CN117660734A - 一种冷作模具钢表面强化处理方法及冷作模具钢 - Google Patents

Abstract

本发明属于热处理工艺技术领域，特别涉及一种冷作模具钢表面强化处理方法及冷作模具钢，其中，冷作模具钢表面强化处理方法包括步骤：S1：对钢件进行整体淬火和回火处理；S2：对经S1处理后的钢件进行表面磨削加工处理；S3：对经S2处理后的钢件进行整体去应力退火处理，获得冷作模具钢；其中，所述S1中，淬火包括加热、保温和冷却步骤；所述淬火加热温度为1050~1080℃；之后冷却至室温，冷却方式为油冷。本发明的方法工艺简单、可操作性强，能够大幅度提高冷作模具钢表面硬度，同时使得其心部保持较高的强度和韧性。采用该模具钢制作的模具具有更长的使用寿命，能够更好地适应现代工业生产对高端模具的需求。

Description

一种冷作模具钢表面强化处理方法及冷作模具钢

技术领域

本发明属于热处理工艺技术领域，特别涉及一种冷作模具钢表面强化处理方法及冷作模具钢。

背景技术

冷作模具钢是指使金属在冷态下变形或成形所使用的模具钢。由于冷作模具多为常温下工作，材料的塑性变形抗力大，模具的工作应力大，工作条件苛刻，综合起来这类模具性能上一般要求高的硬度和耐磨性、足够的强度、适当的韧性。其中强度是基本性能要求，为减少使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏，要求材料有一定的韧性。而影响模具使用寿命的重要因素之一是模具的耐磨性。相关统计表明，模具表面磨损失效占冷作模具钢总失效的50%以上，为提高模具表面耐磨性，继而提高模具的使用寿命，目前常采用如氮化、PVD、CVD、和TD等表面处理技术以改善模具表面性能。众多方法各有其优缺点，但也都面临实际效果，可操作性，成本及环境等问题。

现有技术CN112501403B公开了一种冷作模具钢表面超硬化处理工艺；其冷作模具钢为Crl2MoV型模具钢，包括预热、TD炉处理、盐浴炉淬火、高温回火和后续处理等步骤。虽然该技术能够有效提高Crl2MoV型模具钢的韧性，但是该方法的操作简便性、易操作性和成本还有进一步优化的空间。

现有技术CN103510080A公开了一种冷作模具钢的表面处理方法；该方法步骤包括净化处理、预镀 Ni-P 层和化学复合镀，将经预镀 Ni-P 层的冷作模具钢浸入添加了稳定剂和表面活性剂的镀液中进行表面活化；化学复合镀包括在 75℃～ 95℃温度下，添加有经表面改性后预混合的TiO2和SiO2纳米颗粒的镀液中化学复合镀30 ～ 40分钟形成Ni-P-TiO2/SiO2镀层 ；再于室温下干燥后经 250℃～ 500℃处理 0.5h ～ 3h。该发明通过采用化学镀方法来提高模具表面的硬度以及耐磨性，但是该方法简便性、易操作性和成本还有进一步优化的空间。

现有技术CN114836599A公开了一种冷作模具钢基体强韧化热处理工艺，采用三次奥氏体化、一次高温回复处理、两次回火处理的的热处理工艺技术，进而提高模具的冷作模具钢的抗开裂、崩韧、折断性能，同时提高冷作模具钢的抗粘着性能。但是该技步骤繁琐，加工周期长，为了得到硬度和韧性满意的冷作模具钢，有必要优化改进该工艺。

综上所述，现有技术的冷作模具钢表面处理方法在简便性、易操作性和成本还可以进一步优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：简化现有技术的冷作模具钢表面强化处理方法的繁琐步骤，降低操作要求，同时进一步提升钢件的表面硬度、耐磨程度、和钢心的韧性。为了解决上述问题，本发明提供一种冷作模具钢表面强化处理方法及采用该方法制备的冷作模具钢。本发明的方法步骤简单，可操作性强，节省成本，大幅度增加了冷作模具钢的表面的硬度和耐磨性能，以及提升了钢心的韧性。

具体的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供一种冷作模具钢表面强化处理方法，包括如下步骤：

S1：对钢件进行整体淬火和回火处理；

S2：对经S1处理后的钢件进行表面磨削加工处理；

S3：对经S2处理后的钢件进行整体去应力退火处理，获得冷作模具钢；

其中，所述S1步骤中，淬火包括加热、保温和冷却步骤；

所述淬火加热温度为1050~1080℃；所述淬火之后冷却至室温，冷却方式为油冷。

进一步地，所述淬火加热速率为≤100℃/h，所述淬火保温时间为0.5 h~2 h。

进一步地，所述淬火加热温度为1060±10℃。

进一步地，所述S1中，所述回火包括加热、保温和冷却步骤，所述回火加热的速率为≤100℃/h，所述回火加热温度为520±20℃，所述回火保温时间为2 h~4 h，之后冷却至室温，冷却方式为空冷。

进一步地，所述冷作模具钢的化学成分包括：

C：0.90%～1.15%；Si：0.80%～1.10%；Mn：≤ 0.50%；Cr：7.00%～9.00%；V：0.15%～0.35%；Mo：1.50%～2.10%；P：≤ 0.005%；S：≤ 0.003%；余量为Fe。

进一步地，所述步骤S2中步骤为：

将S1处理后的钢件表面进行磨削加工；

所述磨削速度为20~40 m/s；

所述磨削后表面粗糙度为Ra 0.15~0.04μm。

进一步地，所述S3中去应力退火包括将钢件加热、保温和冷却步骤，所述退火加热温度为200±20℃，所述退火加热速率为≤100℃/h，所述退火保温时间为2h~4 h，冷却方式为空冷。

进一步地，所述方法的参数包括：淬火温度1050℃、淬火保温时间1h、回火温度530℃、回火保温时间3h、表层磨削速度40m/s、表层磨削后粗糙度0.06μm、去应力退火温度205℃和去应力退火时间4h。

进一步地，所述S2磨削加工时的环境温度为常温。

另一方面，本发明还提供一种冷作模具钢，采用前述方法制备。

本发明的有益效果：

（1）本发明方法中各个参数协同作用，通过对冷作模具钢进行整体热处理获得较高的残余奥氏体体积分数，继而对模具钢表层进行磨削加工，使其产生超细晶马氏体组织，获得较高的表层硬化层，再通过去应力处理消除其磨削加工过程中产生的加工应力，最终获得表层硬度高而心部韧性好的冷作模具钢。

（2）本发明方法处理的冷作模具钢表面硬度较基体高50%以上，硬化层深度可达50~300μm，表层拥有优异的耐磨性，而心部保持较高的强度和韧性。采用该模具钢制作的模具具有更长的使用寿命，能够更好地适应现代工业生产对高端模具的需求。

本发明总结了实施例的各方面，并且不应当用于限制权利要求。根据在此描述的技术可设想到其他实施方式，这对于本领域技术人员来说在研究以下附图和具体实施方式后将是显而易见的，并且这些实施方式意图被包含在本申请的范围内。

在研究以下说明书、权利要求书和附图后，本领域技术人员将理解和意识到本公开的这些和其它方面、目的和特征。

附图说明

为了更加完整地理解本申请的实施例，应参考在附图中更为详细地说明以及下文中通过示例描述的实施例，其中：

图1所示为本发明一些实施例的冷作模具钢金相图。

具体实施方式

以下描述了本公开的实施例。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种替代形式。附图不一定按比例绘制； 某些功能可能被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本申请的代表性基础。如本领域技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导相一致的特征的各种组合和修改对于某些特定应用或实施方式可能是期望的。

本公开中的常温，为现有技术通常定义的常温，具体是指15~30℃范围内的温度。

此外，在本文中，术语“包括”、“包含”或其任何其它变形旨在涵盖非排他性的包括，以使包含一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，也可以包括未明确列出的或这些过程、方法所固有的要素。

本发明中采用的检测方法，如果没有特殊说明，均为本领域的常规检测方法，如国标方法等。

下面将结合附图说明本申请的一个或多个实施例。

本发明提供的一种冷作模具钢表面强化处理方法，包括如下步骤：

S1：对钢件进行整体淬火和回火处理；

S2：对经S1处理后的钢件进行表面磨削加工处理；

S3：对经S2处理后的钢件进行整体去应力退火处理，获得冷作模具钢；

其中，所述S1中，淬火包括加热、保温和冷却步骤；

所述淬火加热温度为1050~1080℃；

所述淬火之后冷却至室温，冷却方式为油冷。

本发明通过特定的强化处理方法，使冷作模具钢表面获得超细晶马氏体组织，超细晶马氏体组织具有超高硬度，从而提高钢表面硬度和耐磨损性能，同时，通过特定的回火参数使钢心部具有良好韧性而避免出现因韧性不足而断裂情况，从而得到表面硬度和耐磨损性内部韧性好的冷作模具钢。

与现有技术相比较，本发明通过对热处理工艺的优化组合调整，使其淬火过程获得大量的残余奥氏体（淬火温度高，碳化物充分溶解，使得基体合金元素含量增加，增加了奥氏体的稳定性；采用油冷，冷却速率较快，奥氏体来不及转变完全，使其保留了大量的未转变奥氏体，亦即残余奥氏体。），为后续获得超细晶马氏体做了充分的准备。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，所述淬火加热速率为≤100℃/h，所述淬火保温时间为0.5 h~2 h。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，淬火加热温度为1060℃~1070℃。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，淬火加热温度为1060±10℃，包括但不限于1050℃、1060℃或1070℃。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，所述S1中，所述回火包括加热、保温和冷却步骤，所述回火加热速率为≤100℃/h，所述回火加热温度为520±20℃，所述回火保温时间为2 h~4 h，之后冷却至室温，冷却方式为空冷。

本发明限定特定的淬火和回火加热温度、加热速率和保温时间，三者协同作用能够使冷作模具钢表面获得超细晶马氏体组织，具体的，本发明S1特定的淬火和回火工艺参数目的是为了获得较高的残余奥氏体体积分数，为下一步骤中得到超细晶马氏体做准备。本发明冷作模具钢固有特性：一次碳化物较发达，且多数热变形后呈块状，有一定尖角。通过本发明S1加热温度、加热速率、保温时间协同作用之后，能够使其充分溶解，回火过程二次析出，可避免尖锐的碳化物在后续加工过程中成为裂纹的萌生源。

本发明特定的加热速率，能够避免钢件开裂，如果钢件较大，加热速率不合适，比如加热速率过快，钢件会在其内部热应力和组织应力双重作用下裂开。

本发明特定的淬火保温时间能够控制淬火之后奥氏体晶粒粗大，以及碳化物的固溶程度，碳化物的固溶量影响奥氏体的饱和程度，当奥氏体饱和后，能够影响体系中的残余奥氏体的量。回火保温时间能够控制钢件的最终使用性能。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，所述冷作模具钢的化学成分包括：

C：0.90%～1.15%；Si：0.80%～1.10%；Mn：≤ 0.50%；Cr：7.00%～9.00%；V：0.15%～0.35%；Mo：1.50%～2.10%；P：≤ 0.005%；S：≤ 0.003%；余量为Fe。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，所述步骤S2步骤为：

将S1处理后的钢件表面进行磨削加工；

所述磨削速度为20-40 m/s；

所述磨削后表面粗糙度为Ra 0.15-0.04μm。

本发明特定的粗糙度范围能够兼顾后续制作的冷作模具钢的使用寿命，如果粗糙度过大会缩短使用寿命，粗糙度过小会增加加工成本。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，加热速率为≤100℃/h，加热温度为200±20℃，保温时间为2h~4 h，出炉冷却方式为空冷。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，磨削加工时的环境温度为常温。

在本发明的一些实施例中，在上述实施例基础上，所述方法的参数包括：淬火温度1050℃、淬火保温时间1h、回火温度530℃、回火保温时间3h、表层磨削速度40m/s、表层磨削后粗糙度0.06μm、去应力退火温度205℃和去应力退火时间4h。

另一方面，本发明还提供一种冷作模具钢，采用前述方法制备。

下面是本发明的一些更具体的实施例：

实施例1 淬火温度的优化

取1~7组钢件，将1~7组的钢件进行加工，所述1~7组钢件的化学成分均在下述范围内：C：0.90%～1.15%；Si：0.80%～1.10%；Mn：≤ 0.50%；Cr：7.00%～9.00%；V：0.15%～0.35%；Mo：1.50%～2.10%；P：≤ 0.005%；S：≤ 0.003%；余量为Fe。

所述加工方法包括：

对钢件进行整体淬火处理和回火处理，1~7组钢件每组淬火温度不同，之后采用油冷的方式将1~7组钢件冷却至室温，之后进行回火处理，回火处理的条件包括加热、保温和冷却步骤，回火加热的速率为≤100℃/h，回火加热温度为520±20℃，回火保温时间为2 h~4 h，之后采用空冷的方式冷却至室温。本实施例考察了钢件淬火温度从950~1080℃范围内淬火温度对淬火后的钢件的残余奥氏体的含量和淬火后的钢件的硬度影响。结果如下表1所示：

表1 本发明1~7组的淬火温度对淬火后的钢件的残余奥氏体和淬火后的钢件的硬度的检测结果

从表1的结果可以看出，当钢件淬火温度为950℃时候，淬火后的钢件的残余奥氏体含量仅为4.47 %，淬火后的钢件的硬度仅为658 HV₃₀，当淬火温度逐渐升高，淬火后的钢件的残余奥氏体和硬度逐渐升高，当淬火温度为达到1060时，淬火后的钢件的残余奥氏体含量为23.59 %，硬度为763 HV₃₀，达到了淬火温度为950℃的1.15倍，当淬火温度继续升高，达到1080℃时，淬火后的钢件的残余奥氏体和硬度含量几乎不变，选择淬火后的钢件的残余奥氏体含量最高的淬火温度条件为本发明的淬火温度，由于在本领域加工过程中，淬火温度会有上下10度左右的浮动，因此，选择淬火温度为1050~1070℃为本发明的淬火温度。

实施例2 钢件性能检测

选取实施例1的钢件，分为3组，各组钢件的化学组成如表2所示，之后进行如下步骤：

步骤1：对钢件进行整体淬火和回火处理（淬火之后冷却至室温，冷却方式为油冷）；

步骤2：对经步骤1处理后的钢件进行表面磨削加工处理；

步骤3：对经步骤2处理后的钢件进行整体去应力退火处理，获得冷作模具钢。

表2各组的化学成分（质量百分比 %）

其中，步骤1~3参数如表3所示：

表3 各组主要工艺参数取值

组别	淬火温度/℃	淬火保温时间/h	回火温度/℃	回火保温时间/h	表层磨削速度/m/s	表层磨削后粗糙度/μm	去应力退火温度/℃	去应力退火时间/h
									1	1050	1.5	500	2	25	0.12	185	3
2	1060	0.5	520	4	35	0.08	215	2.5
									3	1070	1	530	3	40	0.06	205	4

本实施例中的淬火保温时间在0.5~2h内均可以取得相同的技术效果，另外，对上述1~3组的冷作模具钢采用常规方法进行检测，检测结果如表4所示：

表4 实施例2中1~3组各组的表层硬化层厚度及硬度提升比例

由表4可知，本实施例中1~3组表层硬化厚度达到了60μm以上，同时，表层硬度较基体提升比例均为58%以上，图1所示为本实施例第2组的冷作模具钢的金相图，为其表层硬化层。上述表4数据说明当钢件的组分为本发明限定的组分，工艺参数取值在本发明限定的范围内时，其冷作模具钢的表层硬化层厚度和表层硬度较基体提升比例能取得很好的提升，说明本发明的工艺参数能够使得冷作模具钢的耐磨性能得到增加。

对比例1

选取实施例1的钢件，分为2组，各组钢件的化学组成如表5所示，之后参考实施例2的步骤1~3进行如下步骤，与实施例2的步骤的区别见表6：

表5对比例各组的化学成分（质量百分比 %）

表6对比例各组主要工艺参数取值

组别	淬火温度/℃	淬火保温时间/h	回火温度/℃	回火保温时间/h	表层磨削速度/m/s	表层磨削后粗糙度/μm	去应力退火温度/℃	去应力退火时间/h
									1	1030	0.5	500	2	25	0.12	185	3
2	1040	1	510	4	35	0.08	215	2.5

将加工后的对比1组、对比2组表层硬化层厚度及硬度提升比例进行检测，结果如表7所示：

表7、对比例1中各组的表层硬化层厚度及硬度提升比例（质量百分比 %）

由表7可知，本实施例中对比1~2组表层硬化厚度为5μm和10μm，表层硬度较基体提升比例为8%和15%，说明当钢件的组分加工工艺不满足本发明的特定参数时，制备的冷作模具钢的表层硬化层厚度和表层硬度较基体提升比例不能取得很好的技术效果，硬化效果和耐磨性能不能有效增加，而本申请特定的工艺参数之间的协同作用，使冷作模具钢的表层硬化厚度达到了60μm以上，同时，使表层硬度较基体提升比例均为58%以上，本发明的方法大幅度增加了冷作模具钢的硬化效果和耐磨性能。

需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围被限于这些例子，在不背离本申请限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷作模具钢表面强化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：对钢件进行整体淬火和回火处理；

S2：对经S1处理后的钢件进行表面磨削加工处理；

S3：对经S2处理后的钢件进行整体去应力退火处理，获得冷作模具钢；

其中，所述S1中，淬火包括加热、保温和冷却步骤；

所述淬火加热温度为1050~1080℃；

所述淬火之后冷却至室温，冷却方式为油冷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淬火加热速率为≤100℃/h，所述淬火保温时间为0.5 h~2 h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淬火加热温度为1060±10℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1中，所述回火包括加热、保温和冷却步骤，所述回火加热的速率为≤100℃/h，所述回火加热温度为520±20℃，所述回火保温时间为2 h~4 h，之后冷却至室温，冷却方式为空冷。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以质量百分数计，所述冷作模具钢的化学成分包括：

C：0.90%～1.15%；Si：0.80%～1.10%；Mn：≤ 0.50%；Cr：7.00%～9.00%；V：0.15%～0.35%；Mo：1.50%～2.10%；P：≤ 0.005%；S：≤ 0.003%；余量为Fe。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中步骤为：

将S1处理后的钢件表面进行磨削加工；

所述磨削速度为20~40 m/s；

所述磨削后表面粗糙度为Ra 0.15~0.04μm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中去应力退火包括将钢件加热、保温和冷却步骤，所述退火加热温度为200±20℃，所述退火加热速率为≤100℃/h，所述退火保温时间为2h~4 h，所述冷却方式为空冷。

8.根据权利要求1~7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法的参数包括：淬火温度1050℃、淬火保温时间1h、回火温度530℃、回火保温时间3h、表层磨削速度40m/s、表层磨削后粗糙度0.06μm、去应力退火温度205℃和去应力退火时间4h。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S2磨削加工时的环境温度为常温。

10.一种冷作模具钢，其特征在于，由权利要求1~9任一项所述方法制备。