專利名稱：一種高碳冷作模具鋼表面耐磨強化處理方法
技術領域：
本發明涉及的是高碳冷作模具鋼的表面耐磨處理技術，具體為高碳冷作模具鋼表面釩碳硼耐磨層的制備方法，以提高冷作模具的使用性能與使用壽命。
背景技術：
20世紀60年代以來，表面工程學蓬勃發展，為了滿足日益快速發展的對材料表面特殊性能的高要求，現已開發了許多表面處理的新方法，其中由日本提出的采用熔鹽浴在模具表面生成碳化物覆層的TD法成功的解決了很多模具的表面耐磨損問題。在該處理方法中，先把被處理的材料浸入處于大氣環境的熔鹽浴中，后續用油或空氣進行冷卻以強化基體。該處理鹽浴由作為傳質用的硼砂和含有碳化物形成元素如釩、鈮、鈦、鉻等的混合物組成。TD法自發明以后，七十年代就在日本得到迅速發展，應用范圍也很廣泛。因為TD處理能驚人地提高工具鋼和硬質合金的耐磨性、抗刮削性，它在日本冷鍛工業和世界上其它地方都得到了廣泛的應用。人們在研究鹽浴配方上下了很大的功夫，相繼提出用以下四種類型鹽浴進行滲釩:
1.硼砂鹽浴
硼砂鹽浴滲釩法是日本最初采用的方法，該法可使碳素工具鋼和合金工具鋼在含釩鐵或V2O5及Al、S1、Ca等還原劑的硼砂浴中進行滲釩，在表面可形成幾微米至幾十微米的釩碳化合物層。該類鹽浴具有密度大，鹽浴偏析小，熔融硼砂可與金屬表面的氧化物反應，可以清潔工件表面，促進覆層形成的優點。但該種類型的鹽浴熔點較高，流動性差，殘鹽清洗困難，且對坩堝和夾具的腐蝕性較大而導致設備壽命低等缺陷。為了解決硼砂浴的流動性差的問題，新井透等采用電解法進行硼砂鹽浴滲釩。此方法是將脫水硼砂裝入石墨坩堝內，加熱熔化后，再把釩鐵合金 條插入鹽浴作陽極，坩堝作陰極，通電后使釩鐵條內的釩原子逐漸溶入硼砂浴中，再滲入工件表面。這種方法滲速較TD法快，但需較多的附加設備，以便精確控制鹽浴成分和保持電流密度恒定，對工藝條件要求十分嚴格，因此不利于推廣應用。例如:中國專利，專利申請號為201210380527.2以及200910264038.9公開的一種熱輻射原位制備VC涂層的方法、一種冷作模具鋼的表面強化處理方法。2.中性鹽浴
為了改善硼砂熔劑流動性、粘度、以及工藝處理溫度偏高等問題，德國Ulrich Baudis等人研制出一種中性鹽浴方案。配方主要是以(5(Γ 100) wt.%的BaCl2加堿金屬或堿土金屬鹵化物為基鹽，(f30)wt.%釩粉或釩鐵合金粉末為供釩劑，處理過程中要用機械攪拌，并需要通入氮氣、氫氣等氣體作為保護氣體。中性鹽浴配方克服了硼砂鹽浴腐蝕性大的缺點，鹽浴的流動性也比硼砂鹽浴好得多，可降低處理溫度，有利于減小變形，提高處理后工件的尺寸精度，而且殘鹽容易清洗。但是，這類鹽浴去除工件表面金屬氧化物的能力較弱，鹽浴揮發較嚴重，各組分比重偏析較大，易形成鹽浴分層，滲釩層的均勻性較差，被覆的VC層質量不穩定等缺點，很難得到具有實用性價值的較厚覆層。3.混合鹽浴
混合鹽浴就是將硼砂和中性鹽按一定比例混合起來的鹽浴。此方法鹽浴流動性好，減輕了工件粘鹽和坩堝腐蝕，但鹽浴比重偏析大，滲釩層質量不穩定，尚處于實驗室研究階段。例如:中國專利公開號為CN102443810A公開了一種冷作模具鋼沖頭表面強化處理方法，屬于金屬材料領域。具體步驟是:將精加工后的冷作模具鋼沖頭在真空下預熱至500-600°C ;然后將預熱的沖頭放入硼砂混合物鹽浴中，硼砂混合物鹽浴的組成為重量比V2O5為8-15%、Y2O3為6-12%、NaF為8_12%，其余為Na2B4O7和不可避免的雜質；在850-1150°C的溫度下保溫1.0-15小時，在沖頭表面通過擴散反應形成冶金結合的陶瓷層；將沖頭在980-1200°C進行鹽浴淬火，然后在300-500°C進行回火處理，保證沖頭的尺寸精度穩定性。目前如何解決混合鹽浴滲釩層質量不穩定的問題，是制約混合鹽浴能否廣泛應用的關鍵問題。
發明內容
本發明為了解決現有技術的不足，提供了一種滲釩層組織致密，與基體具有良好的結合強度，耐磨損性、抗咬合性和抗剝落性優異，滲釩層質量穩定的高碳冷作模具鋼表面耐磨強化處理方法。本發明的技術關鍵在于采用按一定比例混合起來的硼砂和BCl2+NaCl+KCl的鹽浴為載體，在鹽浴中添WV205、A1和金屬釔，并于104(T1060 °C共滲6小時，得到的釩碳硼耐磨層厚度為12 15 μ m,硬度為HV 2900^3300,釩碳硼耐磨層組織致密，與基體具有良好的結合強度，耐磨損性、抗咬合性和抗剝落性優異，耐磨層質量穩定。另外高碳冷作模具鋼共滲處理后直接進行淬火或正火，在溫度為20(T250°C進行回火8 10小時，不降低基體的韌性。具體技術方案為:一種高碳冷作模具鋼表面耐磨強化處理方法，其特征在于包括以下步驟:
(I)制備鹽浴混合物:先在不銹鋼坩堝中加入硼砂，加熱至95(T960°C的鹽浴保溫Γ5小時，然后加入BC12、NaCl和KC1，攪拌均勻，l(T20min后，加入V2O5和金屬釔，攪拌均勻，20 30 min后，加入鋁，攪拌均勻，l(T20min后，升溫至1040 1060 °C，保溫3 4小時；
(2)鹽浴共滲:放入常溫的高碳冷作模具鋼，共滲6小時，溫度保持104(T1060°C，得到表面的釩碳硼耐磨層；
(3)淬火回火:直接進行淬火或正火，然后在溫度為20(T250°C進行回火8 10小時。所述鹽浴混合物元素含量質量百分比為:80 82%硼砂，3 4% BCl2,0.5^1% NaCl，2 2.5% KCl，6 8 % V2O5，1.5 2.5% 金屬釔，4 5% 鋁。本發明的有益效果:1、本發明的高碳冷作模具鋼表面釩碳硼耐磨層厚度為12^15 μ m，硬度為HV 290(Γ3300，釩碳硼耐磨層組織致密，與基體具有良好的結合強度，耐磨損性、抗咬合性 和抗剝落性優異，耐磨層質量穩定，可以提高模具的使用壽命數倍至十倍。解決了混合鹽浴滲釩層質量不穩定的難題。2、本發明可以分別應用在Τ10Α，Τ12Α，GCrl5, CrWMn、Crl2，Crl2MoV, Crl2MolVl, W12Mo3Cr4V3N 等材質的模具上，應用范圍廣。
3、本發明將高碳冷作模具表面共滲處理后直接淬火(或正火)，在溫度20(T250°C回火8 10小時，不降低基體的韌性。并且處理過程無公害，工藝節能性良好。
圖1為Crl2MoV合金表面的I凡碳硼耐磨層形貌圖。圖2為圖1的元素分析圖。
具體實施例方式實施例1:一種高碳冷作模具鋼表面耐磨強化處理方法，所述高碳冷作模具鋼材質為Crl2MoV，包括以下步驟:
Cl)制備鹽浴混合物:先在不銹鋼坩堝中加入硼砂，加熱至950°C的鹽浴保溫4小時，然后加入BCl2、NaCl和KCl，攪拌均勻，15min后，加入V2O5和金屬釔，攪拌均勻，20 min后，加入鋁，攪拌均勻，20min后，升溫至1060 °C，保溫3小時；
(2)鹽浴:放入常溫的高碳冷作模具鋼，共滲6小時，溫度保持1060°C，得到表面的釩碳硼耐磨層；
(3)淬火回火:直接進行淬火，然后在溫度為220°C進行回火10小時。所述鹽浴混合物元素含量質量百分比為:80%硼砂，3% BCl2,0.5% NaCl, 2.5%KCl,8% V2O5，2% 金屬釔，4% 鋁。得到的釩碳硼耐磨層厚度為14 μ m,硬度為HV 2980，釩碳硼耐磨層組織致密，與基體具有良好的結合強度優 異，耐磨層質量穩定，成品率達到98%。實施例2:參照實施例1，高碳冷作模具鋼材質為T12A，包括以下步驟:
(I)制備鹽浴混合物:先在不銹鋼坩堝中加入硼砂，加熱至960°C的鹽浴保溫4小時，然后加入BCl2、NaCl和KC1，攪拌均勻，16min后，加入V2O5和金屬釔，攪拌均勻，18min后，加入鋁，攪拌均勻，20min后，升溫至1050 °C，保溫4小時；
(2)鹽浴共滲:放入常溫的高碳冷作模具鋼，共滲6小時，溫度保持1050°C，得到表面的釩碳硼耐磨層；
(3)淬火回火:直接進行淬火，然后在溫度為200°C進行回火10小時。所述鹽浴混合物元素含量質量百分比為:82%硼砂，3.5% BCl2,0.5% NaCl, 2.5%KCl,6 % V2O5 ,1.5% 金屬釔，4% 鋁。得到的釩碳硼耐磨層厚度為12 μπι，硬度為HV 2930，釩碳硼耐磨層組織致密，與基體具有良好的結合強度優異，耐磨層質量穩定，成品率達到98%。實施例3:參照實施例1，高碳冷作模具鋼材質為GCrl5,包括以下步驟:
(I)制備鹽浴混合物:先在不銹鋼坩堝中加入硼砂，加熱至945°C的鹽浴保溫4小時，然后加入BCl2、NaCl和KC1，攪拌均勻，18min后，加入V2O5和金屬釔，攪拌均勻，20min后，加入鋁，攪拌均勻，20min后，升溫至1060 °C，保溫3.5小時；
(2)鹽浴共滲:放入常溫的高碳冷作模具鋼，共滲6小時，溫度保持1060°C，得到表面的釩碳硼耐磨層；
(3)淬火回火:直接進行淬火,然后在溫度為210°C進行回火10小時。所述鹽浴混合物元素含量質量百分比為:81%硼砂，3% BCl2,1% NaCl, 2% KCl,6.5% V2O5，1.5% 金屬釔，5% 鋁。釩碳硼耐磨層厚度為11 ym,硬度為HV 2900，釩碳硼耐磨層組織致密，與基體具有良好的結合強度優異，耐磨層質量穩定，成品率達到98%。實施例4:參照實施例1，高碳冷作模具鋼材質為W12Mo3Cr4V3N，包括以下步驟: (O制備鹽浴混合物:先在不銹鋼坩堝中加入硼砂，加熱至955°C的鹽浴保溫3.5小
時，然后加入BC12、NaCl和KCl，攪拌均勻，15min后，加入V2O5和金屬釔，攪拌均勻，30min后，加入招，攬祥均勾，IOmin后，升溫至1060 C，保溫4小時；
(2)鹽浴共滲:放入常溫的高碳冷作模具鋼，共滲6小時，溫度保持1060°C，得到表面的釩碳硼耐磨層；
(3)淬火回火:直接進行淬火，然后在溫度為250°C進行回火10小時。所述鹽浴混合物元素含量質量百分比為:80%硼砂，4% BCl2,0.5% NaCl, 2% KCl，
7.5% V2O5，2% 金屬釔，4% 鋁。釩碳硼耐磨層厚度為14 μ m，硬度為HV 3150，釩碳硼耐磨層組織致密，與基體具有良好的結合強度優異，耐磨層 質量穩定，成品率達到98%。實施例5:參照實施例1，高碳冷作模具鋼材質為Crl2,包括以下步驟:
(I)制備鹽浴混合物:先在不銹鋼坩堝中加入硼砂，加熱至950°C的鹽浴保溫4小時，然后加入BCl2、NaCl和KC1，攪拌均勻，14min后，加入V2O5和金屬釔，攪拌均勻，25min后，加入鋁，攪拌均勻，20min后，升溫至1060 °C，保溫3.5小時；
(2)鹽浴共滲:放入常溫的高碳冷作模具鋼，共滲6小時，溫度保持1060°C，得到表面的釩碳硼耐磨層；
(3)淬火回火:直接進行淬火，然后在溫度為220°C進行回火10小時。所述鹽浴混合物元素含量質量百分比為:80.5%硼砂，4% BCl2,0.5% NaCl, 2%KCl, 7% V2O5，2% 金屬釔，4% 鋁。釩碳硼耐磨層厚度為15 ym，硬度為HV 3290，釩碳硼耐磨層組織致密，與基體具有良好的結合強度優異，耐磨層質量穩定，成品率達到98%。
權利要求
1.一種高碳冷作模具鋼表面耐磨強化處理方法，其特征在于包括以下步驟: (I)制備鹽浴混合物:先在不銹鋼坩堝中加入硼砂，加熱至95(T960°C的鹽浴保溫Γ5小時，然后加入BC12、NaCl和KC1，攪拌均勻，l(T20min后，加入V2O5和金屬釔，攪拌均勻，20 30 min后，加入鋁，攪拌均勻，l(T20min后，升溫至1040 1060 °C，保溫3 4小時； (2)鹽浴共滲:放入常溫的高碳冷作模具鋼，共滲6小時，溫度保持104(T1060°C，得到表面的釩碳硼耐磨層； (3)淬火回火:直接進行淬火或正火，然后在溫度為20(T250°C進行回火8 10小時。
2.根據權利要求1所述的一種高碳冷作模具鋼表面耐磨強化處理方法，其特征在于所述鹽浴混合物元素含量質量百分比為:80 82%硼砂，3 4% BCl2,0.5 1% NaCl, 2^2.5% KCl，6 8 % V2O5，1.5 2.5%金 屬釔，4 5%鋁。
全文摘要
本發明涉及一種高碳冷作模具鋼的表面耐磨處理技術，具體為高碳冷作模具鋼表面釩碳硼耐磨層的制備方法。這種方法以按一定比例混合起來的硼砂和BCl2+NaCl+KCl的鹽浴為載體，在鹽浴中添加V2O5、Al和金屬釔，并于1040~1060oC共滲6小時。這種方法制備的釩碳硼耐磨層厚度為12~15μm，硬度為HV2900~3300，釩碳硼耐磨層組織致密，與基體具有良好的結合強度，耐磨損性、抗咬合性和抗剝落性優異，耐磨層質量穩定。高碳冷作模具鋼釩碳硼共滲處理后直接淬火(或正火)在200~250oC進行回火8~10小時，不降低基體的韌性，可以提高模具的使用壽命數倍至十倍。并且本發明處理過程無公害，工藝節能性良好。克服了混合鹽浴滲釩層質量不穩定的缺點。
文檔編號C23C10/24GK103225055SQ20131014102
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者蔣東華, 王振生, 李開春 申請人:無錫市晟元金屬制品有限公司