CN108277453B - 一种高铬微变形冷冲模具表面铬钒共渗处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高铬微变形冷冲模具表面铬钒共渗处理方法，运用TD覆层处理对模具零件表面进行铬钒共渗处理，将表面打磨并活化的模具零件预热后悬挂在830℃～910℃的铬钒共渗盐浴中保温2～4小时，升温到980℃～1020℃继续保温4～6小时并随炉冷至830℃取出在250℃～300℃的淬火油中等温淬火空冷，在400℃～420℃真空回火炉中回火三次空冷，本发明得到了内表面为碳化铬，外表面为碳化钒的阶梯性覆层，本发明利用TD覆层处理制备阶梯性Cr‑V碳化物覆层，提高零件表面耐磨性能的同时还提高了覆层与基体的结合强度及覆层的抗冲击能力。
Description
技术领域
本发明属于材料热处理的技术领域，尤其涉及一种高铬微变形冷冲模具表面铬钒共渗处理方法。
背景技术
冷冲模具的失效和破坏，大部分都发生在模具的表面，或是由模具表面开始的，要想保持冷作模具优良的性能和提高模具的使用寿命，最为重要的是如何提高模具表面的质量和性能。表面强化可以减少磨损、氧化或腐蚀导致的材料消耗，不仅有助于提高冷作模具的寿命，还可以用廉价的钢材代替贵重钢材，创造显著的经济效益。
TD覆层处理(Thermal Diffusion Carbide Coating Process)，即热扩散法碳化物覆层处理，因具有设备简单、操作方便、生产能力高、成本低、工件冷却方式可任意选择等优点，被认为是模具理想的表面改性技术之一。
TD覆层处理单渗一种金属，性能比较单一，在应用范围上受到很大限制，多元金属共渗可以保持单元渗金属的优点而克服其缺点，得到综合性能更优良的多元阶梯性渗层，提高零件的使用寿命或提高工艺效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高铬微变形冷冲模具表面铬钒共渗处理方法，采用阶梯性升温，形成的是Cr-V(铬钒)碳化物梯度覆层，内表面为碳化铬，外表面为碳化钒，综合性能更加优异。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种高铬微变形冷冲模具表面铬钒共渗处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)铬钒共渗处理，将表面打磨并活化的模具零件预热后悬挂在830℃～910℃的铬钒共渗盐浴中保温2～4小时，形成2～4um碳化铬覆层，铬钒共渗盐浴升温到980℃～1020℃继续保温4～6小时，形成8～12um的碳化钒覆层；
S2)最终热处理，随炉冷至830℃取出在250℃～300℃的淬火油中等温淬火空冷，在400℃～420℃真空回火炉中回火三次空冷，并用沸水煮洗清理残盐，得到了内表面为碳化铬，外表面为碳化钒的阶梯性覆层。
按上述方案，所述铬钒共渗盐浴的配方为：基盐为无水硼砂75％～80％，供金属剂为五氧化二钒或钒铁4％～5％和三氧化二铬或铬粉8％～10％，还原剂为碳化硼或铝粉4％～5％，活化剂为氟化钠或稀土硅镁合金3％～5％。
本发明的有益效果是：本发明提供一种高铬微变形冷冲模具表面铬钒共渗处理方法，针对高铬微变形冷冲模具零件的失效特点，运用TD覆层处理对零件表面进行铬钒共渗处理，得到了内表面为碳化铬，外表面为碳化钒的阶梯性覆层，该覆层相对于单一渗层有更明显的优势，覆层横截面硬度呈现阶梯性平缓过渡状态，大大提高零件表面耐磨性能的同时，还提高了覆层与基体的结合强度，应力集中大大的降低，减少了脆裂倾向，提高了覆层的抗冲击能力，然后将此工艺与零件最终的热处理工艺进行优化整合，对于提高模具寿命具有十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明一个实施例的流程框图。
图2为本发明一个实施例的模具截面铬-钒元素相对强度变化图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明是针对高铬微变形冷冲模具零件的表面处理工艺，在830℃～910℃的铬钒共渗盐浴中保温2～4小时，升温到980℃～1020℃继续保温4～6小时并随炉冷至830℃取出，它不同于其它的单一渗金属，铬钒共渗采用阶梯性升温，形成的是Cr-V碳化物梯度覆层，内表面为碳化铬，外表面为碳化钒，综合性能更加优异。
本发明通过将最终热处理工艺和TD热化学处理工艺进行优化整合，针对Cr12系列高铬微变形刚设计了其模具零件的最终热处理工艺，随炉冷至830℃并保温Tc(Tc是根据零件的有效尺寸计算出来的，一般取0.5～1.0min/mm)，快速取出在250℃～300℃的淬火油中等温淬火空冷，随即在400℃～420℃真空回火炉中回火3～4次空冷。
本发明的盐浴配方选用的基盐为无水硼砂75％-80％，供金属剂为五氧化二钒或钒铁4％-5％，三氧化二铬或铬粉8％-10％，还原剂为碳化硼或铝粉4％-5％，用3％-5％氟化钠或稀土硅镁合金做活化剂改善盐浴活性。
本发明采用发热源为硅碳棒发热的高温电阻炉，具有发热速度更快，升温耗时更短的特点最高加热温度可以达到1300℃，并采用双S型热电偶实时检测坩埚中盐浴温度及发热源温度最高检测温度可以达到1200℃，独立的控温柜，程序式设定整个升温过程，升温时采用阶梯性升温保温可以有效控制盐浴温度，辅助回火炉为箱式真空回火炉(真空度为10负4或负3)，最高回火温度可以达到800℃。
本发明制备的表面Cr-V阶梯性覆层，因为覆层内表面的碳化铬覆层比碳化钒覆层的结合性能更好，这是因为铬原子与铁原子半径相近，铬原子在与基体中扩散出的碳原子结合的同时，也会溶入基体中未溶入奥氏体的渗碳体中而形成(Fe.Cr)3C,当铬的浓度提高到一定值时转变为(Fe.Cr)7C3，而基体中的铁原子也会溶入碳化铬层，故而会在基体表面形成具有硬度梯度的覆层，提高了渗层与基体的结合强度。所以Cr-V阶梯性覆层比单渗钒得到的VC覆层的表面结合性能更强，而Cr3C2的硬度介于基体与VC之间，由于铬原子与铁原子半径较为相近，会发生明显的元素互扩散，形成含大量铁、铬元素的过渡区，沿覆层截面方向的硬度过渡会比较平缓而不会出现剧变。减少了脆裂倾向，大大减少了覆层脆裂失效的情况，提高了覆层的抗冲击能力。
Cr-V覆层形成原理：TD盐浴渗铬的合理处理温度是830℃～910℃之间，TD盐浴渗铌的合理处理时间是1000℃左右。为了得到内层以碳化铬为主，外层以碳化钒为主的硬度梯度覆层，本实验首先将处理温度设置为900℃，此时由于未达到渗钒的合适温度，所以铬原子活性比钒原子更大，零件表面高浓度的铬原子与零件中向基体表面扩散的碳结合生成碳化铬占主要成分的覆层。保温2～4小时后，将温度升至1000℃，钒原子的活性增加，由于V-C键合力比Cr-C键合力大，基体中的碳原子扩散至覆层表面后会优先与钒原子结合，此时以碳化钒覆层的成长为主。在此温度下保温4～6小时，就可以获得硬度过渡平缓的铬钒碳化物覆层。
实施例一
(1)机加工：分别用线切割机切割成所需的形状和大小的式样，Cr12MoV冲针制作成Ф15×5mm的圆柱形试样；SKD11冲头制作成15×15×5mm的方形试样；
(2)前处理：将两种钢材的试样表面经过从粗到细的砂纸依次打磨，然后经金刚石抛光液抛光，达到镜面即可。用酒精除去表面的油污，再浸泡在5％的盐酸溶液中5min以清除试样表面的铁锈，油污和铁锈等杂质的存在会影响TD处理工件表面的活性，不利于碳化物覆层的生长，清洗后将试样浸泡在5％的硝酸溶液中2min以达到表面活化的效果，然后用酒精清洗吹干；该过程主要在将试样进行TD处理前半小时进行，过早的进行处理可能会引起试样的表面沾污和生锈。TD处理前，工件需做预热处理以防止试样各部分收缩或膨胀量不同而产生应力。另外预热可以改变基体的组织结构,提高韧性,减少工件的变形，为进一步的TD盐浴处理做准备；
(3)配盐：结合盐浴炉坩埚的体积和硼砂熔融时的密度大小，计算试验中各化学剂的用量：坩埚直径
高度H＝405㎜(固定支架高度140㎜)，硼砂熔融密度2.3g/㎝3，遵循熔剂不超过坩埚体积2/3的原则：
M盐＝2/3ρπr2H(wt)％
根据盐浴配方质量比例及坩埚体积称取相应烘干后的硼砂，供金属剂，活化剂，混合均匀后放入坩埚中，输入升温程序进行阶梯性升温加热，待盐完全熔融后搅拌均匀保温10min，缓慢分批次加入还原剂，因为还原剂的加入跟氧化剂在高温下发生剧烈的氧化还原反应并释放大量的热，一次性加入量过大容易造成熔盐沸腾溅出或涌出坩埚，而且在长时间的高温环境下，还原剂漂浮在熔盐表面容易被氧化从而达不到很好的还原效果，因此需要分批次少量加入还原剂，并且在添加的过程中需要不断搅拌加速还原剂的溶解，此过程将熔盐的温度控制在800～830℃，待盐配完升温稳定在900℃后静置1小时；
(4)TD处理：在TD保温结束前半小时，将清洗除油除锈后的试样用铁丝吊挂在盐浴架上放入井式回火炉中520℃保温半小时，保温结束后立刻取出放入盐浴炉中盖上坩埚盖，保温2～4h,后升温到1000℃保温4～6h，保温阶段每隔1小时搅拌；
(5)后处理：盐浴处理后立即取出放入250℃～300℃油中等温淬火，后进行400℃真空回火3～4次空冷，每次待试样冷却后再放入回火炉中；
(6)回火结束待试样冷却后放入沸水中蒸煮，因为硼砂可以溶解于沸水中，所以本实验采用的清洗方法是将试样放进沸水中煮1小时左右，待残盐清理干净烘干即可(具体时间可目测试样表面的残盐情况而定)。
Claims (1)
1.一种高铬微变形冷冲模具表面铬钒共渗处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)铬钒共渗处理，将表面打磨并活化的模具零件预热后悬挂在830℃～910℃的铬钒共渗盐浴中保温2～4小时，形成2-4μ m 碳化铬覆层，铬钒共渗盐浴升温到980℃～1020℃继续保温4～6小时，形成8～12μ m 的碳化钒覆层，所述铬钒共渗盐浴的配方为：基盐为无水硼砂75％～80％，供金属剂为五氧化二钒或钒铁4％～5％和三氧化二铬或铬粉8％～10％，还原剂为碳化硼或铝粉4％～5％，活化剂为氟化钠或稀土硅镁合金3％～5％；
S2)最终热处理，随炉冷至830℃取出在250℃～300℃的淬火油中等温淬火，空冷，在400℃～420℃真空回火炉中回火三次空冷，并用沸水煮洗清理残盐，得到了内表面为碳化铬，外表面为碳化钒的阶梯性覆层。
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