CN105331986B - 一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺 - Google Patents

一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺 Download PDF

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    • C23F17/00—Multi-step processes for surface treatment of metallic material involving at least one process provided for in class C23 and at least one process covered by subclass C21D or C22F or class C25

Abstract

一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺，其步骤为：1）、将工件工作表面进行打磨和清理之后，放入箱式电阻炉进行固体渗碳处理；2）、出炉后工件进行脉冲激光重熔处理；3）、将工件重新放入箱式电阻炉中，进行固体渗硼处理；4）、渗硼处理结束后，将工件进行油淬，最后进行回火处理。本发明通过上述工艺方法，能够降低渗硼处理温度，减少渗硼处理时间。降低能耗和提高生产效率的同时也有效消除由于渗碳层、渗硼层的不均匀分布而导致硬化层脆化造成性能恶化。

Description

一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺
技术领域
本发明为一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺，用于冷拔钢管低碳合金钢模具的表面热处理强化，并形成梯度分布渗碳层及渗硼层的技术领域。
背景技术
在钢管的冷拔生产过程中，内模在拔机生产线上承受很高的动态拉应力、强大的冲击载荷、极高的表面摩擦力以及一定热腐蚀和热磨损。因此，要求内模应具有高的整体抗拉强度和高的基体韧性、较好的表面硬度和表面耐磨性及良好的耐热磨损性。然而，当前采用低合金钢圆钢加工后作为冷拔内模，由于低合金钢整体强韧性及表面耐磨、耐蚀性难以满足工作要求，进而严重影响无缝钢管的生产效率。
以20CrMnTi为例，该合金是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。渗碳钢中Cr、Mn、Ti钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。其用途主要用于齿轮、轴类、活塞类零配件等，可用于汽车、飞机各种特殊零件部位。但是渗碳处理存在抗磨粒磨损能力较差的问题，而采用渗硼处理虽然可以极大地提高该材料的表面硬度和耐磨性，然而存在渗硼层较浅，磨损后基体迅速失效而影响整体寿命的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺，加工过程中对零件表面进行简单的打磨和清理之后，再对零件依次进行固体渗碳处理、脉冲激光重熔处理、固体渗硼处理，最后进行油淬和回火处理。解决了现有技术中存在的渗碳处理存在抗磨粒磨损能力较差的问题，加工后零件存在渗硼层较浅，磨损后基体迅速失效而影响整体寿命的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低合金钢模具脉冲激光复合化学渗工艺，其步骤为：
1）、将工件工作表面进行打磨和清理之后，放入箱式电阻炉进行固体渗碳处理；
2）、出炉后工件进行脉冲激光重熔处理；
3）、将工件重新放入箱式电阻炉中，进行固体渗硼处理；
4）、渗硼处理结束后，将工件进行油淬，最后进行回火处理。
步骤1）中渗碳处理温度为910～950℃，保温时间为6～10h；
步骤2）中脉冲激光重熔参数为：脉冲激光频率为：10～50次/ms；激光功率为500W～1500W；激光重熔扫描速度为0.001m/s～0.01m/s；激光加工头与工件法线夹角变化范围10～45°；重熔道次搭接量为20～40%；保护气氛为高纯氩气，流速变化范围为10m³/min～20m³/min；
步骤3）中固体渗硼处理温度为750～850℃，保温时间为2～4h。
步骤4）中油淬处理温度为740～760℃；回火处理温度为150～200℃，保温时间为2～4h。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺，加工过程中对零件表面进行简单的打磨和清理之后，对零件依次进行固体渗碳处理、脉冲激光重熔处理、固体渗硼处理，最后进行油淬和回火处理，本发明通过上述工艺方法，在低合金钢模具固体法渗碳处理后，进行脉冲激光熔凝表面处理，可使大块碳化物破碎并均匀分布于基体中，同时细化晶粒及晶界，然后进行较低温度及较短时间的固体渗硼处理。本发明能够降低渗硼处理温度，减少渗硼处理时间，同时也有效消除由于渗碳层、渗硼层的不均匀分布而导致硬化层脆化造成性能恶化。
附图说明
图1：为实施例1中渗硼层组织图。
图2：为实施例1中金相组织图。
图3：高频脉冲激光特性曲线。
具体实施方式
一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺，其步骤为：
1）、将工件工作表面进行打磨和清理之后，放入箱式电阻炉进行固体渗碳处理；
2）、出炉后工件进行脉冲激光重熔处理；
3）、将工件重新放入箱式电阻炉中，进行固体渗硼处理；
4）、渗硼处理结束后，将工件进行油淬，最后进行回火处理。
步骤1）中渗碳处理温度为910～950℃，保温时间为6～10h；
步骤2）中脉冲激光重熔参数为：脉冲激光频率为：10～50次/ms；激光功率为500W～1500W；激光重熔扫描速度为0.001m/s～0.01m/s；激光加工头与工件法线夹角变化范围10～45°；重熔道次搭接量为20～40%；保护气氛为高纯氩气，流速变化范围为10m³/min～20m³/min；
步骤3）中固体渗硼处理温度为750～850℃，保温时间为2～4h。
步骤4）中油淬处理温度为740～760℃；回火处理温度为150～200℃，保温时间为2～4h。
实施例1：
某冷拔钢管内模，材料为20CrMnTi（冷拔态），激光化学复合渗工艺最优选后的参数如下。
(1) 将模具放入固体渗碳罐内，密封后放入箱式电阻炉内；
(2) 渗碳处理的工艺为930℃×8h；
(3) 脉冲激光频率为：12次/ms；激光处理功率为900W，扫描速度为0.005m/s，激光头与零件法线夹角为40 o；保护气氛Ar流量15 m3/min；相邻道次搭接量为30%；
(4)渗硼处理工艺为800℃×2h；
(5)淬火工艺为760℃左右后，采用油冷的方式淬火；
(6)回火工艺为180℃×2h，随后出炉空冷。
模具洛氏硬度测试结果如表1所示，经过激光化学复合处理后，冷拔内模工作部硬度分布为HRC61～62，逐渐过渡到轮心部硬度为HRC37左右。
表1 模具工作部及螺纹下端面硬度值
洛氏硬度HRC
模具工作部 61.5
模具螺纹下端面 37
渗硼层金相组织及与基体界面形态如图1所示，其渗层深度测量值为102μm。20CrMnTi钢渗碳后表面含碳量一般在0.8%～1.05%范围内，并具有一定的浓度梯度，对渗硼起着促进作用，同时向内扩散的硼原子优先与碳形成颗粒状含硼渗碳体，但并不妨碍渗硼层的增厚。
由图1可见，脉冲激光复合处理后20CrMnTi金相组织致密，在针舌状碳化物中间及前沿的过渡区有大量均匀弥散分布的颗粒状含硼渗碳体，硬度分布合理，由HRC61～62逐渐过渡到心部硬度HRC37左右，对渗硼层起着较强的支撑作用并具有高的塑性变形抗力。裂纹的形成及扩展需要的时间长，因此导致冷拉内模的总寿命增加。
图2为20CrMnTi渗硼层附近的金相组织。由图可见，经过激光化学复合渗处理后其金相组织主要由片状及针状马氏体组织组成。这是由于内模首先进行的渗碳处理，这个区域处于碳浓度较高的状态，因此淬火后呈现了典型的高碳马氏体组织特征。
脉冲激光化学复合渗的有效增益为：
（1）脉冲激光重熔处理可细化渗碳层并破碎不规则碳化物；
（2）组织细化后，晶粒尺寸降低从而晶界数量增多，提供了更多的硼原子渗入通道，起到了催渗的作用；
（3）可降低渗硼处理的温度和保温时间，从而提高了生产效率并降低能耗。高频激光的脉冲特性如图3所示。
本发明采用在低合金钢模具固体法渗碳处理后，迅速进行脉冲激光熔凝表面处理，可使大块碳化物破碎并均匀分布于基体中，同时细化晶粒及晶界，然后进行较低温度及较短时间的固体渗硼处理。加工时，模具首先进行渗碳处理，出炉后迅速进行高频脉冲激光熔凝处理，然后进行较低温度及较短时间的渗硼处理，最后进行淬火及低温回火。渗碳处理后，通过激光重熔可使碳化物细化、基体凝固组织细化，使基体抗磨粒磨损能力大幅度提高；且由于晶粒细化导致在随后的渗硼过程中提供了更多的硼原子渗入基体的通道，从而使渗硼层加深，且渗层较为均匀。根据本发明所得模具寿命大幅度提高，抗磨粒磨损能力提高近30%，渗硼层由平均70um提高为100um。该工艺可提供模具激光复合化学渗工艺及完整技术方案，在轴类零件、模具、轧辊等机械零件上的应用前景广阔。本发明通过上述工艺方法，降低渗硼处理温度，减少渗硼处理时间，同时也有效消除由于渗碳层、渗硼层的不均匀分布而导致硬化层脆化造成性能恶化。

Claims (3)

1.一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺，其步骤为：
1）、将工件工作表面进行打磨和清理之后，放入箱式电阻炉进行固体渗碳处理，渗碳处理的工艺为930℃×8h；
2）、出炉后工件进行脉冲激光重熔处理；脉冲激光重熔参数为：脉冲激光频率为：10～50次/ms；激光功率为500W～1500W；激光重熔扫描速度为0.001m/s～0.01m/s；激光加工头与工件法线夹角变化范围10～45°；重熔道次搭接量为20～40%；保护气氛为高纯氩气，流速变化范围为10m³/min～20 m³/min；
3）、将工件重新放入箱式电阻炉中，进行固体渗硼处理；
4）、渗硼处理结束后，将工件进行油淬，最后进行回火处理。
2.根据权利要求1所述的一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺，其特征在于：步骤3）中固体渗硼处理温度为750～850℃，保温时间为2～4h。
3.根据权利要求1所述的一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺，其特征在于：步骤4）中油淬处理温度为740～760℃；回火处理温度为150～200℃，保温时间为2～4h。
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