CN105154891A - 一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法 - Google Patents

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孔德军
谢春洋
王文昌
顾邦平
汤志鹏
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Abstract

本发明属于先进材料表面改性处理领域，特指一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法，其特征在于：在模具钢表面形成一层渗硼层后，通过在渗硼层上进行激光淬火，以消除渗硼层缺陷，提高渗硼层的摩擦磨损性能。经激光淬火处理后渗硼层表面孔隙和片状组织减少，可以有效防止产生应力集中，提高渗硼层强度和韧性，解决了渗硼层易磨损剥落的缺陷，提高了模具使用寿命。

Description

一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法
技术领域
本发明专利是一种通过激光淬火改善渗硼层抗磨损性能的方法，渗硼处理广泛应用于工业生产中，因为渗硼处理后材料表面形成含有硼化物的渗硼层，具有高硬度，耐腐蚀等优点，但渗硼层通常存在气孔等缺陷，在磨损过程中易产生脱落现象，采用激光淬火对渗硼层进行复合处理，形成优化的渗硼层，可以减少渗硼处理产生的裂纹和孔隙，进一步提高耐摩擦磨损性能，有利于延长其使用寿命，本专利提出利用激光淬火的方法改善渗硼层耐磨损性能，属于先进材料表面改性处理领域。
背景技术
在机电工业中，70%以上零件采用模具加工，冷作模具钢因磨损失效高达50%-80%，为此需要对模具钢表面进行改性处理，提高其使用寿命；渗硼处理广泛应用于工业中，钢渗硼后，在零件表面可以获得一定厚度的、由FeB+Fe2B双相或单相组成的铁硼化合物层，使渗硼层具有很高的硬度和耐磨性；但渗硼处理存在如下几个缺陷：(1)硼化层具有较高的硬度，同时也具有较高的脆性，使用过程中易出现剥落磨损；(2)渗硼层一般含有FeB和Fe2B双相硼化物，二者膨胀系数不同，可能导致结合失效；(3)渗硼过程中会形成孔隙等缺陷，易造成应力集中，导致裂纹的生成和扩展，易引发表面脱落甚至断裂，上述问题限制了渗硼工艺的应用。
发明内容
本发明专利的目的是利用激光淬火对渗硼层处理，降低渗硼层脆性，提高渗硼层耐磨性能，对于改善渗硼层性能和提高模具使用寿命具有重要的工程应用意义。
具体而言，本发明所述的一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法，其特征在于：在模具钢表面形成一层渗硼层后，通过在渗硼层上进行激光淬火，以消除渗硼层缺陷，提高渗硼层的摩擦磨损性能。
本发明通过盐浴渗硼法，在工件表面形成一层渗硼层，如图1所示，液体渗硼的优点是使用原料(硼砂、碳化硅等)来源易、成本低，可以灵活掌握盐浴中各原料的配给，控制渗硼时间和渗层厚度；采用扫描电子电镜(SEM)对试样表面进行观察，渗硼层表面出现较多细小孔隙，组织呈片状层堆积，如图2所示。
本发明专利通过在渗硼层上进行激光淬火，以消除渗硼层缺陷，如图3所示，经激光淬火处理后渗硼层表面孔隙和片状组织减少，可以有效防止产生应力集中，提高渗硼层强度和韧性，解决了渗硼层易磨损剥落的缺陷，提高了模具使用寿命。
附图说明
图1为模具钢渗硼层的界面形貌。
图2为模具钢激光淬火前的渗硼层表面形貌的扫描电子电镜照片。
图3为模具钢激光淬火后的渗硼层表面形貌的扫描电子电镜照片。
图4为原始试样表面磨痕形貌。
图5为渗硼试样表面磨痕形貌。
图6为激光处理试样磨痕形貌。
图7摩擦系数与磨损时间关系对比示意图。
图8为磨损率对比示意图。
具体实施方式
(1)渗硼设备为外热式坩埚炉，盐浴成分包括供硼剂、还原剂和添加剂，具体盐浴成分：80%Na2B4O7+13%SiC+3.5%Na2CO3+3.5%KCl，处理工艺步骤为：表面除油→除锈→烘干→渗硼→清洗→退火，当盐浴温度加热至950℃时，将基材Cr12MoV模具钢浸入盐浴中，保温6h后取出，使活性硼原子与基材表面充分接触，发生扩散反应，形成冶金结合。
(2)渗硼处理前硼砂应在400-450℃脱水，其余原料应在100℃以上烘干，未经脱水处理的硼砂，不可加入炉内，以免盐浴老化，影响渗硼质量，渗硼后试样用清水煮沸清洗10-15min，以去除表面残余盐浴成分，然后取出基材，油淬后进行180℃回火2h，降低组织脆性。
(3)在激光淬火前对试样表面进行黑化处理，提高激光吸收率，激光淬火在GLS-ⅠB型激光加工系统上进行，热源为CO2激光器；激光淬火处理工艺步骤为：表面除油→除锈→烘干→涂吸光涂料→烘干→激光淬火；工艺参数：功率1500W，扫描速度12mm/s，光斑直径4mm，激光处理时采用氩气做保护气体，防止表面高温下发生氧化。
(4)磨损试验在HSR-2M往复式摩擦磨损试验仪上考察渗硼层磨损性能，记录其摩擦系数并测量试样磨损体积，测试参数为：摩擦副为Φ5mm陶瓷球，试验载荷9.8N，试验时间60min，往复频率500次/min，往复长度5mm。
(5)磨损试验后，由图4可见，原始状态试样表面磨损严重，磨痕深度为108.8μm，磨痕较宽，有明显的犁沟效应；如图5所示，经渗硼后试样表面磨痕深度62.17μm，磨粒磨损变少，犁沟磨损较为轻，同时，在渗硼过程中出现的孔洞成为裂纹源，产生应力集中，裂纹源扩展到表面或与纵向裂纹相交，最后磨损剥落；经激光淬火后渗硼层磨损形式表现为磨粒磨损，磨痕深度为46.88μm，比渗硼试样下降了24.6%，磨痕和犁沟较细小，未发生明显剥落，如图6。
(6)如图7所示，原始状态、渗硼处理和激光淬火后试样磨损率分别为3.58×10-5mm3/N、2.05×10-5mm3/N和1.54×10-5mm3/N，渗硼处理试样磨损体积相比原始试样下降42.7%，激光处理过后磨损体积比渗硼试样下降24.9%，表现出良好的耐磨性。
(7)试验时间60min内三种试样摩擦系数平均值分别为0.9808、0.9596和0.7668，如图8所示，原始试样在经历磨合阶段(6-15min)后，试样表面粗糙度逐渐减小，摩擦系数随之下降，最终稳定在0.95左右；经渗硼处理后试样表面硬度较高，在磨损开始阶段摩擦系数低于原始试样(6-30min)，但由于渗硼层易产生剥落磨损，导致表面粗糙度上升，因此试样摩擦系数一直呈现缓慢上升的趋势；经激光淬火后渗硼层表面的摩擦系数最小，稳定在0.76左右。说明激光淬火能有效提高渗硼层的减摩性能。

Claims (6)

1.一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法，其特征在于：在模具钢表面形成一层渗硼层后，通过在渗硼层上进行激光淬火，以消除渗硼层缺陷，提高渗硼层的摩擦磨损性能。
2.如权利要求1所述的一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法，其特征在于：所述模具钢为Cr12MoV模具钢。
3.如权利要求1所述的一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法，其特征在于：所述在模具钢表面形成一层渗硼层的方法是通过盐浴渗硼法，在模具钢表面形成一层渗硼层。
4.如权利要求3所述的一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法，其特征在于：所述盐浴成分包括供硼剂、还原剂和添加剂，具体盐浴成分按照质量百分比计算为：80%Na2B4O7+13%SiC+3.5%Na2CO3+3.5%KCl，处理工艺步骤为：表面除油→除锈→烘干→渗硼→清洗→退火，当盐浴温度加热至950℃时，将基材模具钢浸入盐浴中，保温6h后取出，使活性硼原子与基材表面充分接触，发生扩散反应，形成冶金结合。
5.如权利要求4所述的一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法，其特征在于：渗硼处理前供硼剂硼砂应在400-450℃脱水，其余原料应在100℃以上烘干，未经脱水处理的硼砂，不可加入炉内，以免盐浴老化，影响渗硼质量，渗硼后模具钢用清水煮沸清洗10-15min，以去除表面残余盐浴成分，然后取出模具钢，油淬后进行180℃回火2h，降低组织脆性。
6.如权利要求1所述的一种提高模具钢表面耐摩擦磨损性能的处理方法，其特征在于：在激光淬火前对模具钢表面进行黑化处理，提高激光吸收率，激光淬火在GLS-ⅠB型激光加工系统上进行，热源为CO2激光器；激光淬火处理工艺步骤为：表面除油→除锈→烘干→涂吸光涂料→烘干→激光淬火；工艺参数：功率1500W，扫描速度12mm/s，光斑直径4mm，激光处理时采用氩气做保护气体，防止表面高温下发生氧化。
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