法，但步骤(32)中所述基盐为下述重量份的组分：氰酸钾100份、Ce₂CO₃3份、CeO₂3份。得到实施例3的表面纳米化低合金钢模具。

实施例4

按照实施例1所述方法，但步骤(32)中所述基盐为下述重量份的组分：氰酸钾100份、CeO₂3份、ZrO₂3份。得到实施例4的表面纳米化低合金钢模具。

对比例

按照实施例1所述方法，将实施例1中步骤(3)的表面纳米化处理替换为常规淬火热处理；常规淬火热处理方法如下：

将步骤(2)制备的块状低合金钢模具以竖直的状态放入渗碳处理炉后，这里的竖直状态是指以模具三维最长的一维尽量保持铅直为准，加热到890℃，并以90滴/分钟的速度滴入甲醇，同时通过控制丙烷的流量维持炉内碳势在0.85％，进行扩散渗碳处理2小时，随后将低合金钢模具预冷到760℃同时降低炉内碳势至0.7％并保温10分钟，然后将低合金钢模具从渗碳炉中取出并在油温为125℃的冷却油中直接淬火，淬火后再进行回火，回火温度为170℃，回火时间为1.5小时，得到对比例的低合金钢模具。

测试例

对实施例1-4和对比例制得的低合金钢模具进行性能测试，氮化物有效渗层厚度的测量方法及标准参见《GB/T 11354-2005钢铁零件渗层深度测定和金相组织检验》，测试结果见表1。

表1：实施例1-3和对比例的性能测试表

由表1结果可见，本发明实施例1-3和对比例1制得的低合金钢模具相比较，室温下拉伸强度更大，屈服点更高，表面硬度更大。尤其是实施例1，使用了Ce₂CO₃、ZrO₂、CeO₂三种氧化物复配对基盐进行改性，效果更佳，由于具有了较厚的氮化物有效渗层，使用本发明方法制备的低合金钢模具具有良好的耐蚀性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其包括以下步骤：

(3)对步骤(2)制备的低合金钢模具进行表面纳米化处理。

2.如权利要求1所述的表面纳米化低合金钢模具的制备方法：其特征在于：步骤(1)所述制备低合金钢的方法包括如下步骤：

(11)冶炼浇注：顺次进行电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合权利要求1限定的化学成分后浇注，其中钢包精炼时以3atm以上的压力进行吹氩至少5分钟，以有利于杂质的上浮去除；

3.如权利要求1所述的表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的表面纳米化处理包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其特征在于：步骤(32)中所述基盐选自氰酸钾和金属氧化物的混合物。

5.如权利要求4所述的表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其特征在于：步骤(32)中所述基盐所述基盐包括下述重量份的组分：氰酸钾80-100份、Ce₂CO₃ 1-3份、ZrO₂ 0.5-1.5份、CeO₂ 0.5-1.5份。

6.如权利要求3所述的表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其特征在于：步骤(32)中所述调整盐由下述重量份的组分组成：Na₂CO₃ 20-30份、K₂CO₃ 20-30份、NaCl 20-30份、KCl 20-30份、NH₄Cl 10-20份、Ce₂CO₃ 2-4份、BeO 2-4份。

7.如权利要求3所述的表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其特征在于：步骤(32)和(33)中所述氧化盐选自Na₂CO₃、K₂CO₃或二者的混合物。