CN109234669B - 一种渗Co塑料模具钢的制备方法及该模具钢 - Google Patents
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Abstract
一种渗Co塑料模具钢的制备方法，该法先以重量百分比含量为99.9%的Co板作为源极、采用双层辉光离子渗金属技术在基材马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的表面制备渗Co金属层，然后将具有渗Co金属层的基材空冷至室温，最后进行等温时效处理即可。该设计通过对渗Co金属工艺以及基材成分的优化，在基材表面形成均匀致密、总厚度为85–95μm、且由纯Co层、CoNi层、CoFe层组成的渗层结构，不仅显著提高了材料的硬度和耐蚀性能，而且保证了基材的综合力学性能、降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于塑料磨具钢表面处理领域，具体涉及一种渗Co塑料模具钢的制备方法及该模具钢。
背景技术
意大利Gruppo Lucchini开发出的马氏体时效硬化析出型不锈模具钢LJ338ESR是集强韧性、抛光性和腐蚀性于一体的镜面塑料模具钢。但由于该钢碳含量很低，制成的模具的硬度显得不足，同时时效时富Cu相的析出，影响了钝化膜的连续性和完整性，使抗蚀性受到影响，因此其硬度和耐蚀性无法满足日益提高的应用要求。
对于上述问题，通常采用表面处理方法(如渗氮等)得到一定厚度的强化层来解决，但一方面，LJ338ESR的强硬性是通过固溶后时效析出富Cu相来获得，表面处理与时效工艺的不同会影响到生产成本；另一方面，为形成致密和连续的渗层，不同渗层必须要考虑基体的成分，以上因素限制了常规表面处理方法在其中的应用。因此，有必要采用一种特殊的方法来提高其硬度和耐蚀性。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种可显著提高马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的硬度和耐蚀性的渗Co塑料模具钢的制备方法及该模具钢。
为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种渗Co塑料模具钢的制备方法，依次包括以下步骤：
渗Co处理、先以重量百分比含量为99.9％的Co板作为源极、采用双层辉光离子渗金属技术在基材马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的表面制备渗Co金属层，然后将具有渗Co金属层的基材空冷至室温，其中，所述基材的成分及其质量百分比含量为：C 0.020％–0.030％、Mn 0.70％–0.80％、Si 0.15％–0.25％、Cr 13.5％–14.5％、Cu 3.00％–3.30％、Nb 0.30％–0.40％、Ni 4.50％–4.60％、P≤0.013％、S≤0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质，所述双层辉光离子渗金属技术中渗金属温度1000–1090℃；
等温时效处理、将经渗Co处理后的基材于400–550℃下进行等温时效处理，即得到渗Co塑料模具钢。
所述基材的成分其及质量百分比含量为：C 0.026％、Mn 0.79％、Si 0.20％、Cr14.0％、Cu 3.08％、Nb 0.35％、Ni 4.54％、P 0.013％、S 0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质。
渗Co处理步骤中，所述双层辉光离子渗金属技术的工艺条件为：工作气压25–35Pa、极间距18–28mm、保温时间1–1.5h、源极-阴极电压差250–350V；
等温时效处理步骤中，所述等温时效的时间为2–3h。
一种渗Co塑料模具钢，采用上述制备方法制备得到；
所述渗Co金属层的总厚度为85–95μm，其由自表面向内部依次分布的纯Co层、CoNi层、CoFe层组成，且纯Co层、CoNi层、CoFe层的厚度比为1：0.9–1.1：1.8–2.2。
所述渗Co塑料模具钢的硬度由渗Co金属层的表面至基体呈梯度降低分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种渗Co塑料模具钢的制备方法中渗Co处理步骤先以重量百分比含量为99.9％的Co板作为源极、采用双层辉光离子渗金属技术在基材马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的表面制备渗Co金属层，然后将具有渗Co金属层的基材空冷至室温，该设计以纯Co为靶材，通过控制双层辉光离子渗金属的工艺条件，并针对工艺条件对基材的成分进行优化，使得基材表面形成均匀致密、总厚度为85–95μm、且由纯Co层、CoNi层、CoFe层按1：0.9–1.1：1.8–2.2的厚度比组成的渗层结构，在保证其整体力学性能满足使用要求的同时显著提高了其硬度和耐蚀性能。因此，本发明不仅显著提高了材料的硬度和耐蚀性能，而且保证了材料的整体力学性能。
2、本发明一种渗Co塑料模具钢的制备方法将渗金属温度控制在1000–1090℃，该温度范围与基材的固溶处理温度一致，使得在渗Co的同时可完成基体的固溶处理，不仅能够降低工艺成本，而且保证了基材的综合力学性能，同时，Co的渗入可使基体的Cr含量从常规含量15.28％降至13.5％–14.5％，且基材中不含Mo元素，进一步降低了成本。因此，本发明不仅能够降低成本，而且保证了基材的综合力学性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种渗Co塑料模具钢的制备方法，依次包括以下步骤：
渗Co处理、先以重量百分比含量为99.9％的Co板作为源极、采用双层辉光离子渗金属技术在基材马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的表面制备渗Co金属层，然后将具有渗Co金属层的基材空冷至室温，其中，所述基材的成分及其质量百分比含量为：C 0.020％–0.030％、Mn 0.70％–0.80％、Si 0.15％–0.25％、Cr 13.5％–14.5％、Cu 3.00％–3.30％、Nb 0.30％–0.40％、Ni 4.50％–4.60％、P≤0.013％、S≤0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质，所述双层辉光离子渗金属技术中渗金属温度1000–1090℃；
等温时效处理、将经渗Co处理后的基材于400–550℃下进行等温时效处理，即得到渗Co塑料模具钢。
所述基材的成分及其质量百分比含量为：C 0.026％、Mn 0.79％、Si 0.20％、Cr14.0％、Cu 3.08％、Nb 0.35％、Ni 4.54％、P 0.013％、S 0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质。
渗Co处理步骤中，所述双层辉光离子渗金属技术的工艺条件为：工作气压25–35Pa、极间距18–28mm、保温时间1–1.5h、源极-阴极电压差250–350V；
等温时效处理步骤中，所述等温时效的时间为2–3h。
一种渗Co塑料模具钢，采用上述制备方法制备得到；
所述渗Co金属层的总厚度为85–95μm，其由自表面向内部依次分布的纯Co层、CoNi层、CoFe层组成，且纯Co层、CoNi层、CoFe层的厚度比为1：0.9–1.1：1.8–2.2。
所述渗Co塑料模具钢的硬度由渗Co金属层的表面至基体呈梯度降低分布。
本发明的原理说明如下：
本发明提供了一种能够同时提高马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的硬度和耐蚀性的方法，通过对渗Co金属工艺以及基材成分进行优化后，可在基材表面形成约90μm的均匀致密的渗Co金属层，该渗层使得基材表面的硬度提高了约3倍且硬度自表向内呈梯度降低分布，基材表层的自腐蚀电位明显高于基体。
1、关于基材成分
本发明所述基材配方中，一方面，Cr含量从常规含量15.28％降至13.5％–14.5％，降低成本的同时也保持了基材的耐蚀性，另一方面，基材中不含Mo元素(Mo元素的常规含量在0.06％左右)，不仅节约成本，而且不会降低基体的强度。
2、关于工艺参数
工作气压：
工作气压提供一定量的轰击离子并维持正常的辉光放电。在一定的电压下，工作气压越高，等离子体浓度越大，源极溅射量增加，工件表面轰击作用越强，有利于原子的吸附和扩散，从而增加深层厚度。但气压过高会使反溅射增强，造成吸附在工件表面的活性原子脱附，同时对气体的背散射效应也增强，反而使渗层厚度降低。综合考虑以上因素后，本发明选择工作气压为25–35Pa。
极间距：
源极-阴极之间距离的大小与源极和阴极之间所产生的空心阴极效应有关。空心阴极放电的本质是源极和阴极的负辉区相互重叠而使放电电流增倍，从而强化辉光放电，大大提高离化率。但是极间距过大将造成合金元素在空间输运过程中碰撞次数增加和散失，致使合金元素利用率低，厚度减小；极间距过小使空心阴极效应增强，离子轰击作用增强，导致工件温度过高，对合金层组织造成较大的影响。因此，本发明将极间距控制在18–28mm。
渗金属温度：
渗金属温度是影响金属扩散的主要因素，同时对合金渗层的生长速度及基体组织产生影响。渗金属温度越高，扩散系数越大，渗层生长速率越快，得到的渗层越厚。但是温度过高会增加合金层与基体之间的应力，并且基体晶粒明显长大，组织结构发生改变，影响基体的力学性能。考虑到工艺成本及对基体力学性能的影响，本发明将渗金属温度设定为与马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的固溶温度一致，即1000–1090℃。
保温时间：
保温时间延长有利于扩散层厚度的增加。但是一定温度下，合金元素在某些固溶体中的固溶度有限，当合金元素达到极限饱和浓度时，保温时间的延长对试样表面合金化元素浓度的增加作用降低，对扩散层增厚的增长速率影响减小。当扩散达到平衡后，随着保温时间的继续延长，合金化元素会不断沉积在表面形成最外层的沉积层，而沉积层厚度随保温时间呈直线上升。因此，保温时间可以根据合金层的厚度来选择。根据85–95μm的渗层厚度，选择保温时间为1–1.5h。
源极-阴极电压差：
源极-阴极电压差过高或过低都不利于得到理想的合金层。电压差过高容易形成较厚的沉积层，不利于合金元素向基体内部进行扩散，并且形成的沉积层不牢固，甚至发生剥落的现象。电压差过低，工件表面反溅射增强，不利于工件表面的扩散，从而得到的渗层厚度较薄。本发明将源极-阴极电压差控制在250–300V，既能保证渗层的厚度在理想范围内，又能使渗层致密且与基体结合牢固。
实施例1：
一种渗Co塑料模具钢的制备方法，依次按照以下步骤进行：
基体前处理：对基材马氏体时效硬化析出型塑料模具钢进行抛光清洗，其中，所述马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的尺寸为15mm×15mm×5mm；
渗Co处理、先以抛光清洗后的重量百分比含量为99.9％的Co板作为源极、采用多功能双层辉光离子渗金属炉对抛光清洗后的基材表面渗Co金属层，然后将具有渗Co金属层的基材空冷至室温，其中，所述Co板的尺寸为80mm×80mm×10mm，所述基材的成分及其质量百分比含量为：C 0.025％、Mn 0.80％、Si 0.25％、Cr 13.5％、Cu 3.30％、Nb 0.40％、Ni4.50％、P 0.010％、S 0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质，所述双层辉光离子渗金属的工艺参数为：渗金属温度1000℃、氩气工作气压25Pa、极间距18mm、保温时间1.5h、源极-阴极电压差350V；
等温时效处理、将经渗Co处理后的基材于450℃下进行等温时效处理3h，即得到渗Co塑料模具钢。
采用上述方法制备得到的渗Co塑料模具钢，所述渗Co金属层的总厚度为85μm，其由自表面向内部依次分布的纯Co层、CoNi层、CoFe层组成，且纯Co层、CoNi层、CoFe层的厚度比为1：0.9：2.2，渗Co塑料模具钢的硬度由渗Co金属层的表面至基体呈梯度降低分布。
经检测，渗Co金属层表面硬度为1280HV，显著高于基体硬度398HV，渗Co金属层表面自腐蚀电位为0.08V，显著高于基体自腐蚀电位-0.55V。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于：
所述渗Co处理步骤中，基材的成分及其质量百分比含量为：C 0.030％、Mn0.70％、Si 0.15％、Cr 14.5％、Cu 3.00％、Nb 0.30％、Ni 4.60％、P 0.013％、S0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质，双层辉光离子渗金属技术的工艺条件为：渗金属温度1090℃、氩气工作气压35Pa、极间距28mm、保温时间1h、源极-阴极电压差300V；
所述等温时效处理步骤中，所述等温时效温度为550℃，时间为3h。
采用上述方法制备得到的渗Co塑料模具钢中，所述渗Co金属层的总厚度为95μm，所述纯Co层、CoNi层、CoFe层的厚度比为1：1.1：1.8。
经检测，渗Co金属层表面硬度为1270HV，显著高于基体硬度398HV，渗Co金属层表面自腐蚀电位为0.08V，显著高于基体自腐蚀电位-0.49V。
实施例3：
与实施例1的不同之处在于：
所述渗Co处理步骤中，基材的成分及其质量百分比含量为：C 0.026％、Mn0.79％、Si 0.20％、Cr 14.0％、Cu 3.08％、Nb 0.35％、Ni 4.54％、P 0.013％、S 0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质，双层辉光离子渗金属技术的工艺条件为：渗金属温度1040℃、氩气工作气压30Pa、极间距23mm、保温时间1h、源极-阴极电压差250V；
所述等温时效处理步骤中，所述等温时效温度为400℃，时间为2h。
采用上述方法制备得到的渗Co塑料模具钢中，所述渗Co金属层的总厚度为90μm，所述纯Co层、CoNi层、CoFe层的厚度比为1：1：2。
经检测，渗Co金属层表面硬度为1300HV，显著高于基体硬度398HV，渗Co金属层表面自腐蚀电位为0.08V，显著高于基体自腐蚀电位-0.54V。
Claims (5)
1.一种渗Co塑料模具钢的制备方法，其特征在于：
所述制备方法依次包括以下步骤：
渗Co处理、先以重量百分比含量为99.9% 的Co板作为源极、采用双层辉光离子渗金属技术在基材马氏体时效硬化析出型塑料模具钢的表面制备渗Co金属层，然后将具有渗Co金属层的基材空冷至室温，其中，所述基体的成分及其质量百分比含量为：C 0.020%–0.030%、Mn 0.70%–0.80%、Si 0.15%–0.25%、Cr 13.5%–14.5%、Cu 3.00%–3.30%、Nb 0.30%–0.40%、Ni4.50%–4.60%、P≤0.013%、S≤0.002%，其余为Fe及不可避免的杂质，所述双层辉光离子渗金属技术的工艺条件为：渗金属温度1000–1090℃、工作气压25–35Pa、极间距18–28mm、保温时间1–1.5h、源极-阴极电压差250–350V；
等温时效处理、将经渗Co处理后的基材于400–550℃下进行等温时效处理，即得到渗Co塑料模具钢。
2.根据权利要求1所述的一种渗Co塑料模具钢的制备方法，其特征在于：
所述基材的成分及其质量百分比含量为：C 0.026%、Mn 0.79%、Si 0.20%、Cr 14.0%、Cu3.08%、Nb 0.35%、Ni 4.54%、P 0.013%、S 0.002%，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的一种渗Co塑料模具钢的制备方法，其特征在于：
等温时效处理步骤中，所述等温时效的时间为2–3h。
4.一种渗Co塑料模具钢，其特征在于：
所述渗Co塑料模具钢采用权利要求1所述的制备方法制备得到；
所述渗Co金属层的总厚度为85–95μm，其由自表面向内部依次分布的纯Co层、CoNi层、CoFe层组成，且纯Co层、CoNi层、CoFe层的厚度比为1：0.9–1.1：1.8–2.2。
5.根据权利要求4所述的一种渗Co塑料模具钢，其特征在于：所述渗Co塑料模具钢的硬度由渗Co金属层的表面至基体呈梯度降低分布。
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