CN109136830A - 一种含有碳化钒覆层的金属材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含有碳化钒覆层的金属材料，包括基体金属，碳化钒覆层和位于基体金属与碳化钒覆层间的渗硼层，碳化钒覆层厚度为5～15μm，渗硼层为单相硼化二铁，渗硼层的厚度为30～200μm，基体金属为含碳量高于0.3％的钢铁。本发明还提供了上述含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法。通过本发明提供的方法制备得到的合金表面硬化层，最表层为碳化钒覆层，具有极高的抗拉伤、高耐磨的性能，而次表层硬化层较厚且硬度远高于基体材料，这种表面硬化层结构使最表层的碳化钒覆层可以承受更大的压应力而不会破损并剥落，发挥出碳化钒覆层的性能特点，有效解决了重载下拉深成型类模具或机械零部件表面拉伤问题，并大幅提高了其使用寿命。

Description

一种含有碳化钒覆层的金属材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种含有碳化钒覆层的金属材料及其制备方法和应用。
背景技术
钢铁材料在拉深、弯曲、翻边和滚压成型时很容易出现模具拉伤工件表面的现象，解决此问题的方法很多，如可以改变模具材料，采用硬质合金，用铍铜合金做模具；在模具与成型板料间加合适的拉深油或加塑料薄膜；或对成型板料进行磷化处理；对模具进行表面处理。以上方法在不同的场合都有应用，其中尤以对模具进行表面处理经济而有效。
对钢铁零部件进行化学热处理是大幅度提高其耐磨、耐蚀、耐疲劳等性能的有效方法。在众多表面处理方法中，目前对于钢铁材料的拉深、弯曲、翻边、辊压成型等模具(以下简称拉深类模具)，一般由高合金冷作模具钢如Cr12MoV和Cr12等制作，再进行TD法碳化钒覆层处理，处理后模具母材的硬度为HRC56～62(HV600～750)，表面具有厚度为0.005-0.015mm、硬度HV高达2800～3200的碳化钒覆层，大量实践表明，这样制作的模具是目前解决此类模具表面拉伤工件问题并大幅度提高其使用寿命的有效而经济的方法。然而，在不断增多的使用条件更苛刻的场合，如汽车行业使用板料强度越来越高的高强度钢板和重型卡车行业的高强度厚板料的成型模具，采用TD法碳化钒覆层处理无法达到满意的使用效果，具体表现为碳化钒覆层容易在使用不足2000冲次、有些甚至只有几十冲次就出现剥落现象，发挥不出碳化物覆层抗拉伤、高耐磨性的优势。
硬度是固体物质的一个力学性能指标，用于表征该物质在受力后的变形抗力大小，在同等加载情况下，变形越大的物质硬度越低，相反硬度越高，从另一个角度来说，硬度低可以承受较大的变形量，硬度高则承受的变形量小。对于已经TD碳化钒覆层处理过的拉深成型类模具，模具表面碳化钒覆层硬度高(HV达到2800～3200)，可以承受的变形量很小，而基体硬度相对较低(HRC56～62，对应的HV610～750)，相对可以承受较大的变形。当模具表面承受正应力时，由于表面的碳化钒覆层很薄，应力传递到基体，在正应力不够大时(绝大多数的拉深成型类模具的工况)，基体变形量也很小，不至于影响表面的碳化钒覆层，此时模具可以有效发挥碳化钒覆层的性能特点，使其具有良好的抗拉伤性能，并有足够高的使用寿命；而当正应力足够大，并使基体发生足够大的变形，这样由于表面碳化钒覆层很薄也会发生大的变形，由于碳化钒覆层硬度高，承受的变形量小，于是就会出现碳化钒覆层破损，模具再使用表现为覆层在破损处出现剥落。
要解决上述问题，有效的解决方法是提高基体的硬度以使基体对表面覆层有足够高的支撑。拉深成型类模具材料目前普遍使用高铬冷作模具钢制作，热处理后的硬度一般只有HRC60左右，很难进一步提高，如采用具有更高硬度的高速钢，虽然硬度可以提高至HRC63～67，但模具制造成本和制造难度会大幅度增加。
本发明提出的构想是通过表面化学热处理的方法，在碳化钒覆层底部形成一层硬度远高于基体材料硬度并且厚度足够厚的过渡层，这样使材料表面能够承受比单一碳化钒覆层更大的正应力而不至于使表面变形并破损，以解决在重载下碳化钒覆层破损并剥落的问题。
渗硼技术是一种在钢铁表面可以获得硬度较常规表面处理高得多的表面处理技术，硬化层厚度可以达到数十微米至数百微米，硬度HV可以达到1200～2100，远远高于任何一种钢铁材料的淬火硬度，并具有极高的耐磨性和在一些条件下优异的耐蚀性能，渗层由表及里呈梯度过渡，对于单相渗硼层，一般不存在表面硬化层崩落问题。由于渗硼层厚度是碳化钒覆层的数倍至数十倍，在基体材料硬度相同的情况下，相对来说渗硼层可以承受比单一碳化钒覆层高得多的压应力而不变形和破损。因此在碳化物覆层底部用一层高硬度且足够厚的单相渗硼层作为过渡层，可以使最表层的碳化钒覆层承受较单一TD法碳化钒覆层更高的压应力而不变形和破损。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种含有碳化钒覆层的金属材料。
本发明的目的之二是提供上述金属材料的制备方法。
本发明的目的之三是提供上述金属材料在模具或机械零部件中的应用。
一种含有碳化钒覆层的金属材料，包括基体金属，碳化钒覆层和位于基体金属与碳化钒覆层间的渗硼层。
优选地，所述碳化钒覆层厚度为5～15μm。
优选地，所述渗硼层为单相硼化二铁，所述渗硼层的厚度为30～200μm。
优选地，所述基体金属为含碳量高于0.3％的钢铁材料。
上述的金属材料在模具或机械零部件中的应用。
上述的金属材料的制备方法，步骤包括：
(1)对基体金属表面进行抛光；
(2)对步骤(1)抛光后的基体金属表面进行渗硼，形成单相渗硼层；
(3)在步骤(2)处理后的渗硼表面进行熔盐渗钒，形成碳化钒覆层；
(4)对步骤(3)处理后的金属材料整体进行淬火和回火处理。
优选地，步骤(1)中所述抛光处理的标准为粗糙度Ra小于0.4。
优选地，步骤(2)所述渗硼处理的温度为860～1020℃，时间为3～20h，所述单相渗硼层为单相硼化二铁。
优选地，步骤(3)所述熔盐渗钒所用的盐为硼砂熔盐，处理温度为850～1030℃，时间为4～15h。
优选地，步骤(4)所述淬火为空冷或油冷，所述回火处理的温度为180～600℃。
本发明的有益效果
1、通过本发明提供的方法制备得到的合金表面硬化层，最表层为碳化钒覆层，具有极高的抗拉伤、高耐磨的性能，而次表层硬化层硬度远高于基体材料且较厚，这种表面硬化层结构使最表层的碳化钒覆层可以承受更大的压应力而不会破损并剥落，发挥出碳化钒覆层的性能特点；
2、有效解决了重载下拉深成型类模具或机械零部件表面拉伤问题，并大幅提高了其使用寿命。
具体实施方式
以下实施例均为对拉深5mm厚，强度为550MPa的重卡底盘零件的Cr12MoV模具镶块进行处理，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例提供了含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对Cr12MoV模具镶块工作面进行抛光，使其表面粗糙度Ra低于0.4，用酒精擦拭干净工件的全部表面；
(2)对步骤(1)抛光后的模具镶块表面进行单相盐浴渗硼处理，盐浴中含有80％的硼砂和20％的碳化硅，处理温度960℃，保温10h，出炉空冷，清洗工件上的残盐后对工作面打磨抛光，使金属表面粗糙度低于0.4；
(3)在步骤(2)处理后的渗硼表面进行熔盐渗钒，熔盐渗钒所用的盐为硼砂熔盐，包含：硼砂85％，五氧化二钒10％，铝粉5％，处理温度为1020℃，保温9h；
(4)对步骤(3)处理后的金属材料整体进行空冷淬火和200℃回火处理3次后，清理残盐，对工作面打磨抛光，使工作面粗糙度低于0.4，如此即完成了对模具镶块的复合处理。得到复合金属A。
实施例2
本实施例提供了含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对Cr12MoV模具镶块工作面进行抛光，使其表面粗糙度Ra低于0.4，用酒精擦拭干净工件的全部表面；
(2)对步骤(1)抛光后的模具镶块表面进行单相粉末装箱渗硼处理，粉末配方为：95％碳化硅，2％氟硼酸钾，3％碳化硼，处理温度900℃，保温8h，随炉冷却至室温，出炉后对工作面打磨抛光，使金属表面粗糙度低于0.4；
(3)在步骤(2)处理后的渗硼表面进行熔盐渗钒，熔盐渗钒所用的盐为硼砂熔盐，包含：硼砂85％，五氧化二钒10％，铝粉5％，处理温度为900℃，保温14h；
(4)对步骤(3)处理后的金属材料整体随炉升温至1020℃进行空冷淬火和200℃回火处理3次后，清理残盐，对工作面打磨抛光，使工作面粗糙度Ra低于0.4，如此即完成了对模具镶块的复合处理。得到复合金属B。
实施例3
本实施例提供了含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对Cr12MoV模具镶块工作面进行抛光，使其表面粗糙度Ra低于0.4，用酒精擦拭干净工件的全部表面；
(2)对步骤(1)抛光后的模具镶块表面进行单相盐浴渗硼处理，盐浴中含有80％的硼砂和20％的碳化硅，处理温度1050℃，保温10h，出炉空冷，清洗工件上的残盐后对工作面进行打磨抛光，使金属表面粗糙度Ra低于0.4；
(3)在步骤(2)处理后的渗硼表面进行熔盐渗钒，熔盐渗钒所用的盐为硼砂熔盐，包含：硼砂85％，五氧化二钒10％，铝粉5％，处理温度为1050℃，保温9h；
(4)对步骤(3)处理后的模具镶块整体进行空冷淬火和200℃回火处理3次后，清理残盐，对工作面打磨抛光，使工作面粗糙度Ra低于0.4，如此即完成了对模具镶块的复合处理。得到复合金属C。
对比例1
本对比例提供了一种含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对Cr12MoV模具镶块工作面进行抛光，使其表面粗糙度Ra低于0.4，用酒精擦拭干净工件的全部表面；
(2)在步骤(1)处理后的模具镶块工作面直接进行熔盐渗钒，熔盐渗钒所用的盐为硼砂熔盐，包含：硼砂85％，五氧化二钒10％，铝粉5％，处理温度为1020℃，保温9h；
(3)对步骤(2)处理后的模具镶块整体进行空冷淬火和200℃回火处理3次后，清理残盐，对工作面打磨抛光，使工作面粗糙度Ra低于0.4，如此即完成了对模具镶块的覆层处理。得到复合金属D。
对比例2
本对比例提供了一种仅进行渗硼处理，未经碳化钒覆层处理的模具镶块的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对Cr12MoV模具镶块工作面进行抛光，使其表面粗糙度Ra低于0.4，用酒精擦拭干净工件的全部表面；
(2)对步骤(1)抛光后的模具镶块表面进行单相熔盐渗硼处理，处理温度960℃，保温9h，出炉空冷，清洗工件上的残盐；
(3)对步骤(2)处理后的模具镶块整体进行空冷淬火和200℃回火处理3次后，对工作面打磨抛光，使工作面粗糙度Ra低于0.4，如此即完成了对模具镶块的硬化处理。得到复合金属E。
本实施例比较了实施例1～3和对比例1～2所得A～E五种复合处理模具镶块的硬度、实际使用效果情况，结果如表1所示。
表1五种复合金属的使用效果对比
序号 硬度/HV0.05 抗拉伤性能
A 2920 使用10000次，模具表面完好，无拉伤现象出现。
B 3150 使用10000次，模具表面完好，无拉伤现象出现。
C 3050 使用10000次，模具表面完好，无拉伤现象出现。
D 2950 使用不足3000次覆层出现剥落，模具表面拉伤严重。
E 1800 可以改善模具表面拉伤问题，但有拉伤出现。

Claims (10)

1.一种含有碳化钒覆层的金属材料，其特征在于，包括基体金属，碳化钒覆层和位于基体金属与碳化钒覆层间的渗硼层。
2.根据权利要求1所述的含有碳化钒覆层的金属材料，其特征在于，所述碳化钒覆层厚度为5～15μm。
3.根据权利要求1所述的含有碳化钒覆层的金属材料，其特征在于，所述渗硼层为单相硼化二铁，所述渗硼层的厚度为30～200μm。
4.根据权利要求1所述的含有碳化钒覆层的金属材料，其特征在于，所述基体金属为含碳量高于0.3％的钢铁材料。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的金属材料在模具或机械零部件中的应用。
6.一种如权利要求1～4任一项所述的金属材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)对基体金属表面进行抛光；
(2)对步骤(1)抛光后的基体金属表面进行渗硼，形成单相渗硼层；
(3)在步骤(2)处理后的渗硼表面进行熔盐渗钒，形成碳化钒覆层；
(4)对步骤(3)处理后的金属材料整体进行淬火和回火处理。
7.根据权利要求6所述含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述抛光处理的标准为粗糙度Ra小于0.4。
8.根据权利要求6所述含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述渗硼处理的温度为860～1020℃，时间为3～20h，所述单相渗硼层为单相硼化二铁。
9.根据权利要求6所述含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述熔盐渗钒所用的盐为硼砂熔盐，处理温度为850～1030℃，时间为4～15h。
10.根据权利要求6所述含有碳化钒覆层的金属材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述淬火为空冷或油冷，所述回火处理的温度为180～600℃。
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