CN109837365A - 热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料的表面改性领域，公开了一种热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法。本发明的复合改性层包括位于热作模具次外层的塑性变形层和与塑性变形层连接的位于热作模具最外层的马氏体层。本发明在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，能够通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

Description

热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法

技术领域

本发明涉及金属材料的表面改性领域，特别涉及一种热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法。

背景技术

随着工业制造水平的提高及生产规模的扩大，越来越多的铝合金产品相继问世，并广泛用于电子、汽车、飞机及一些器械零件上，其中不少属于铝合金压铸产品。铝合金压铸模是在压力铸造成形工艺中，用以成形铸件所使用的金属模具，常见的有H13钢、3Cr2W8V等。通常情况下，铝合金压铸模的服役条件极为苛刻，温度在650～730℃范围内的铝液以40～180m/s的速度压入模腔，并造成20～120MPa的内压力。因此压铸模是铝合金压铸生产线上的易损耗材，其常见失效形式包括热疲劳、熔损、磨损及腐蚀等，其中热疲劳是其最主要的失效形式。

有关提高铝合金压铸模热疲劳性能的研究已有大量报道，并指出热疲劳性能与零件表层强度、承载能力、晶粒尺寸及残余压应力等密切相关。目前提高铝合金压铸模具钢热疲劳性能的方法大多集中在表面改性领域，如表面化学热处理、表面大塑性变形及表面激光热处理等。近年来，喷丸强化(也可以称为喷丸处理技术)作为一种典型的表面塑性变形方法，因技术简单、处理成本低、普适性高等优点，已逐渐成为提高材料强度、可靠性和寿命的主流手段之一。其通常是在外加载荷的重复作用下，将材料表层组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化，引入位错、晶界等微观缺陷，在不损失韧性的基础上大幅度提高表层硬度、强度及耐磨性能，同时还会于材料次表层引入一定厚度的塑性变形影响区。显然，喷丸强化提高表层强度(硬度)及引入残余压应力对抑制热裂纹的扩展和萌生都能起到有利作用，但其最表层组织由于晶粒较细(纳米级)，存在较多的晶界，将对热疲劳裂纹在表面方向的沿晶扩展产生隐患。目前，采用表面塑性变形方法提高铝合金压铸模用钢的热疲劳性能的方法尚不完善，这种工艺的大规模应用仍存在一定的局限性。并且，现有技术中铝合金压铸模具钢表面喷丸处理的方法主要是通过控制弹丸的硬度、直径，喷射压力和方向等，使模具钢表面获得理想的残余压应力分布，从而提高模具钢的热疲劳抗力，延长使用寿命。但是，目前喷丸、滚压及表面机械研磨处理等表面塑性变形方法在提高铝合金压铸模具热疲劳性能上的应用并不多，尽管表面塑性变形引入的强度提升及残余压应力可有效提高热疲劳抗力，但同时引入的大量晶界和位错又可为热疲劳裂纹的加速扩展提供通道，削弱其整体强化效果。这些方法并未考虑组织类型与裂纹扩展之间的内在联系，无法解决喷丸处理后模具表面热裂纹会沿晶界加速扩展的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法，能够在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种热作模具表面的复合改性层，其特征在于，复合改性层包括位于热作模具次外层的塑性变形层和与塑性变形层连接的位于热作模具最外层的马氏体层。

在一示范性实例中，上述复合改性层满足如下条件中的至少一项：

塑性变形层的厚度为10～100μm；

马氏体层的厚度为1～10μm；

马氏体层是通过对塑性变形层的表面进行表面淬火处理得到的。

在一示范性实例中，热作模具为铝合金压铸模具。

本发明的实施方式还公开了一种热作模具的表面改性方法，该方法包括以下步骤：

在热作模具的表面生成塑性变形层；

对塑性变形层的表面进行表面淬火处理生成马氏体层。

在一示范性实例中，在热作模具的表面生成塑性变形层的步骤包括：

通过表面纳米化技术在热作模具的表面生成塑性变形层。

在一示范性实例中，表面纳米化技术为喷丸处理技术。

在一示范性实例中，喷丸处理技术的处理参数满足下列中的任一项：

弹丸直径为0.6～2mm；

喷丸强度为0.10～0.50A mm；

覆盖率为100～300％。

在一示范性实例中，表面淬火处理为激光加热表面淬火处理。

在一示范性实例中，激光加热表面淬火处理的处理参数满足下列中的任一项：

输入功率为200～600W；

扫描速度为30～50mm/s；

光斑直径为1.0～3.0mm。

在一示范性实例中，塑性变形层的厚度为1～100μm；马氏体层的厚度为0.1～10μm；热作模具为铝合金压铸模具。

本发明的实施方式还公开了一种热作模具，该热作模具的表面具上述实施方式公开的复合改性层；或者

该热作模具的表面是通过上述实施方式的改性方法进行改性的。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

一般情况下，由于表面淬火处理会减弱由于强塑性变形，对金属模具表面生成的塑性变形层的抗热疲劳性能，本领域技术人员不会想到将两者结合对金属表面进行改性。本发明通过调节参数，将两者结合，通过表面淬火处理在金属的塑性变形层表面合理的生成一层马氏体层，在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，能够通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

热作模具在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，能够通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

附图说明

图1是本发明第三实施方式的铝合金压铸模具的塑性变形层的横截面的扫描电子显微镜图；

图2为本发明第三实施方式的铝合金压铸模具表面马氏体层和塑性变形层组成的复合改性层的横截面的金相图；

图3为本发明第四实施方式的铝合压铸金模具的表面经喷丸处理后生成的塑性变形层的表面组织形貌金相图；

图4为本发明第四实施方式的铝合金压铸模具的表面经喷丸处理生成的塑性变形层，经激光加热表面淬火处理后，得到的由塑性变形层和马氏体体组成的复合改性层的横截面组织形貌的扫描电子显微镜图；

图5为本发明中的铝合金压铸模具的表面改性方法的示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种热作模具表面的复合改性层。具体地，该复合改性层包括位于热作模具次外层的塑性变形层和与塑性变形层连接的位于热作模具最外层的马氏体层。

优选地，在本实施方式中，塑性变形层的厚度为10～100μm；马氏体层的厚度为1～10μm。并且，塑性变形层是通过对热塑模具的表面进行喷丸处理得到的；而马氏体层是通过对塑性变形层的表面进行表面淬火处理得到的。

在本发明中，热作模具可以是需要高抗热疲劳的各种金属模具，例如，为铝合金压铸模具。

可以理解，在本发明的其他实施方式中，表面淬火处理还可以是能够在塑性变形层表面生成马氏体层的任何表面淬火处理方法，如火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、电子束表面淬火等方法。

一般情况下，由于表面淬火处理会减弱由于强塑性变形，对金属模具表面生成的塑性变形层的抗热疲劳性能，本领域技术人员不会想到将两者结合对金属表面进行改性。本发明通过调节参数，将两者结合，通过表面淬火处理在金属的塑性变形层表面合理的生成一层马氏体层，在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，能够通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

本发明的第二实施方式涉及一种热作模具的表面改性方法。该方法包括以下步骤：

步骤1，通过塑性变形技术在热作模具的表面生成塑性变形层。

步骤2，对塑性变形层的表面进行表面淬火处理生成马氏体层。

可以理解，在本发明中，可以通过各种塑性变形技术在热作模具的表面生成一层塑性变形层。例如，通过表面纳米化技术、滚压加工以及表面机械研磨处理。

在一示范性实例中，在上述步骤1中，通过表面纳米化技术在热作模具的表面生成塑性变形层。优选地，此处的表面纳米化技术为喷丸处理技术。

可以理解，在本发明的其他实施方式中，也可以采用其他表面纳米化技术，在此不做限制。

优选地，在上述实例中，喷丸处理技术的处理参数满足下列中的任一项：

弹丸直径为0.6～2mm；

喷丸强度为0.10～0.50A mm；

覆盖率为100～300％。

可以理解，在本发明中，上述步骤2可以采用各种表面淬火处理生成马氏体层。如火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、光加热表面淬火、电子束表面淬火等方法。

在一示范性实例中，表面淬火处理为激光加热表面淬火处理。优选地，激光加热表面淬火处理的处理参数满足下列中的任一项：

输入功率为200～600W；

扫描速度为30～50mm/s；

光斑直径为1.0～3.0mm。

在一示范性实例中，本方法生成的塑性变形层的厚度为1～100μm；马氏体层的厚度为0.1～10μm。

在一示范性实例中，本方法进行表面改性的热作模具为铝合金压铸模具。

可以理解，采用本发明的改性方法在热作模具表面制备而成的复合改性层是由最外马氏体层与喷丸处理等技术形成的塑性变形层构成的梯度改性层。

一般情况下，由于表面淬火处理会减弱由于强塑性变形，对金属模具表面生成的塑性变形层的抗热疲劳性能，本领域技术人员不会想到将两者结合对金属表面进行改性。本发明通过调节参数，将两者结合，通过表面淬火处理在金属的塑性变形层表面合理的生成一层马氏体层，在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，能够通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

本发明的第三实施方式涉及一种铝合金压铸模具的表面改性方法。具体地，如图5所示，将铝合金压铸模具用钢H13经调质处理后加工成60×50×3mm的薄板样品，经打磨、抛光及清洗后，选取1.0mm直径的轴承钢丸，在20kHz频率下表面机械研磨处理30min得到塑性变形层。该表面塑性变形层平整，且无明显的裂纹出现(见图1)。而后，将喷丸处理后的铝合金模具在1mm光斑直径、300W功率和50mm/s扫描速度下进行激光加热表面淬火处理，得到如图2所示分层组织，表层为超细晶的马氏体层，而次表层保留了喷丸强化出后的塑性变形层的变形组织和残余应力。

本发明的第四实施方式涉及一种铝合金压铸模具的表面改性方法。具体地，如图5所示，常用铝合金压铸模具用钢H13经调质处理后加工成薄板样品，经打磨、抛光及清洗后，选取0.8mm直径的钢丝切丸，在0.30mmA强度和200％覆盖率参数下进行表面喷丸强化，其喷丸处理后生成的塑性变形层的表面组织的金相图见图3。而后，调质激光光斑直径为3mm，将喷丸处理工件在600W功率和30mm/s扫描速度下进行激光加热表面淬火处理，得到如图4所示由最表层激光加热表面淬火处理得到的马氏体层和喷丸强化处理得到的塑性变形层组成的复合梯度改性层。

与现有技术相比，本发明的铝合金压铸模具的表面改性方法具备如下区别和效果：

1)喷丸强化引入的表层强度升高、残余压应力及晶粒细化效应对提高热疲劳抗力仍起到显著效果；

2)塑性变形层表层细晶组织由激光加热表面淬火处理生成的马氏体层代替，避免了喷丸强化所得纳米表层上热裂纹沿晶界快速扩展的缺陷；

3)通过调节激光加热表面淬火处理的工艺参数可控制淬硬层(即马氏体层)厚度，可控制并移动复合改性层(即塑性变形层和马氏体层)内部残余压应力的峰值位置，可同时提高热冲击和磨损性能。

本发明的第五实施方式还公开了一种热作模具。具体地，该热作模具的表面具有本发明的第一实施方式的复合改性层；或者该热作模具的表面是通过本发明的第二至第四实施公开的改性方法进行改性的。

该热作模具在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，能够通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种热作模具表面的复合改性层，其特征在于，所述复合改性层包括位于所述热作模具次外层的塑性变形层和与所述塑性变形层连接的位于所述热作模具最外层的马氏体层。

2.如权利要求1所述的复合改性层，其特征在于，所述复合改性层满足如下条件中的至少一项：

所述塑性变形层的厚度为10～100μm；

所述马氏体层的厚度为1～10μm；

所述塑性变形层是通过对所述热塑模具的表面进行喷丸处理得到的；

所述马氏体层是通过对所述塑性变形层的表面进行表面淬火处理得到的。

3.如权利要求1或2所述的复合改性层，其特征在于，所述热作模具为铝合金压铸模具。

4.一种热作模具的表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过塑性变形技术在所述热作模具的表面生成塑性变形层；

对所述塑性变形层的表面进行表面淬火处理生成马氏体层。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过塑性变形技术在所述热作模具的表面生成塑性变形层的步骤包括：

通过表面纳米化技术在所述热作模具的表面生成所述塑性变形层。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述表面纳米化技术为喷丸处理技术。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述喷丸处理技术的处理参数满足下列中的任一项：

弹丸直径为0.6～2mm；

喷丸强度为0.10～0.50A mm；

覆盖率为100～300％。

8.如权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述表面淬火处理为激光加热表面淬火处理。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光加热表面淬火处理的处理参数满足下列中的任一项：

输入功率为200～600W；

扫描速度为30～50mm/s；

光斑直径为1.0～3.0mm。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述塑性变形层的厚度为1～100μm；所述马氏体层的厚度为0.1～10μm；所述热作模具为铝合金压铸模具。

11.一种热作模具，其特征在于，表面具有权利要求1至3中任一项所述的复合改性层；或者

所述热作模具的表面是通过权利要求4至10中任一项所述的方法进行改性的。