CN109852963A - 一种高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法，该方法首先通过激光熔凝预处理获得晶粒细化区域，利用在渗氮过程中该区域更有利于渗氮反应的特点，通过渗氮处理在该区域形成更细、更多高硬氮化物，从而在高速锻造模具工作磨损部位得到更高硬度组合的仿生耦合表面；仿生耦合表面硬相硬度可达1050‑1200HV，软相硬度950‑1060HV，极大地提高了高速锻造模具的使用寿命。

Description

一种高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法
技术领域
本发明属于锻造模具强化技术领域，涉及一种高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法。
背景技术
模具是制造业的基础，在各种行业中都有应用。模具精度对产品质量有直接影响，因此模具加工过程复杂，对尺寸及表面精度要求非常高。而高速锻造模具由于工作期间磨损、冲击更为剧烈，寿命更低。以上导致了高速锻造模具成本上升，直接导致产品成本上升。所以工业上普遍对模具寿命有更高期望。为了提高模具寿命，中国专利公报公开了一种“根据成分与工况制备耦合仿生表面的方法及热镦模具”(申请号：CN201711312084.2)，该发明目的是相变强化提高部分区域硬度，形成软硬相间的表面，其表面仿生单元体硬度仅能达到560-750HV之间。另有“一种提高H13热作模具热疲劳性离子渗氮表面改性方法”(申请号：CN201611231273.2)，该方法通过离子渗氮进行整体表面改性，使用渗氮将模具表面改性生成高硬氮化物，提高模具寿命；其渗氮组织为Fe2N和Fe4N型氮化物，最终硬度850-920HV之间，硬度提升幅度有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法，该方法能够极大地提高模具的使用寿命。
为了解决上述问题，本发明的高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法包括下述步骤：
步骤一，对高速锻造模具进行表面清理；
步骤二，按设定的轨迹对高速锻造模具工作磨损部位表面进行激光熔凝处理，在其表面得到仿生单元体；仿生单元体深度0.3-0.5mm，晶粒大小5-10um，硬度600-800HV；激光熔凝处理采用Nd:YAG激光器，光斑直径1-2mm,能量0.8-1J，脉宽2-4ms,频率4-6Hz，扫描速度0.5-1.6mm/s；
步骤三：使用遮挡物覆盖高速锻造模具孔洞；
步骤四：将高速锻造模具放入氮化炉进行渗氮处理，在高速锻造模具的工作磨损部位表面得到仿生耦合表面；仿生耦合表面硬相硬度1050-1200HV，软相硬度950-1060HV；渗氮处理参数:温度500-530摄氏度，时间24-38小时。
现有技术的“根据成分与工况制备耦合仿生表面的方法及热镦模具”，目的为相变强化提高部分区域硬度，形成一定深度的软硬相间的工作层；激光加工需要较大持续能量保证深度，带来冷却速度略慢，晶粒细化不明显，硬度略低。加工后单元体深度0.6-0.8mm，晶粒大小12-20um,硬度为660-750HV。直接采用CN201611231273.2等为代表的单一渗氮方式强化，其渗氮组织硬度为880-960HV之间。若简单采用两者结合的方法，由于激光加工得到的单元体晶粒较大，晶界增多不明显，前置激光加工对后续渗氮反应影响较小，Fe2N、Fe4N氮化物含量与未激光单一渗氮相比变化不大，因此硬度仅能提高到900-990HV；本发明采用激光熔凝的方法细化晶粒,为渗氮制造了更多的晶界扩散路径，并非制备强化层，无需保证深度，通过改性同时提高软相和硬相的硬度，形成更高硬度的软硬耦合仿生表面，仿生耦合表面硬相硬度可达1050-1200HV，软相硬度达950-1060HV，极大地提高了高速锻造模具的使用寿命。
所述步骤二中，按设定的轨迹对高速锻造模具工作磨损部位表面进行激光熔凝处理，在其表面得到条状仿生单元体，仿生单元体宽度为1-3mm，深度为0.5-1.5mm，平均间距为0.5-3mm，仿生单元体与摩擦方向的夹角为0-90度。
所述步骤二中，按设定的轨迹对高速锻造模具工作磨损部位表面进行激光熔凝处理，在其表面得到网格仿生单元体，仿生单元体宽度为1-3mm，深度为0.5-1.5mm，间距为0.5-3mm，仿生单元体与摩擦方向的夹角为0-90度。
本发明通过激光熔凝预处理获得晶粒细化区域，利用在渗氮过程中该区域更有利于渗氮反应的特点，通过渗氮处理在该区域形成更细、更多高硬氮化物，从而在高速锻造模具工作磨损部位得到更高硬度组合的仿生耦合表面；仿生耦合表面硬相硬度可达1050-1200HV，软相硬度950-1060HV，极大地提高了高速锻造模具的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是实施例的冲头模具外形及强化工作部位位置。
图2是实施例1的高速锻造冲头复合强化模具俯视图。
图3是实施例2的高速锻造冲头复合强化模具俯视图。
图4是实施例3的高速锻造冲头复合强化模具俯视图。
图5是实施例4的高速锻造冲头复合强化模具俯视图。
图6是实施例5的高速锻造冲头复合强化模具俯视图。
具体实施方式
本发明的高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法具体包括下述步骤：
步骤一，在高速锻造模具普通热处理后、生产前进行表面清理，去除油污及染色、记号笔痕迹。
步骤二，根据高速锻造模具工作面形状及工作强度，设计激光熔凝加工路径。按设定的轨迹对高速锻造模具工作磨损部位表面进行激光熔凝处理，使其表面迅速熔化凝固，得到晶粒细化的仿生单元体；仿生单元体深度0.3-0.5mm，晶粒大小5-10um，硬度600-800HV；激光熔凝目的为细化晶粒促进氮化，与常见激光熔凝相比对深度要求较小对细化晶粒要求较高。具体为：采用Nd:YAG激光器，光斑直径1-2mm,能量0.8-1J，脉宽2-4ms,频率4-6Hz，扫描速度0.5-1.6mm/s.
步骤三：使用金属杆、片等遮挡物覆盖高速锻造模具孔洞；
步骤四：将高速锻造模具放入氮化炉进行渗氮处理，得到仿生耦合表面；仿生耦合表面硬相硬度1050-1200HV，软相硬度950-1060HV；渗氮处理参数:温度500-530摄氏度，时间24-38小时。
各实施例激光熔凝处理和渗氮处理工艺参数及对比例工艺参数见表1；各实施例仿生单元体形状、排布、技术效果见表2。
表1
表2
注：对比例1为仅经渗氮处理而未经激光仿生强化的H13模具，对比例2为采用“根据成分与工况制备耦合仿生表面的方法及热镦模具”(申请号：CN201711312084.2)的H13模具。对比例3为实施例2加渗氮处理。激光熔凝处理后的H13模具钢组织均为细小马氏体上分布网状碳化物，有无激光熔凝处理的区域在渗氮后均为Fe2N和Fe4N混合物。角度为加工方向与延俯视模具圆周放射方向(磨损方向)的夹角。
本发明中，高速锻造模具经激光熔凝+离子渗氮复合处理得到软硬相间结构，硬相为晶粒细化的铁-氮化合物，软相为粗大的普通铁-氮化合物。两者除晶粒尺寸差别外，由于激光熔凝区域处理后晶界较多有利于氮化反应，形成了更多Fe2N、Fe4N氮化物。具有比未经激光熔凝处理的普通氮化区域高100-120HV以上的硬度。
高速锻造模具经激光熔凝+离子渗氮复合处理得到软硬相间结构，其硬相单元体较单独激光熔凝处理的高400-500HV，软相较单独激光熔凝处理的高450-500HV。

Claims (3)

1.一种高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法，其特征在于该方法包括下述步骤：
步骤一，对高速锻造模具进行表面清理；
步骤二，按设定的轨迹对高速锻造模具工作磨损部位表面进行激光熔凝处理，在其表面得到仿生单元体；仿生单元体深度0.3-0.5mm，晶粒大小5-10um，硬度600-800HV；激光熔凝处理采用Nd:YAG激光器，光斑直径1-2mm,能量0.8-1J，脉宽2-4ms,频率4-6Hz，扫描速度0.5-1.6mm/s；
步骤三：使用遮挡物覆盖高速锻造模具孔洞；
步骤四：将高速锻造模具放入氮化炉进行渗氮处理，在高速锻造模具的工作磨损部位表面得到仿生耦合表面；仿生耦合表面硬相硬度1050-1200HV，软相硬度950-1060HV；渗氮处理参数:温度500-530摄氏度，时间24-38小时。
2.根据权利要求1所述的高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法，其特征在于所述步骤二中，按设定的轨迹对高速锻造模具工作磨损部位表面进行激光熔凝处理，在其表面得到条状仿生单元体，仿生单元体宽度为1-3mm，深度为0.5-1.5mm，平均间距为0.5-3mm，仿生单元体与摩擦方向的夹角为0-90度。
3.根据权利要求1所述的高速锻造模具激光仿生与离子渗氮复合强化的方法，其特征在于所述步骤二中，按设定的轨迹对高速锻造模具工作磨损部位表面进行激光熔凝处理，在其表面得到网格仿生单元体，仿生单元体宽度为1-3mm，深度为0.5-1.5mm，间距为0.5-3mm，仿生单元体与摩擦方向的夹角为0-90度。
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