CN110923697A - 一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法 - Google Patents

一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，属于模具材料技术领域；解决现有模具钢由于表面硬度与韧性不能同时满足要求而导致的使用寿命短和使用条件受限的问题；具体采用一定质量比的WC、Cr、石墨烯与模具钢粉末组成的材料，依次经过感应熔覆、真空加热、表面淬火、低温回火和渗氮处理得到模具钢的涂层；本发明方法利用感应熔覆和特殊热处理相结合的形式，使得在热处理过程中模具钢各部分组织的理想化，形成熔覆层为回火马氏体，模具钢心部为索氏体组织，提高模具钢的表面强度和硬度，增加模具钢整体的韧性，增加模具钢的使用寿命和使用条件。

Description

一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法
技术领域
本发明属于模具材料技术领域，具体为一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法。
背景技术
众所周知，模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。其中冷作模具用钢，按其所制造具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。然而在实际操作过程中模具钢常常出现断裂、变形、磨损等缺陷，造成工件和模具的报废而无法使用，造成了大量的财产和资源损失。造成此类现象的原因是由于制造商为了降低成本，实际采用模具的材料并非专用模具钢材，模板的刚性不足，厚度不够，造成的变形。或者是由于模具中活动件位置硬度不够，有锋角，选材不当等也会造成模具钢的磨损。目前随着材料及热处理行业的高速发展，人们越来越致力于改善模具钢的性能，优化模具钢的使用条件，延长模具钢的使用寿命。目前人们主要是利用热处理和铸造时通过热处理条件的控制和合金元素的控制，从而达到改良模具钢的硬度，韧性和强度等性能，以起到改善模具钢的效果。
经过现有的技术和文献检索发现：专利CN200410066865.4公开了一种中合金镍系冷作模具钢软化处理方法，用于模具钢锻材的退火软化。其特征在于：锻压机热加工成材时，终锻温度870℃，以获得奥氏体组织；锻材自然冷却至室温，并放置2～4h，使原始奥氏体组织转变为上贝氏体和下贝氏体的混合组织；锻材以90℃/h的速度加热至670℃保温30小时，使混合组织转变成索氏体组织，达到软化目的；锻材出加热炉，空冷至室温。实施本发明软化处理的中合金镍系冷作模具钢4％Ni-Cr锻材，时间缩短50％，硬度检测值＜HB270。
专利CN200810037716.3公开了一种新型高硅低碳型高热强性热作模具钢材料，属合金钢制造工艺技术领域，其特征在于具有以下的成分及重量百分比：C 0.30～0.35％，Si1.40～1.60％，Mn 0.30～0.40％，Cr 3.50～4.50％，Mo 0.80～1.20％，V 0.80～1.20％，P＜0.03％，S＜0.02％，Fe余量。本发明热作模具钢的制备过程如下：(1)熔炼、(2)电渣重熔、(3)高温均匀化、(4)粗锻、(5)毛坯锻造、(6)退火、(7)热处理，最终制得热作模具钢。
上述专利在一定程度上都在利用热处理和合金元素的控制上优化模具钢的各项性能，但是单一的强化形式已经不能满足越来越高要求的模具钢的生产需求，上述专利都没有很好的解决既提高模具钢硬度的同时，又增强模具钢韧性这一问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，目的是提高模具钢的表面强度和硬度，增加模具钢整体的韧性，解决现有模具钢由于表面硬度与韧性不能同时满足要求而导致的使用寿命短和使用条件受限的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，具体包括以下步骤：
1）将质量百分比为1.2～1.4%的WC，2.5～4%的Cr，0.3～0.7%的石墨烯，其余为与待涂层模具钢相同成分的粉末进行混合形成A，将A进行干法球磨。
2）将球磨后的A与粘结剂混合后均匀涂覆在待涂层的模具钢表面，之后进行干燥保温使粘结剂充分挥发。
3）感应熔覆：将干燥后的磨具钢置于感应熔覆机中，加热温度为1450～1500℃，加热时间为5～20s，使高温模具钢表面的涂层熔化。
4）真空加热：之后将上述磨具钢置于真空机热炉中进行中真空加热处理，所述真空度为50～80Pa，设置真空加热炉的温度为880～900℃，加热时间为3～4h，反应结束后对模具钢进行退火处理，控制冷却速率为6～20℃/s。
5）表面淬火配分处理：将退火后的模具钢再置于感应加热机中，对模具钢进行表面淬火配分处理，感应加热电流为260～280A，加热温度为1025～1050℃，反应结束后冷却，控制其冷却速率为50～100℃/s；等温时间为10～90s。
6）低温回火：将淬火后的模具钢迅速放入真空加热炉中，真空度为50～80Pa，加热温度为200～250℃，加热时间为2.0～2.5h，以对模具钢进行低温回火。
7）渗氮处理：向所述真空加热炉中通入纯氨气，氨气流速为90～100ml/min，保持温度为700～720℃，保持时间为5～6h。
8）将处理好的模具钢进行表面微处理去除表面的熔渣及黑色氧化物。
优选的，所述的步骤1中所述干法球磨的转速为200～250r/min，球磨的时间为1.5～2h。
优选的，所述粘结剂是质量比为1：3的松香和松节油的混合物。
优选的，所述粘结剂涂覆的厚度为2.0～2.5mm。
优选的，所述步骤2中的干燥保温是将涂覆好的模具钢置于110～120℃的鼓风干燥箱中保温7～8h，使粘结剂充分的挥发。
优选的，所述的低温回火步骤重复进行两次。
优选的，所述表面淬火处理结束后的冷却采用油冷方式。
优选的，所述待涂层的模具钢在进行涂覆之前采用浓度为98%酒精溶液进行超声清洗。
本发明在熔覆层中添加石墨烯的原因一是利用石墨烯的高强度特性，提高熔覆层表面的强度，同时石墨烯还将提高熔覆层的耐磨性；二是由于石墨烯具有优异的导电性能，这对于熔覆层表面的抗晶界腐蚀能力具有明显的改善作用，提高模具钢的使用环境；本发明中在熔覆层中添加Cr及WC的主要目的还是为了提高熔覆层的表面强度，同时Cr对于熔覆层的耐摩擦性能也具有一定的改善作用，降低熔覆层的腐蚀风险；本发明中熔覆层选择模具钢粉末作为基体粉末，主要原因是为了增加熔覆层与基体模具钢之间的结合强度，保证在使用过程中，熔覆层不发生脱落；本发明采用感应熔覆加热处理的方式，可以很好提高模具钢的表面强度，同时可以对大多数模具钢采用此类方法，节约生产成本；在最后的渗氮处理中，其目的也是为了提高熔覆层的表面强度和耐摩擦性能。
本发明的目的就是为了提高模具钢的表面强度和耐摩擦性能，降低模具钢表面的腐蚀风险，提高模具钢的使用寿命和使用环境，节约企业的生产成本。
本发明一是要保证Cr在熔覆过程中不发生氧化，Cr被氧化后将以氧化物的形式存在于晶界中，这将大大降低了熔覆层的强度；二是在本发明中的熔覆过程中保证石墨烯不发生团聚现象，从而避免降低石墨烯的抗腐蚀和表面增强的能力；三是在本发明过程中熔覆温度的选择，这将影响到熔覆层与基体模具钢的结合强度，直接影响到模具钢的使用寿命；四在通过感应熔覆、真空加热、表面淬火、低温回火的步骤衔接和逐步影响，使得在热处理过程中模具钢各部分组织的理想化，形成熔覆层为回火马氏体，模具钢心部为索氏体组织。利用感应熔覆和特殊热处理相结合的形式，提高模具钢的表面强度和硬度，增加模具钢整体的韧性，增加模具钢的使用寿命和使用条件。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。
一是本发明在熔覆层中添加了石墨烯，用于提高熔覆层的表面强度和耐腐蚀性能，同时提高了熔覆层的耐摩擦性能，增加了模具钢的使用寿命。
二是在本发明的熔覆层中加入Cr及WC，目的是为了提高熔覆的表面强度，增加熔覆层的硬度和耐磨性。
三是在本发明中利用电磁感应熔覆的方法在模具钢表面添加了一层熔覆层，此方法可以在不进行回炉重熔的条件下，对模具钢的表面进行增强处理，极大地降低了生产成本。
四是在本发明中经过感应熔覆后，对模具钢进行热处理，进行表面淬火配分（Q&P）处理，通过合理的热处理方式使模具钢的表层组织为回火马氏体，而心部组织为索氏体，这样既保证了模具钢表面的力学性能，也提高了模具钢整体的韧性。
五是在本发明中最后采用了渗氮处理的操作，其目的是为了进一步提高熔覆层表面的强度，增加了模具钢的使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
1）首先将模具钢切割成半径r=10mm，高h=10mm的金属圆柱。用600～2100目的刚玉纱布对模具钢的某一面进行预处理，之后用浓度为98%酒精溶液对模具钢进行超声清洗。然后将含量为1.28%的WC，2.9%的Cr，0.3%的石墨烯，其余为模具钢的混合粉末进行干法球磨，球磨的方式为干法球磨，转速为250r/min，球磨的时间为1.5h。
2）将比例为1：3的松香、松节油的混合物作为粘结剂，与上述球磨后得到的粉末混合后均匀的涂覆在模具钢表面，涂覆的厚度为2.4mm；将涂覆好的模具钢置于110℃的鼓风干燥箱中保温7.5h，使粘结剂充分的挥发。
3）将干燥后的模具钢置于感应熔覆机中，加热温度为1450℃，加热时间为10s，使高温模具钢表面混合粉末熔化；将熔覆好的钢柱放入真空加热炉中，对加热炉进行抽真空处理，真空度为80Pa，设置真空加热炉的温度为880℃，加热时间为3h，对模具钢进行退火处理，控制冷却速率为6～10℃/s。
4）将退火后的模具钢重新加入感应加热机中，对模具钢进行表面淬火配分（Quenching and Partitioning， Q&P）处理，感应加热电流为260A,加热温度为1025℃，冷却方式为油冷，控制其冷却速率为60℃/s；等温时间为15s。
5）将淬火后的模具钢迅速放入真空加热炉中，真空度依然为80Pa，加热温度为200℃，加热时间为2.1h，对模具钢进行低温回火；重复上述的回火处理，进行二次回火处理。
6）进行渗氮处理，向真空炉中通入纯氨气，氨气流速为90ml/min,保持温度为720℃，保持时间为5h；最后，将处理好的模具钢进行表面微处理即可，去除表面的熔渣及黑色氧化物。
实施例2
1）首先将模具钢切割成半径r=10mm，高h=10mm的金属圆柱。用600～2100目的刚玉纱布对模具钢的某一面进行预处理，之后用浓度为98%酒精溶液对模具钢进行超声清洗。然后将含量为1.30%的WC，3.9%的Cr，0.5%的石墨烯，其余为模具钢的混合粉末进行干法球磨，球磨的方式为干法球磨，转速为240r/min，球磨的时间为1.6h。
2）将比例为1：3的松香、松节油的混合物作为粘结剂，与上述球磨后得到的粉末混合后均匀的涂覆在模具钢表面，涂覆的厚度为2.5mm；将涂覆好的模具钢置于113℃的鼓风干燥箱中保温7.9h，使粘结剂充分的挥发。
3）将干燥后的模具钢置于感应熔覆机中，加热温度为1470℃，加热时间为12s，使高温模具钢表面混合粉末熔化；将熔覆好的钢柱放入真空加热炉中，对加热炉进行抽真空处理，真空度为70Pa，设置真空加热炉的温度为890℃，加热时间为3.5h，对模具钢进行退火处理，控制冷却速率为8～15℃/s。
4）将退火后的模具钢重新加入感应加热机中，对模具钢进行表面淬火配分（Quenching and Partitioning， Q&P）处理，感应加热电流为270A，加热温度为1030℃，冷却方式为油冷，控制其冷却速率为90℃/s；等温时间为80s。
5）将淬火后的模具钢迅速放入真空加热炉中，真空度依然为70Pa，加热温度为250℃，加热时间为2.4h，对模具钢进行低温回火；重复上述的回火处理，进行二次回火处理。
6）进行渗氮处理，向真空炉中通入纯氨气，氨气流速为98ml/min,保持温度为710℃，保持时间为5.5h；最后，将处理好的模具钢进行表面微处理即可，去除表面的熔渣及黑色氧化物。
实施例3
1）首先将模具钢切割成半径r=10mm，高h=10mm的金属圆柱。用600～2100目的刚玉纱布对模具钢的某一面进行预处理，之后用浓度为98%酒精溶液对模具钢进行超声清洗。然后将含量为1.36%的WC，3.7%的Cr，0.4%的石墨烯，其余为模具钢的混合粉末进行干法球磨，球磨的方式为干法球磨，转速为200r/min，球磨的时间为1.9h。
2）将比例为1：3的松香、松节油的混合物作为粘结剂，与上述球磨后得到的粉末混合后均匀的涂覆在模具钢表面，涂覆的厚度为2.0mm；将涂覆好的模具钢置于118℃的鼓风干燥箱中保温7.7h，使粘结剂充分的挥发。
3）将干燥后的模具钢置于感应熔覆机中，加热温度为1480℃，加热时间为20s，使高温模具钢表面混合粉末熔化；将熔覆好的钢柱放入真空加热炉中，对加热炉进行抽真空处理，真空度为50Pa，设置真空加热炉的温度为900℃，加热时间为3.6h，对模具钢进行退火处理，控制冷却速率为10～15℃/s。
4）将退火后的模具钢重新加入感应加热机中，对模具钢进行表面淬火配分（Quenching and Partitioning， Q&P）处理，感应加热电流为280A,加热温度为1040℃，冷却方式为油冷，控制其冷却速率为80℃/s；等温时间为40s。
5）将淬火后的模具钢迅速放入真空加热炉中，真空度依然为50Pa，加热温度为220℃，加热时间为2.5h，对模具钢进行低温回火；重复上述的回火处理，进行二次回火处理。
6）进行渗氮处理，向真空炉中通入纯氨气，氨气流速为100ml/min,保持温度为705℃，保持时间为5.9h；最后，将处理好的模具钢进行表面微处理即可，去除表面的熔渣及黑色氧化物。
本发明通过感应熔覆、真空加热、表面淬火、低温回火的步骤衔接和逐步影响，使得在热处理过程中模具钢各部分组织的理想化，形成熔覆层为回火马氏体，模具钢心部为索氏体组织。利用感应熔覆和特殊热处理相结合的形式，提高模具钢的表面强度和硬度，增加模具钢整体的韧性，增加模具钢的使用寿命和使用条件。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1）将质量百分比为1.2～1.4%的WC，2.5～4%的Cr，0.3～0.7%的石墨烯，其余为与待涂层模具钢相同成分的粉末进行混合形成A，将A进行干法球磨；
2）将球磨后的A与粘结剂混合后均匀涂覆在待涂层的模具钢表面，之后进行干燥保温使粘结剂充分挥发；
3）感应熔覆：将干燥后的磨具钢置于感应熔覆机中，加热温度为1450～1500℃，加热时间为5～20s，使高温模具钢表面的涂层熔化；
4）真空加热：之后将上述磨具钢置于真空机热炉中进行中真空加热处理，所述真空度为50～80Pa，设置真空加热炉的温度为880～900℃，加热时间为3～4h，反应结束后对模具钢进行退火处理，控制冷却速率为6～20℃/s；
5）表面淬火配分处理：将退火后的模具钢再置于感应加热机中，对模具钢进行表面淬火配分处理，感应加热电流为260～280A，加热温度为1025～1050℃，反应结束后冷却，控制其冷却速率为50～100℃/s；等温时间为10～90s；
6）低温回火：将淬火后的模具钢迅速放入真空加热炉中，真空度为50～80Pa，加热温度为200～250℃，加热时间为2.0～2.5h，以对模具钢进行低温回火；
7）渗氮处理：向所述真空加热炉中通入纯氨气，氨气流速为90～100ml/min，保持温度为700～720℃，保持时间为5～6h；
8）将处理好的模具钢进行表面微处理去除表面的熔渣及黑色氧化物。
2.根据权利要求1所述的一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述的步骤1中所述干法球磨的转速为200～250r/min，球磨的时间为1.5～2h。
3.根据权利要求1所述的一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述粘结剂是质量比为1：3的松香和松节油的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述粘结剂涂覆的厚度为2.0～2.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述步骤2中的干燥保温是将涂覆好的模具钢置于110～120℃的鼓风干燥箱中保温7～8h，使粘结剂充分的挥发。
6.根据权利要求1所述的一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述的低温回火步骤重复进行两次。
7.根据权利要求1所述的一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述表面淬火处理结束后的冷却采用油冷方式。
8.根据权利要求1所述的一种提高模具钢表面强度及韧性的高熵熔覆涂层制备方法，其特征在于，所述待涂层的模具钢在进行涂覆之前采用浓度为98%酒精溶液进行超声清洗。
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